4.1 STM32 系統(tǒng)架構(gòu)

STM32 的系統(tǒng)架構(gòu)比 51 單片機(jī)就要強(qiáng)大很多了。首先我們看看 STM32 的系統(tǒng)架構(gòu)圖：

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

STM32 主系統(tǒng)主要由四個(gè)驅(qū)動(dòng)單元和四個(gè)被動(dòng)單元構(gòu)成。

四個(gè)驅(qū)動(dòng)單元
?   內(nèi)核 DCode 總線；
?   系統(tǒng)總線；
?   通用 DMA1；
?   通用 DMA2；

四被動(dòng)單元
?   AHB 到 APB 的橋：連接所有的 APB 設(shè)備；
?   內(nèi)部 FlASH 閃存；
?   內(nèi)部 SRAM；
?   FSMC；

下面我們具體講解一下圖中幾個(gè)總線的知識(shí)：

① ICode 總線：該總線將 M3 內(nèi)核指令總線和閃存指令接口相連，指令的預(yù)取在該總線上面完成。
② DCode 總線：該總線將 M3 內(nèi)核的 DCode 總線與閃存存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)接口相連接，常量加載和調(diào)試訪問(wèn)在該總線上面完成。
③ 系統(tǒng)總線：該總線連接 M3 內(nèi)核的系統(tǒng)總線到總線矩陣，總線矩陣協(xié)調(diào)內(nèi)核和 DMA 間訪問(wèn)。
④ DMA 總線：該總線將 DMA 的 AHB 主控接口與總線矩陣相連，總線矩陣協(xié)調(diào) CPU 的DCode 和 DMA 到 SRAM,閃存和外設(shè)的訪問(wèn)。
⑤ 總線矩陣：總線矩陣協(xié)調(diào)內(nèi)核系統(tǒng)總線和 DMA 主控總線之間的訪問(wèn)仲裁，仲裁利用輪換算法。
⑥ AHB/APB 橋:這兩個(gè)橋在 AHB 和 2 個(gè) APB 總線間提供同步連接， APB1 操作速度限于36MHz,APB2 操作速度全速。

對(duì)于系統(tǒng)架構(gòu)的知識(shí)，在剛開(kāi)始學(xué)習(xí) STM32 的時(shí)候只需要一個(gè)大概的了解，大致知道是個(gè)什么情況即可。對(duì)于尋址之類的知識(shí)，這里就不做深入的講解。

圖2 CMSIS架構(gòu)

4.2 STM32的地址映射

在分析這個(gè)問(wèn)題之前，我們看看51 單片機(jī)中是怎么做的。 51 單片機(jī)開(kāi)發(fā)中經(jīng)常會(huì)引用一個(gè) reg51.h 的頭文件，下面我們看看他是怎么把名字和寄存器聯(lián)系起來(lái)的：

sfr P0 =0x80;

sfr 也是一種擴(kuò)充數(shù)據(jù)類型，占用一個(gè)內(nèi)存單元，值域?yàn)?0～255。利用它可以訪問(wèn) 51 單片機(jī)內(nèi)部的所有特殊功能寄存器。如用 sfr P1 = 0x90 這一句定義 P1 為 P1 端口在片內(nèi)的寄存器。然后我們往地址為 0x80 的寄存器設(shè)值的方法是： P0=value；通過(guò)改變value的值來(lái)控制單片機(jī)。

圖3 寄存器映射關(guān)系

所謂地址映射，就是將芯片上的存儲(chǔ)器甚至 I/O 等資源與地址建立一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。如果某地址對(duì)應(yīng)著某寄存器，我們就可以運(yùn)用 C 語(yǔ)言的指針來(lái)尋址并修改這個(gè)地址上的內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)修改該寄存器的內(nèi)容。打個(gè)比方，寄存器就像快遞員，當(dāng)你在某寶上買了東西后，快遞員就按照地址送到你手上，要想準(zhǔn)確無(wú)誤的送到你手上，就必須保證地址準(zhǔn)確無(wú)誤。

