关于STM32

STM32F1

存储器

位带操作

三种启动模式

低功耗模式

复位

时钟系统

STM32库

仿真器和调试器

注：本文大部分内容来自于STMCU官网以及STM32数据手册。

STM32使用的是ARM公司的Cortex-M系列的内核，ARM将MCU的设计卖给其他公司，其他公司再添加总线和各种外设接口，就形成了STM32单片机。

在这些下游商家中，以意法半导体公司（STMicroelectronics）最为知名，产品最为成熟。

ST官网（打开非常慢，经常打不开）：首页 - STMicroelectronics

意法半导体不只是做STM32，还有其他各种半导体产品。

其中，有一个单片机的专门网站（重点关注）：

意法半导体STM | STM32/STM8微控制器 | MCU单片机

可以先将这个网站仔细浏览一遍。以下记录重要内容。

关于STM32

意法半导体微控制器和微处理器拥有广泛的产品线，包含低成本的8位单片机和基于ARM® Cortex®-M0、M0+、M3、M4、M33、M7及A7内核并具备丰富外设选择的32位微控制器及微处理器。覆盖超低功耗、超高性能方向，同时兼具市场竞争力。

STM32致力于ARM® Cortex® 内核单片机和微处理器和微处理器市场和技术方面，目前提供18大产品线 (F0, G0, F1, F2, F3, G4, F4, F7, H7, MP1, L0, L1,L4, L4+,L5,U5,WB,WL)，超过1000个型号。

STM32产品广泛应用于工业控制、消费电子、物联网、通讯设备、医疗服务、安防监控等应用领域，其优异的性能进一步推动了生活和产业智能化的发展。

系列产品如下所示：

其中：

L是低功耗，F是普通的，L系列一般都只有低端产品，F则从低端到高端非常全。

G应该是表示入门级？H表示高性能？这两个型号含义具体不详，如此理解也无妨。

其他还有U系列等等。

G系列和U系列都是比较新的产品（2022年8月）

极端低功耗系列：STM32L0，STM32L1，STM32L4，性能依次增强。

主流系列： STM32F0，STM32F1，STM32F3，性能依次增强。

高性能系列： STM32F2，STM32F4，STM32F7，STM32H7，性能依次增强。

在STM32相同内核的F系列和L系列中(比如F0和L0系列)，最主要的不同是对于功耗的控制，其中L系列是针对电池供电应用做过功耗优化的，一般比同型号的F系列主频低，功耗也低很多。而F系列则主要考虑性能和价格因素，所以像智能穿戴产品这类应用一般都会用到L0或者L4系列的MCU作为主控。而一些使用外部供电的家用电器，则对于功耗要求没有那么高，就会考虑F0或者F4系列，这些性价比更好一些。

产品命名含义

比如我们学习时用的STM32F103C8；

再比如我们公司用的STM32F103RCT6等等。

STM32F1

功能展示：

STM32F103xx增强型系列使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN。

STM32F103xx增强型系列工作于-40°C至+105°C的温度范围，供电电压2.0V至3.6V，一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。

这些丰富的外设配置，使得STM32F103xx增强型微控制器适合于多种应用场合：

● 电机驱动和应用控制

● 医疗和手持设备

● PC外设和GPS平台

● 工业应用：可编程控制器、变频器、打印机和扫描仪

● 警报系统，视频对讲，和暖气通风空调系统

嵌套的向量式中断控制器(NVIC)

STM32F103xx增强型内置嵌套的向量式中断控制器，能够处理多达43个可屏蔽中断通道(不包括16个Cortex-M3的中断线)和16个优先级。

● 紧耦合的NVIC能够达到低延迟的中断响应处理

● 中断向量入口地址直接进入核心

● 紧耦合的NVIC接口

● 允许中断的早期处理

● 处理晚到的较高优先级中断

● 支持中断尾部链接功能

● 自动保存处理器状态

● 中断返回时自动恢复，无需额外指令开销

该模块以最小的中断延迟提供灵活的中断管理功能。

时钟和启动

系统时钟的选择是在启动时进行，复位时内部8MHz的RC振荡器被选为默认的CPU时钟，随后可以选择外部的、具失效监控的4~16MHz时钟；当外部时钟失效时，它将被隔离，同时会产生相应的中断。同样，在需要时可以采取对PLL时钟完全的中断管理(如当一个外接的振荡器失效时)。

