STM32系統(tǒng)構(gòu)架

當(dāng)你拿到一款芯片后，怎樣可以快速了解到它具有哪些功能？了解單片機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)是使用款芯片的基礎(chǔ)，這些信息在芯片手冊(cè)上都會(huì)有詳細(xì)的說(shuō)明，并且它們會(huì)被安排在最前面的章節(jié)，目的就是讓用戶(hù)最開(kāi)始就能夠關(guān)注到該款芯片具有哪些功能，特點(diǎn)。

STM32F103系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從上圖我們可以了解到STM32F103系列的主要系統(tǒng)組成單元:

1. CPU核:使用ARM Cortex-M3內(nèi)核；
2. 存儲(chǔ)器:

• STM32F103系列微控制器采用經(jīng)典的哈佛架構(gòu)，程序存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用獨(dú)立的存儲(chǔ)器空間；
• ICode：指令代碼，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)程序；
• DCode：數(shù)據(jù)代碼，SRAM用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；

3. 外設(shè):

• GPIO；
• 定時(shí)器；
• ADC；
• 通信接口:SPI、I2C、USART；
• 其他接口:USB、CAN、RTC、DMA、SDIO、FSMC等；

4. 總線架構(gòu):

• AHB總線:高速總線,連接核心與部分外設(shè)。
• APB1/APB2總線:連接外設(shè),時(shí)鐘較AHB低。

芯片存儲(chǔ)器映射

從上面的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中我們很容易就能看出內(nèi)核與存儲(chǔ)單元的關(guān)系，但更多的細(xì)節(jié)芯片手冊(cè)上并沒(méi)有給出。對(duì)于51系列單片機(jī)單片機(jī)，因?yàn)槠鋬?nèi)核和存儲(chǔ)單元都比較簡(jiǎn)單管理起來(lái)也非常容易，但STM32芯片內(nèi)部復(fù)雜程度都比51高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，所以需要對(duì)存儲(chǔ)單元有特定的劃分管理，把它稱(chēng)為存儲(chǔ)器映射，這些知識(shí)在51單片機(jī)中是不會(huì)涉及的，這一部分內(nèi)容在ARM公司的內(nèi)核手冊(cè)上才會(huì)有詳細(xì)的講解。我們都知道了STM32F103系列單片機(jī)采用的是的ARM Cortex-M3內(nèi)核，所以要了解這部分知識(shí)需要查看Cortex-M3內(nèi)核資料。

上圖是Cortex-M3內(nèi)核資料中對(duì)給內(nèi)核芯片預(yù)定義的存儲(chǔ)器映射說(shuō)明，接下來(lái)我們通過(guò)STM32F103系列單片機(jī)來(lái)逐步學(xué)習(xí)。

STM32單片機(jī)存儲(chǔ)器映射

STM32單片機(jī)存儲(chǔ)空間包含了用于程序代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的系統(tǒng)存儲(chǔ)器區(qū)域,以及用于外設(shè)控制的外設(shè)寄存器區(qū)域。為了能夠直觀而有效地操作這些內(nèi)存資源,STM32采用存儲(chǔ)器映射的方式進(jìn)行內(nèi)存管理。什么是存儲(chǔ)器映射?其基本思想是將不同的內(nèi)存區(qū)域按邏輯功能映射到單片機(jī)的線性地址空間,從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)訪問(wèn)地址來(lái)操作存儲(chǔ)單元的目的。

要高效地使用STM32單片機(jī),正確理解和使用其存儲(chǔ)器映射方式是必要的。以下詳細(xì)介紹STM32內(nèi)存映射的組成結(jié)構(gòu)、典型布局以及編程方法,幫助初學(xué)者建立對(duì)存儲(chǔ)器映射的整體認(rèn)知,為后續(xù)STM32編程開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)。

STM32存儲(chǔ)器映射概述

STM32單片機(jī)的內(nèi)存映射可以分為兩大部分:系統(tǒng)存儲(chǔ)器映射區(qū)域和外設(shè)寄存器映射區(qū)域。

系統(tǒng)存儲(chǔ)器區(qū)域主要包括:

1. SRAM:用于存放數(shù)據(jù),包括全局變量、堆棧等
2. Flash:用于存放程序代碼

外設(shè)寄存器區(qū)域則映射了各外設(shè)控制需要的寄存器,通過(guò)訪問(wèn)這些寄存器可以配置外設(shè)工作模式或者獲取其工作狀態(tài)。

整個(gè)內(nèi)存映射采用線性連續(xù)的地址從低向高排布,從0x00000000開(kāi)始,每個(gè)內(nèi)存區(qū)按照功能和大小順序映射。STM32內(nèi)存空間的總大小依型號(hào)不同有所區(qū)別,較大的可以達(dá)到GB級(jí)別。

