STM32 的核心Cortex-M3 处理器

STM32 的核心Cortex-M3 处理器
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。