【STM32开发指南】STM32F103内核Cortex-M3详解

原创 2024-08-26 15:14:15 5.1k 阅读 AI写同款

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STM32开发

程亦寻

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【STM32】STM32系列产品以及新手入门的STM32F103 📢 STM32F103xC/D/E 系列是一款高性能、低功耗的 32 位 MCU，适用于工业、汽车、消费电子等领域；，适合复杂嵌入式应用，，适用于电池供电设备。阅读详情

AI摘要

本文深入解析了STM32F103系列微控制器所采用的Cortex-M3内核架构及特性。涵盖总线架构、系统外设、寄存器组等内容，并介绍了Cortex-M3的工作模式、异常与中断处理机制。

异常（Exception）与中断（Interrupt）

中断与异常的处理流程

中断优先级与嵌套

NVIC（嵌套向量中断控制器）

STM32F103与Cortex-M3的结合

【前言】

在嵌入式系统领域，STM32F103系列微控制器因其高性能、丰富的外设资源以及低功耗特性而备受青睐。其核心部分采用了ARM公司的Cortex-M3处理器内核，本文将详细解析这一内核的架构、特性及其在STM32F103中的应用。

如果大家对ARM公司还不太了解，可以通过这篇博文先了解下什么是ARM。

【ARM入门指南】一文搞懂什么是ARM-优快云博客文章浏览阅读567次，点赞11次，收藏10次。在单片机与嵌入式系统的浩瀚宇宙中，ARM架构犹如一颗耀眼的星辰，持续引领着技术创新的潮流。对于刚刚踏入这一领域的初学者而言，深入了解ARM是迈入嵌入式开发大门的关键一步。ARM，这个名字背后，不仅代表着一家在半导体设计领域举足轻重的公司，更象征着一种高效能、低功耗的处理器架构，本文将引领你一同探索ARM的世界。https://blog.youkuaiyun.com/debug602/article/details/141504704?spm=1001.2014.3001.5502

Cortex-M3内核概述

Cortex-M3是ARM公司专为微控制器（MCU）设计的32位RISC处理器内核，属于ARMv7-M架构。该内核旨在满足嵌入式系统对低成本、低功耗、高性能以及实时性的要求。Cortex-M3不仅具备强大的计算性能，还拥有先进的中断系统和丰富的调试接口，使得其在嵌入式应用中表现出色。

Cortex‐M3处理器内核是单片机的中央处理单元（CPU）。完整的基于CM3的MCU还需要很多其它组件。在芯片制造商得到CM3处理器内核的使用授权后，它们就可以把CM3内核用在自己的硅片设计中，并添加其它外设功能模块。因此不同厂家设计出的单片机会有不同的配置，包括存储器容量、类型、外设等都各具特色。

Cortex-M3内核架构

总线架构

Cortex-M3内核采用了哈佛结构，拥有独立的指令总线和数据总线，允许取指和数据访问并行进行，从而提高了处理性能。其主要总线包括：

AHB（Advanced High-performance Bus）：用于高性能系统模块的连接，支持突发数据传输和单个数据传输方式，最大速度可达72MHz。
APB（Advanced Peripheral Bus）：分为APB1和APB2，APB1速度限于36MHz，而APB2则可达72MHz，用于连接较低性能的外设。

系统外设

Cortex-M3内核集成了多种系统外设，包括中断控制、内存保护以及系统调试和跟踪功能。这些外设极大地增强了处理器的功能性和易用性。

寄存器组

通用寄存器

Cortex-M3内核拥有13个32位通用寄存器（R0-R12），这些寄存器在处理器执行指令时起到关键作用，用于存储操作数、地址等。其中，R0-R7也被称为低组寄存器，因为它们可以被所有指令访问；而R8-R12则被称为高组寄存器，它们的访问受到指令类型的限制，但支持更广泛的32位操作。