具有多个预分频器用于配置AHB的频率、高速APB(APB2)和低速APB(APB1)区域。AHB和高速APB的最高频率是72MHz，低速APB的最高频率为36MHz。

自举模式

在启动时，自举管脚被用于选择三种自举模式中的一种：

● 从用户闪存自举

● 从系统存储器自举

● 从SRAM自举

自举加载器存放于系统存储器中，可以通过USART对闪存重新编程。

串行线JTAG调试口(SWJ-DP)

内嵌ARM的SWJ-DP接口和JTAG接口，JTAG的TMS和TCK信号分别与SWDIO和SWCLK共用管脚，TMS脚上的一个特殊的信号序列用于在JTAG-DP和SWJ-DP间切换。

内部框图

存储器

STM32是32位CPU，数据总线是32位的。
STM32的地址总线也是32位的。
STM32可以访问的地址容量是：4GB（2的32次方Byte）STM32没有用到所有4GB的空间。

ARM是内存与IO统一编址的。

ARM采用的是小端模式。

内存映射

注意，上面标注的地址是每一块的起始地址。

比如，TIM2的地址范围为0x40000000~0x400003FF。

在左侧的内存映射图中，有些之所以只有起始地址，没有结束地址，是因为不同型号的单片机是不一样的，起始地址都是一样的，结束地址根据其实际大小来决定。你空间大一些，我其后的保留地址就相应小一些。

F10x系列配置静态SRAM，起始地址为0x20000000，大小为20k字节。

位带操作

在32中，有一种操作方式，叫做位带（Bit-banding）操作。

什么是位带操作呢？

回顾下51单片机，我们可以对整个端口进行操作，但是也可以进行寄存器位操作。

显然，位操作是很有必要的，且不会影响到其他的位。

但是，在32中，无法针对特定位进行操作，而是需要进行寄存器整体操作，也就是说，如果想要操作某一位，就要操作32位寄存器，先读出32位，修改，然后再写入，也就是针对32位地址的读改写操作。

显然，每次操作一位就要进行如此繁杂的操作，效率不高。

为了解决这个问题，32就设定了一种位带操作的机制。即每一个位都有一个对应的32位地址与其相对应，只要操作这32位地址，就会映射到要操作的位，从而提高运行效率。

这些32位地址就称为对应位的别名。

别名存储器区——字（32位）

|
映射

|
位段存储区——位

映射公式如下：

映射的别名地址=别名区的起始地址

+ 位段区中包含目标位的字节的编号*32

+ 目标位的位位置*4

举例如下：

由此可知：别名存储器区大小等于位段存储器区大小的32倍。

三种启动模式

32支持3种启动方式。通过boot[1:0]引脚来选择启动方式。

用户闪存存储器区：是给我们设计来放置用户写的代码的，我们程序员写的代码烧录时就被烧录到这里了，正常工作状态下就要把STM32设置为从这里启动。

系统存储器区：在非常规情况下用，用来实现ISP功能的。

内嵌SRAM区：这种也是非常规的，用来实现调试器调试功能的。

ISP实现

ISP原理回顾
第1步：先设置BOOT1和BOOT0从系统区启动，执行系统中预设的程序
第2步：主机通过串口发送要下载的hex文件给STM32
第3步：系统预设的程序接收到hex后将其烧录到用户区flash中
第4步：设置BOOT1和BOOT0为从用户区启动，然后复位重启执行刚才下载的hex即可