Cortex-M3 的地址映射也是類似的。Cortex-M3 有 32 根地址線，所以它的尋址空間大小為 2 32 bit=4 GB。ARM 公司設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)先把這 4 GB 的尋址空間大致地分配好了。它把從 0x40000000 至 0x5FFFFFFF（ 512 MB）的地址分配給片上外設(shè)。通過(guò)把片上外設(shè)的寄存器映射到這個(gè)地址區(qū)，就可以簡(jiǎn)單地以訪問(wèn)內(nèi)存的方式，訪問(wèn)這些外設(shè)的寄存器，從而控制 外設(shè)的工作。這樣，片上外設(shè)可以使用 C 語(yǔ)言來(lái)操作。CM3 存儲(chǔ)器映射見(jiàn)圖 4- 4。
stm32f10x.h 這個(gè)文件中重要的內(nèi)容就是把 STM32 的所有寄存器進(jìn)行地址映射。如同51 單片機(jī)的 < reg51.h > 頭文件一樣，stm32f10x.h 像一個(gè)大表格，我們?cè)谑褂玫臅r(shí)候就是通過(guò)宏定義進(jìn)行類似查表的操作，大家想象一下沒(méi)有這個(gè)文件的話，我們要怎樣訪問(wèn) STM32的寄存器？有什么缺點(diǎn)？不進(jìn)行這些宏定義的缺點(diǎn)有 ：

1）地址容易寫錯(cuò)。
2）我們需要查大量的手冊(cè)來(lái)確定哪個(gè)地址對(duì)應(yīng)哪個(gè)寄存器。
3）看起來(lái)還不好看，且容易造成編程的錯(cuò)誤，效率低，影響開(kāi)發(fā)進(jìn)度。

當(dāng)然，這些工作都是由 ST 的固件工程師來(lái)完成的，只有設(shè)計(jì) CM3 的人才是最了解 CM3的，才能寫出完美的庫(kù)。
在這里我們以外接了 LED 燈的外設(shè) GPIOC 為例，如果是其他的 IO 端口，則改成相應(yīng)的地址即可。在這個(gè)文件中一系列宏實(shí)現(xiàn)了地址映射。

#define GPIOC_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1000)

#define APB2PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x1000

#define PERIPH_BASE ((uint32_t)0x40000000)

這幾個(gè)宏定義是從文件中的幾個(gè)部分抽離出來(lái)的，具體的內(nèi)容讀者可參考stm32f10x.h 源碼。

圖4 Cortex-M3 預(yù)定義的存儲(chǔ)器映射

首先看到 PERIPH_BASE 這個(gè)宏，宏展開(kāi)為 0x40000000，并把它強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為 uint32_t的 32 位類型數(shù)據(jù)，這是因?yàn)?STM32 的地址是 32 位的，是不是覺(jué)得 0x40000000 這個(gè)地址很熟？是的，這是 Cortex-M3 核分配給片上外設(shè) 512MB 尋址空間中的第一個(gè)地址，我們把0x40000000 稱為外設(shè)基地址。

接下來(lái)是宏 APB2PERIPH_BASE，宏展開(kāi)為 PERIPH_BASE（外設(shè)基地址）加上偏移地址 0x10000，即指向的地址為 0x40010000。這個(gè) APB2PERIPH_BASE 宏是什么地址呢？STM32 不同的外設(shè)是掛載在不同的總線上的，見(jiàn)圖 4-6。STM32 芯片有 AHB 總線、APB2總線和 APB1 總線，掛載在這些總線上的外設(shè)有特定的地址范圍。
其中像 GPIO、串口 1、ADC 及部分定時(shí)器是掛載在稱為 APB2 的總線上，掛載到APB2 總 線 上 的 外 設(shè) 地 址 空 間 是 從 0x40010000 至 0x40013FFF 地 址。 這 里 的 第 一個(gè) 地 址， 也 就 是 0x40010000，稱為 APB2PERIPH_BASE （APB2 總線外設(shè)基地址）。

而 APB2 總線基地址相對(duì)于外設(shè)基地址的偏移量為 0x10000 個(gè)地址，即為 APB2 相對(duì)外設(shè)基地址的偏移地址，見(jiàn)表1。

表1