典型存儲(chǔ)器映射布局

下面我們以STM32F103系列為例,介紹其典型的存儲(chǔ)器映射布局。

1. Flash memory: 0x08000000 ~ 0x0807FFFF (512KB)

該區(qū)域存儲(chǔ)了程序代碼。起始地址固定為0x08000000,大小根據(jù)芯片容量不同而不同。

2. SRAM: 0x20000000 ~ 0x2000FFFF (64KB)

該區(qū)域用于存儲(chǔ)運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù),如全局變量、堆棧等。起始地址固定為0x20000000。

3. 外設(shè)寄存器: 0x40000000 ~ 0x4000FFFF

用于映射控制外設(shè)的各種控制寄存器,可以通過(guò)訪問(wèn)這些地址來(lái)配置外設(shè)。

4. AHB外設(shè): 0x40020000 ~ 0x4002FFFF

包含了連接在AHB總線上的外設(shè),如GPIO、DMA等的控制寄存器。

5. APB1外設(shè): 0x40000000 ~ 0x4000FFFF

包含連接在APB1總線上的外設(shè),如TIMER2、UART2等。

6. APB2外設(shè): 0x40010000 ~ 0x400FFFFF

包含連接在APB2總線上的外設(shè),如TIMER1、SPI1等。

通過(guò)上述內(nèi)存布局可知,STM32內(nèi)存映射有明確的邏輯劃分,不同區(qū)域存放不同的數(shù)據(jù)或寄存器,各外設(shè)也按照所在總線分組排布。用戶(hù)可以通過(guò)編程手冊(cè)找到每個(gè)外設(shè)寄存器的確切地址。

基于存儲(chǔ)器映射的外設(shè)寄存器編程

知道了各外設(shè)寄存器的地址映射后,我們就可以通過(guò)直接讀寫(xiě)地址來(lái)操作外設(shè),例如:

GPIOA_CRH = 0x40010800; //GPIOA控制寄存器地址

*(volatile uint32_t *)GPIOA_CRH |= 0x01; //配置PA8為輸出模式

但是直接地址操作不夠優(yōu)雅和靈活,更好的方法是利用硬件抽象層(HAL)提供的函數(shù)來(lái)訪問(wèn)寄存器,例如:

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; 

GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_8;

GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT;

HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

HAL庫(kù)會(huì)根據(jù)傳入的GPIO端口和引腳參數(shù),自動(dòng)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的寄存器地址,從而實(shí)現(xiàn)配置GPIO的功能。

這種基于內(nèi)存映射的編程方式,為用戶(hù)屏蔽了底層寄存器操作的細(xì)節(jié),提供了簡(jiǎn)單易用的外設(shè)驅(qū)動(dòng)接口。

存儲(chǔ)器映射工作原理

那么STM32是如何實(shí)現(xiàn)內(nèi)存映射,將不同區(qū)域的存儲(chǔ)單元映射到連續(xù)的線性地址空間中的呢?

主要是通過(guò)地址譯碼器根據(jù)地址某些Bit位的組合,對(duì)地址進(jìn)行解碼,選通出需要訪問(wèn)的目標(biāo)存儲(chǔ)區(qū)域的信號(hào),從而將訪問(wèn)請(qǐng)求導(dǎo)向到正確的目的地。

例如,地址的31-24bit用于區(qū)分代碼區(qū)域和外設(shè)區(qū)域,0-15bit含有偏移量;地址譯碼器根據(jù)地址Bit位組合,將訪問(wèn)請(qǐng)求定向到與之對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元上。

內(nèi)存保護(hù)機(jī)制

為了數(shù)據(jù)安全,STM32還增加了存儲(chǔ)區(qū)域?qū)懭氡Ｗo(hù)機(jī)制。

主要手段是利用內(nèi)存保護(hù)單元(MPU)進(jìn)行存儲(chǔ)區(qū)域訪問(wèn)控制。MPU可以進(jìn)行區(qū)域劃分,配置每個(gè)區(qū)域的訪問(wèn)權(quán)限,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域讀寫(xiě)操作的保護(hù),防止程序異常修改關(guān)鍵存儲(chǔ)內(nèi)容。

結(jié)語(yǔ)

本文介紹了STM32存儲(chǔ)器映射的基本結(jié)構(gòu)、典型布局及相關(guān)原理,并講解了基于存儲(chǔ)器映射訪問(wèn)外設(shè)寄存器的編程方法。存儲(chǔ)器映射方式抽象并簡(jiǎn)化了STM32的龐大內(nèi)存空間,有助于用戶(hù)直觀而高效地使用這塊“位帶區(qū)”。希望本文能幫助讀者建立STM32存儲(chǔ)器映射的概念框架,并為后續(xù)編程項(xiàng)目提供基礎(chǔ)理論支持。關(guān)于“位帶”操作，我將會(huì)在以后的文章中做單獨(dú)進(jìn)行介紹。使用“位帶”操作可以讓我們的代碼更高效，這也是每一位STM32單片機(jī)開(kāi)發(fā)者不可或缺的技能。