在这期间，系统和软件需要完成启动方式的切换。

可以使用商家提供的ISP直接进行32程序的下载，那么，自动下载电路是如何实现启动方式的切换的呢？

自动下载电路：

已知CH340是一个USB转串口芯片。参考：基于CH340G的USB芯片的学习_FPGAI的博客-CSDN博客_ch340g

按照商家给的说明，电源打开的状态下，下载程序，没有反应。

重启后才能生效。

说明：

仔细看资料，才知道我买到的开发板（转接板）没有实现自动下载的功能，默认就将BOOT0和BOOT1接地了，所以，程序会直接下载到flash中，需要下一次启动后，才能从flash中读取程序执行。

也就是说，用不到系统存储区了。

更详细的内容，请参考：

【单片机】一文彻底搞懂单片机程序烧录_记录无知岁月的博客-CSDN博客_单片机下载程序

单片机程序烧录的3种方式(ISP、ICP、IAP)是什么？_码农爱学习的博客-CSDN博客_isp烧录原理

注意，系统存储器是芯片内部一块特定的区域，芯片出厂时在这个区域预置了一段Bootloader，然后锁死，就是通常说的ISP程序，这个区域的内容在芯片出厂后没有人能够修改或擦除，即它是一个ROM区。

电源管理

STM32单片机一般都是3.3V供电，而生活中一般常见的都是5V电源（如电脑的USB口，手机充电器，移动电源...），所以一般使用稳压电源芯片将5V降压为3.3V。

STM32的供电电压在外部看来一般就是外设的3.3V供电，但内核、存储器等部件一般使用1.8V电压供电，但不需要自行引入。STM32为了简化外围电路设计，一般是不额外引入内核供电电源引脚，这样你只输入一路3.3V，其他电压由内部线性稳压获得。（这与FPGA的设计不同，FPGA一般需要1.2、1.8和3.3三路供电，STM32这种低成本的控制器不会设计得这么繁琐。）

STM32电源框图如下：

POR和PDR

POR:POR = Power On Reset 上电复位；

PDR = Power Down Reset 掉电复位。
POR 的功能是在VDD电压由低向高上升越过规定的阀值之前，保持芯片复位，当越过这个阀值后的一小段时间后(图中的"滞后时间"或表中的"复位迟滞")，结束复位并取复位向量，开始执行指令。（复位是有一个过程的，也可以一直保持复位状态）
PDR:掉电复位；PDR的功能是在VDD电压由高向低下降越过规定的阀值后，将在芯片内部产生复位。

低功耗模式

睡眠SLEEP模式：CPU停，外设运行。

唤醒源为所有中断；

停机STOP模式：CPU停，时钟停，外设停，只有SRAM和寄存器还能保持原来的值。

唤醒源是外部中断；

待机SUSPEND模式：CPU停、外设停、时钟停、SRAM和寄存器停（相当于整个都断电关机了），只有备份寄存器和待机电路还能工作。

唤醒源：WKUP引脚的上升沿、 RTC闹钟、 NRST引脚上外部复位、 IWDG复位。

BKP和入侵检测

很多的嵌入式设备使用过程中，当系统掉电时，往往需要把一些用户设置的参数保存起来，或者是将掉电前的一些状态信息保存，或者是统计系统重启次数。类似于浏览器中保存网站的用户名、密码和登录状态等信息。

保存这些动态信息其实有很多种方法.

第一种：在系统掉电前保存到片内flash，但是对 flash的读写是按页操作，对于保存一些少量的数据来说并不合算。

第二种：在系统掉电前保存在片外的EEPROM，可以根据需要选用合适的EEPROM存储的大小，但这样需要增加额外电路，增加成本。

第三种：利用片内的备份寄存器里的后备数据寄存器存储。

STM32备份寄存器是42个16位的寄存器，可用来存储84个字节的用户应用程序数据。

他们处在备份域里，当VDD电源被切断，他们仍然由VBAT维持供电。当系统在待机模式下被唤醒，或系统复位或电源复位时，他们也不会被复位。

此外，BKP控制寄存器用来管理侵入检测和RTC校准功能。

复位后，对备份寄存器和RTC的访问被禁止，并且备份域被保护以防止可能存在的意外的写操作。

BKP意思是备份backup，表示备份寄存器，当主电源切断，在备份电源的支持下，对程序数据进行保存；

Tamper 意思是入侵，检测引脚为GPIOC.13，当Tamper引脚检测到入侵事件的时候，就会清除BKP寄存器的数据（防止数据泄漏），并给CPU发送一个入侵事件中断，CPU可以对此做一个处理；

