STM32

乔二

STM32的核心Cortex-M3处理器是一个标准化的微控制器结构，希望思考一下，何为标准化？简言之，Cortex-M3处理器拥有32位CPU，并行总线结构，嵌套中断向量控制单元，调试系统以及标准的存储映射。
嵌套中断向量控制器（Nested Vector Interrupt Controller,简称NVIC）是Cortex-M3处理器中一个比较关键的组件，它为基于Cortex-M3的微控制器提供了标准的中断架构和优秀的中断响应能力，为超过240个中断源提供专门的中断入口，而且可以赋予每个中断源单独的优先级。利用NVIC从可以达到极快的中断响应速度，从收到中断请求到执行中断服务的第一条指令仅需12个周期。这种极快的响应速度一方面得益于Cortex-M3内核对堆栈的自动处理机制，这种机制是通过固化在CPU内部的微代码实现的。另一方面，在中断请求连续出现的情况下，NVIC使用一种称为“尾链”的技术，使连续而来的中断可以在6个时钟周期内得到服务。在中断的压栈阶段，更高优先级的中断可以不耗费任何额外的CPU周期就能完成嵌入低优先级中断的动作。具体的细节后面我会继续总结的。用户可以通过设置CPU自动进入低功耗状态，而使用中断来将其唤醒，CPU在中断时间来临之前会一直保持睡眠状态。这个后面我也会再总结。
Cortex-M3的CPU支持两种运行模式：线程模式（Thread Mode）与处理模式（Handler Mode）并且需要注意的是，这两种模式都拥有各自独立的堆栈。这种设计使得开发人员可以进行更为精密的程序设计，对实时操作系统的支持也就更好了。
Cortex-M3处理器还包含了一个24位可自动重装载定的定时器，可以为内核（RTOS）提供一个周期中断。
在指令集方面，ARM7和ARM9都有两种指令集（32位指令集和16位指令集），而Cortex-M3系列处理器支持Thumb-2指令集。由于Thumb-2指令集融合了Thumb指令集和ARM指令集，使得32位指令集的性能和16位指令集的代码密度之间取得了平衡。
而且，ARM Thumb-2 专门为C/C++编译器设计，这就意味着Cortex-M3系列处理器的开发应用可以全部在C语言环境中完成。
STM32微控制器的推出标志着ST公司在两条产品主线（低价位主线和高性能主线）上迈出了重大一步。STM32最初发布时有14个不同型号，分为两个版本：最高CPU时钟为72MHZ的“增强型”和最高CPU时钟为36MHZ的“基本型”。这些不同STM32型号里内置的Flash最大可达128KB，SRAM最大为20KB，在STM32发布之初，配置更大Flash,RAM和更复杂外设的版本就已经在规划之中了。不管是什么版本，什么型号的STM32器件，它们在引脚功能和应用软件上是兼容的。这就使得开发人员在使用STM32系列微控制器时，不必改动PCB就可以根据需要随意更换器件型号。

乍一看STM32的设备配备，与往日熟悉的51单片机倒有几分相似。一般，STM32都会配备常见外设，诸如多通道ADC,通用定时器，I2C总线接口，SPI总线接口，CAN总线接口，USB控制器，实时时钟RTC等。但是，它的每一个外部设备都具有独特之处。例如，12位精度的ADC具备多种转换模式，并带有一个内部温度传感器，带有双ADC的STM32器件，还可以使两个ADC同时工作，从而衍生出了更为高级的9种转换模式；STM32的每一个定时器都具备4个捕获比较单元，而且每个定时器都可以和另外的定时器联合工作以生成更为精密的时序；STM32有专门为电机控制而设的高级定时器，带有6个死区时间可编程的PWM输出通道，同时其带有的紧急制动通道可以在异常情况出现时，强迫PWM信号输出保持在一个预订好的安全状态；SPI接口含有一个硬件CRC单元，支持8位字节和16位半字数据的CRC计算。在对SD或MMC等存储介质进行数据存取时相当有用。
而且，STM32还包含了7个DMA通道。没恶搞通道都可以用来在设备与内存之间进行8位，16位，32位数据的传输。每个设备都可以向DMA控制器请求发送或者接收数据。STM32内部总线仲裁器和总线矩阵将CPU数据接口和DMA通道之间的连接大大的简化了，这就意味着DMA通道单元是很灵活的其使用方法简单，足以应付微控制器应用中常见的数据传输要求。
我们前面说过了，STM32是低功耗，高性能的微控制器。在低功耗方面，STM32表现也是不错的。它可以在2V供电的情况下运行，在所有设备同时打开且运行在满速72MHZ主频的情况下，也仅消耗36mA的电流，在与Cortex-M3内核的低功耗模式结合之后，只有2uA的电流消耗。即便外部振荡器处在待启动状态，STM32使用内部8MHZ的RC振荡器也可迅速退出低功耗模式。这种快速进出低功耗模式的特性，也进一步降低了微控制器整体的功率消耗，同时使微控制器仍然可以保持器件的整体高性能。
在电子领域，对器件的要求精度高是一方面，另一方面，还要求器件稳定性要好，处于可靠性的考虑，STM32配备了一系列硬件来支持对可靠性的高度要求。这些硬件有：一个低电压检测器，一个时钟安全管理系统和两个看门狗定时器。时钟管理系统可以检测到外部主振荡器的失效，并随即安全的将STM32内部8MHZ的RC振荡器切换为主时钟源。两个看门狗定时器中的一个称为窗口看门狗。窗口看门狗必须在事先定义好的时间上下限到达之前刷新，如果过早或过晚的刷新它，将会触发窗口看门狗复位。第二个看门狗称为独立看门狗。独立看门狗使用外部振荡器驱动，该振荡器与主系统时钟是相互独立的，这样即便STM32的主系统时钟崩溃，独立看门狗也能“力挽狂澜”。
在现代电子设计行业中，有一个问题是无法逃避的，那就是你不得不想方设法提高代码的安全性以防止被破解人员盗用。听师傅说，在极难得电子市场，复制一个芯片只需要几分钟。STM32可以锁住其内部Flash使破解人员无法通过调试端口读取其内容。当Flash的读保护功能开启后，其写保护功能也随之开启。写保护功能常用于防止一些来历不明的代码写入中断向量表。但是，写保护不仅可以保护中断向量表，还可以进一步将其保护范围延伸到整个Flash中的未被使用区域。另外，STM32还有一小块电池备份RAM区，这个RAM区域对应于一个入侵检测引脚应用，当这个引脚上产生电平变化时，STM32会认为遭遇了入侵事件，随即自动将电池备份RAM区的内容全部清除。
目前好多开发工具都开始支持Thumb-2指令集和STM32系列，即使不支持也没有关系，我们只需要将软件升级一下即可。同时，ST公司还提供了一个设备驱动固件库和一个USB开发应用库，以方便调用。对于STM32来说，一些早期微控制器比如早期的STR7和STR9发布的ANSI C库和源代码都是可移植的。这些程序的接口已经在许多流行的编译工具上得到了整合。相似的，许多开源的或者商用的RTOS，还有一些中间件（比如TCP/IP栈，文件系统）对以STM32系列微控制器来说也是可用的。
Cortex-M3还带有一个全新调试系统CoreSight。用户可以使用标准的JTAG接口或者双线串行接口通过调试端口（Debug Access Port）实现和CoreSight系统的对接。除了提供调试运行控制服务之外，STM32上的CoreSight还提供断点数据查看功能以及一个指令跟踪器。指令跟踪器可以将用户选择的应用信息上传到调试工具里。从而可以为用户提供额外的调试信息，并且它在软件运行期间同样可以使用。