STM32單片機的架構

ID:71651 · 發表于 2015-1-17 14:47

今天，我們來認識一下STM32單片機的內部架構。內部架構也就是這個單片機有哪些東西組成。
眾所周知，單片機是由PC機發展而來的。它是把我們PC機所擁有的CPU、RAM、ROM、I/O系統、定時器、串口等功能集成到一個硅片上而構成的一個小而完善的微型計算機系統。由于計算器強大的數據處理能力和控制能力，以及單片機的高可靠性、高抗干擾性、價格便宜等優點而被廣泛的應用于工業控制、醫療器械、信息通信等領域。
圖1 單片機內部結構圖

上圖是一個單片機內部所具有的各種部件。接下來我們看一下這些部件都有什么作用。
1、CPU：
CPU又叫中央處理器。它具備數據計算和指令執行的功能。那它都能做哪些運算呢。比如我們常用的加、減、乘、除、微分、積分等等。哪些屬于指令的執行呢，比如，要計算加法，那么加法就是一個指令。當然CPU還能執行很多指令，具體的指令要去看這個單片機的指令系統。
2、RAM:
   RAM又叫數據存儲器、隨機存儲器。它具有可讀可寫的特點（這里的可讀可寫指的是可以在程序的運行過程中對它直接操作），掉電數據丟失。為什么需要RAM呢。因為程序在執行指令或者做運算時會產生一些中間變量，而這些中間變量就需要存儲在RAM中。這就像我們人類在計算1+2的時候，首先我們會在紙上寫出1+2這個式子，同樣對于單片機也是如此，如果它不記下來的話，那么用的時候這些數據就丟失了。
3、ROM:
   ROM又叫做程序存儲器，只讀存儲器。它具有只讀不能寫、掉電數據不丟失的特點（實際上隨著電子技術的發展，ROM也有可讀可寫的，不過寫的方法比較特殊）。主要用來存放我們的代碼。
4、I/0系統：
   I/O系統是單片機和外部電路打交道的直接窗口，它把單片機的0,1代碼變成電路中的高低電平。
5、外設：
   外設指能獨立完成一定功能的一塊電路。它的作用就像一個公司的某個部門一樣，他們能完成一定的功能，但是要受總經理（CPU）的控制。
CPU要進行指令執行、數據處理、外設控制，首先要做的就是從ROM中取出指令，然后執行指令，如果指令的執行有中間變量，就要在RAM中保存，執行完后要去控制外設來完成特定的功能。從上面我們可以看出，這系列的操作，CPU都要不停的和ROM、RAM、外設、I/O系統通信，他們的通信通過很多根導線傳輸數據，這就是總線系統（當然這些導線都是集成在單片機內部的，我們是看不到的）。
接下來我們來看一下STM32的內部結構

圖中的Cortex-M3就是CPU，Flash就是ROM，SRAM就是RAM，總線矩陣連接著各種總線。圖中紅色方框中就是STM32單片機的外設。從上圖我們可以看出，STM32的外設是比較豐富的，同樣也是比較復雜的。
接下來我們來分析一下STM32單片機的最小系統：
一：電源：
任何一個電子產品要想正常工作，首先必不可少的就是電源。
圖2.STM32的電源框圖

上圖是STM32的電源框圖：從圖中我們可以看出STM32有四組電源系統：
1.VREF+、VREF-：這是STM32內部AD轉換器（一種片內外設）所需要的參考電壓
2.VDDA、VSSA：這是STM32內部AD轉換器所需要的供電電源
3.VSS、VDD：這是STM32內部數字電路所需要的電源（圖中有詳細的描述）。
4.VBAT：后備電池，通常用紐扣電池。實現在主電源掉電的情況下給后備區域供電。
關于這些電源的電壓取值范圍，STM32的參考手冊上有詳細的說明。
二：復位
STM32支持三種復位方式：系統復位、電源復位、備份區域復位
1.系統復位：當發生以下任何一個事件時，產生一個系統復位
      1.NRST引腳上的低電平（也就是外部復位）
      2.窗口看門狗計數終止
      3.獨立看門狗計數終止
      4.軟件復位
      5.低功耗管理復位
2.電源復位：當發生以下任何一個事件時，產生一個電源復位
      1.上電/掉電復位
      2.從待機模式返回
3.備份域復位：
      1.軟件復位（軟件產生一個備份域復位信號）
      2.在VDD和VBAT兩者都掉電的前提下，VDD或者VBAT上電將引發備份域復位。
以上是STM32的復位系統，需要我們使用者做的就是外部復位電路圖的設計，關于這個圖的設計請參照STM32課程中的原理圖。
三：時鐘系統（震蕩電路）
由于單片機（包括內核、存儲器和外設）是時序邏輯電路，在工作時必須要一個時鐘來驅動。
圖3.STM32的時鐘系統

上圖是STM32的時鐘系統，紅色方框中代表的是時鐘的來源：
1. 8MHZ  HSI RC 通過稱其為內部高速時鐘
2.LSI RC  40KHZ 通常稱其為內部低速時鐘
3.OSC_INT和OSC_OUT組成了外部高速時鐘。時鐘范圍為4--16MHZ
4.OSC32_IN和OSC32_OUT組成了外部低速時鐘。時鐘為32.768KHZ
5.SYSCLK  系統時鐘，最大72MHZ
從圖中我們可以看出，SYSCLK可以有HSI、HSE、PLLCLK來提供，而PLLCLK又來源于HSI/2、HSE、HSE/2、LSE/128。而SYSCLK經過AHB預分頻器、APB1預分頻器、APB2預分頻器后供各個外設使用。
STM32單片機復位后把HSI直接作為SYSCLK使用，那這個時候系統就運行在8MHZ的頻率下。由于HSI的精度較差，SYSCLK速度較低等原因，我們需要對STM32的時鐘系統進行配置。一般配置的過程如下。
單片機復位后，首先啟動HSE，等待HSE時鐘穩定后，把HSE作為PLL的輸入，PLLMUL把PLL的輸入時鐘8倍頻后做為SYSCLK，那么系統時鐘就工作在72MHZ。時鐘的來源是外部時鐘。這段代碼的實現在STM32的庫函數 system_stm32f10x.c文件中的SystemInit()函數中。

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STM32單片機的架構