入侵事件检测是通过对比GPIOC.13现在的电平与BKP寄存器中备份的电平比较，一但有电位不一致就会认为发生入侵事件。

复位

32有三种复位，系统复位、电源复位和备份区域复位。

系统复位：

电源复位：

复位电路：

备份区域复位：

复位后CPU都会被强制到复位向量中去执行程序。

时钟系统

时钟源通常有三类，即纯内部、纯外部、内外部。他们各有优缺点，一般都是这三类的综合设计，以供不同情境下的使用。

纯内部时钟源优点是方便，直接在芯片内部集成了，但往往不够精准。

纯外部时钟是外面直接生成时钟再引入内部，一般比较精准，但是占地方，使用起来也不够方便。

内外部则是振荡电路在内部，而晶振在外部。

在实际中，内外部结合的方式是较为理想的。

PLL

锁相环电路，可以进行倍频和分频。具体见模电数电。

时钟树

注：内部时钟不是很精准，为了兼顾启动速度和时钟的精准度，32是这样设计的。启动时，先用的是内部的时钟HSI，让系统启动起来之后，再通过读取用户程序，切换到更加精准的内外部时钟。

时钟源：

HSE

HSI

LSE

LSI

其他后续时钟：

SYSCLK：系统时钟，STM32大部分器件的时钟来源。它由AHB预分频器分配到各个部件。

HCLK：由AHB预分频器直接输出得到，它是高速总线AHB的时钟信号，提供给存储器、DMA及Cortex内核，是Coex内核运行的时钟，CPU主频就是这个信号，它的大小与STM32运算速度、数据存取速度密切相关。

FCLK：同样由AHB预分频器输出得到，是内核的“自由运行时钟”（free running clock)。“自由”表现在它不来自时钟HCLK,因此在HCLK时钟停止时FCLK也会继续运行。它的存在，可以保证在处理器休眠时，也能够采样中断和跟踪休眠事件，它与HCLK互相同步。

PCLK1：外设时钟，由APB1预分频器输出得到，最大频率为36MHz,提供给挂载在APB1总线上的外设（低速外设）。

PCLK2：外设时钟，由APB2预分频器输出得到，最大频率可为72MHz，提供给挂载在APB2总线上的外设（高速外设）。

时钟相关寄存器

时钟相关寄存器主要是控制时钟开关、时钟分频、时钟倍频、时钟选择等部件。

具体内容查阅数据手册。

其中1、2、6、7、8这5个寄存器比较重要。

STM32库

寄存器操作（懂底层）

stm32有很多型号，每种型号的寄存器都有所不同，我们知道，我们是通过操作寄存器来操作单片机的，所以，不同的型号，就要去学习对应型号的寄存器，这样的话，每接触一个新的型号，因为寄存器的些许差别，就会导致代码需要重新调整。

标准库（懂原理）

显然，这样太不灵活，代码的可移植性太差。

于是，STM32就封装了一些库，这些库屏蔽了底层的寄存器操作（类似于C语言的标准库），我们通过调用这些库来实现功能。

这就是stm32的标准库（全称为标准外设库）

HAL库（会用即可，主流方向）

但是，标准库的功能也是有限的，像网络模块、蓝牙模块、GUI等，标准库没有提供。

于是，就在此基础上又开发了一些库，称之为HAL库（也叫cubeMX），这些库拿来即用，又能够实现一些更高级的功能。

从哪里获取

从ST官网。

地址如下：

STM32微控制器软件 - STMicroelectronics

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