STM32系統構架

當你拿到一款芯片后，怎樣可以快速了解到它具有哪些功能？了解單片機的系統架構是使用款芯片的基礎，這些信息在芯片手冊上都會有詳細的說明，并且它們會被安排在最前面的章節，目的就是讓用戶最開始就能夠關注到該款芯片具有哪些功能，特點。

STM32F103系統結構

從上圖我們可以了解到STM32F103系列的主要系統組成單元:

1. CPU核:使用ARM Cortex-M3內核；
2. 存儲器:

• STM32F103系列微控制器采用經典的哈佛架構，程序存儲和數據存儲采用獨立的存儲器空間；
• ICode：指令代碼，Flash存儲器用于存儲程序；
• DCode：數據代碼，SRAM用于存儲數據；

3. 外設:

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

4. 總線架構:

• AHB總線:高速總線,連接核心與部分外設。
• APB1/APB2總線:連接外設,時鐘較AHB低。

芯片存儲器映射

從上面的系統結構圖中我們很容易就能看出內核與存儲單元的關系，但更多的細節芯片手冊上并沒有給出。對于51系列單片機單片機，因為其內核和存儲單元都比較簡單管理起來也非常容易，但STM32芯片內部復雜程度都比51高幾個數量級，所以需要對存儲單元有特定的劃分管理，把它稱為存儲器映射，這些知識在51單片機中是不會涉及的，這一部分內容在ARM公司的內核手冊上才會有詳細的講解。我們都知道了STM32F103系列單片機采用的是的ARM Cortex-M3內核，所以要了解這部分知識需要查看Cortex-M3內核資料。

上圖是Cortex-M3內核資料中對給內核芯片預定義的存儲器映射說明，接下來我們通過STM32F103系列單片機來逐步學習。

STM32單片機存儲器映射

STM32單片機存儲空間包含了用于程序代碼和數據存儲的系統存儲器區域,以及用于外設控制的外設寄存器區域。為了能夠直觀而有效地操作這些內存資源,STM32采用存儲器映射的方式進行內存管理。什么是存儲器映射?其基本思想是將不同的內存區域按邏輯功能映射到單片機的線性地址空間,從而實現通過訪問地址來操作存儲單元的目的。

要高效地使用STM32單片機,正確理解和使用其存儲器映射方式是必要的。以下詳細介紹STM32內存映射的組成結構、典型布局以及編程方法,幫助初學者建立對存儲器映射的整體認知,為后續STM32編程開發奠定基礎。

STM32存儲器映射概述

STM32單片機的內存映射可以分為兩大部分:系統存儲器映射區域和外設寄存器映射區域。

系統存儲器區域主要包括:

1. SRAM:用于存放數據,包括全局變量、堆棧等
2. Flash:用于存放程序代碼

外設寄存器區域則映射了各外設控制需要的寄存器,通過訪問這些寄存器可以配置外設工作模式或者獲取其工作狀態。

整個內存映射采用線性連續的地址從低向高排布,從0x00000000開始,每個內存區按照功能和大小順序映射。STM32內存空間的總大小依型號不同有所區別,較大的可以達到GB級別。

典型存儲器映射布局

下面我們以STM32F103系列為例,介紹其典型的存儲器映射布局。

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

該區域存儲了程序代碼。起始地址固定為0x08000000,大小根據芯片容量不同而不同。

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

該區域用于存儲運行時的數據,如全局變量、堆棧等。起始地址固定為0x20000000。

3. 外設寄存器: 0x40000000 ~ 0x4000FFFF

用于映射控制外設的各種控制寄存器,可以通過訪問這些地址來配置外設。

4. AHB外設: 0x40020000 ~ 0x4002FFFF

包含了連接在AHB總線上的外設,如GPIO、DMA等的控制寄存器。

5. APB1外設: 0x40000000 ~ 0x4000FFFF

包含連接在APB1總線上的外設,如TIMER2、UART2等。

6. APB2外設: 0x40010000 ~ 0x400FFFFF

包含連接在APB2總線上的外設,如TIMER1、SPI1等。

通過上述內存布局可知,STM32內存映射有明確的邏輯劃分,不同區域存放不同的數據或寄存器,各外設也按照所在總線分組排布。用戶可以通過編程手冊找到每個外設寄存器的確切地址。

基于存儲器映射的外設寄存器編程

知道了各外設寄存器的地址映射后,我們就可以通過直接讀寫地址來操作外設,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雅和靈活,更好的方法是利用硬件抽象層(HAL)提供的函數來訪問寄存器,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庫會根據傳入的GPIO端口和引腳參數,自動計算出對應的寄存器地址,從而實現配置GPIO的功能。

這種基于內存映射的編程方式,為用戶屏蔽了底層寄存器操作的細節,提供了簡單易用的外設驅動接口。

存儲器映射工作原理

那么STM32是如何實現內存映射,將不同區域的存儲單元映射到連續的線性地址空間中的呢?

主要是通過地址譯碼器根據地址某些Bit位的組合,對地址進行解碼,選通出需要訪問的目標存儲區域的信號,從而將訪問請求導向到正確的目的地。

例如,地址的31-24bit用于區分代碼區域和外設區域,0-15bit含有偏移量;地址譯碼器根據地址Bit位組合,將訪問請求定向到與之對應的存儲單元上。

內存保護機制

為了數據安全,STM32還增加了存儲區域寫入保護機制。

主要手段是利用內存保護單元(MPU)進行存儲區域訪問控制。MPU可以進行區域劃分,配置每個區域的訪問權限,從而實現對區域讀寫操作的保護,防止程序異常修改關鍵存儲內容。

結語

本文介紹了STM32存儲器映射的基本結構、典型布局及相關原理,并講解了基于存儲器映射訪問外設寄存器的編程方法。存儲器映射方式抽象并簡化了STM32的龐大內存空間,有助于用戶直觀而高效地使用這塊“位帶區”。希望本文能幫助讀者建立STM32存儲器映射的概念框架,并為后續編程項目提供基礎理論支持。關于“位帶”操作，我將會在以后的文章中做單獨進行介紹。使用“位帶”操作可以讓我們的代碼更高效，這也是每一位STM32單片機開發者不可或缺的技能。