特殊功能寄存器

除了通用寄存器外，Cortex-M3内核还包括几个特殊功能寄存器，它们在处理器的工作过程中扮演着重要角色：

R13（SP）：栈指针寄存器，用于实现栈的访问。实际上，Cortex-M3提供了两个栈指针——主栈指针MSP和进程栈指针PSP。MSP在复位后或处理器处于特权模式（如进中断）时会被使用，而PSP则用于线程模式，特别是在支持任务或线程切换的实时操作系统（RTOS）中。
R14（LR）：链接寄存器，也称为返回地址寄存器。在函数或子程序调用时，返回地址（即调用指令后面那条指令的地址）会被保存到LR寄存器中，以便在函数或子程序结束时能够返回到正确的地址继续执行。
R15（PC）：程序计数器，用于存储当前执行的指令地址。对PC的写操作会引起程序的跳转，而不会更新LR寄存器。
xPSR（程序状态寄存器）：这是一个包含多个状态标志的寄存器，用于指示处理器的当前状态。xPSR可以分解为应用PSR（APSR）、执行PSR（EPSR）和中断PSR（IPSR）三个部分，分别用于表示应用状态、执行状态和中断/异常状态。这些状态标志对于控制程序流程、处理中断和异常至关重要。
PRIMASK、FAULTMASK和BASEPRI：这些是中断/异常屏蔽寄存器，用于控制中断和异常的优先级和屏蔽状态。PRIMASK用于禁止所有可屏蔽异常，FAULTMASK用于禁止所有Fault异常（包括HardFault、MemManage、BusFault和UsageFault），而BASEPRI则用于设置处理器可响应的最低异常优先级阈值。
CONTROL寄存器：该寄存器用于控制处理器的一些特殊功能，如栈指针的选择（MSP或PSP）、是否允许在特权级别下访问FPU（浮点单元）等。

Cortex-M3内核的工作模式

Cortex-M3内核支持两种主要的工作模式，这些模式用于区分处理器在执行不同类型的代码时的行为。这两种模式分别是线程模式（Thread Mode）和异常模式（Handler Mode），它们也常被称为代码执行模式。

线程模式（Thread Mode）

定义：线程模式用于执行非异常代码，即用户编写的应用程序代码。在这种模式下，处理器运行用户定义的任务，处理常规的业务逻辑。
特性：
- 可以访问非特权资源和特权资源（取决于处理器的当前特权级别）。
- 支持任务切换和上下文保存，特别是在使用RTOS时。
- 在复位后，处理器默认进入线程模式。

异常模式（Handler Mode）

定义：异常模式用于执行异常代码，如中断服务程序（ISR）。当外部事件（如定时器溢出、外部中断触发等）或内部事件（如指令执行错误）发生时，处理器会进入异常模式以处理这些事件。
特性：
- 总是运行在特权级别，确保异常处理程序能够访问所有系统资源。
- 处理器在执行异常处理程序时，会自动保存当前的程序计数器（PC）、程序状态寄存器（xPSR）和链接寄存器（LR）的值，以便在异常处理完成后能够恢复到异常发生前的状态。
- 支持嵌套中断，即一个中断处理过程中可以被另一个更高优先级的中断打断。

特权级别

与这两种工作模式紧密相关的是处理器的特权级别。Cortex-M3内核支持两种特权级别：特权级（Privilege）和用户级（User）。

特权级：能够访问所有硬件资源，包括所有寄存器和内存地址空间，能够执行所有指令。这是处理器处理异常代码时的默认级别，也是操作系统内核代码运行的级别。
用户级：对用户代码的限制较多，通常禁止使用MSR和MRS指令访问特殊功能寄存器（APSR除外），不能执行CPS指令修改控制寄存器，对系统控制空间的访问也有限制。这是为了保护系统资源不被用户程序意外修改。

在STM32F103的应用中，我们需要理解这些工作模式和特权级别的概念，以便正确编写和调试中断服务程序，以及在使用RTOS时合理管理任务和资源。

Cortex-M3内核的异常与中断

异常（Exception）与中断（Interrupt）

在Cortex-M3内核中，异常和中断是处理器响应系统中突发事件的一种机制。它们允许处理器暂停当前正在执行的程序，转而处理更高优先级的任务，处理完毕后再返回原程序继续执行。虽然异常和中断在概念上有所不同，但在Cortex-M3内核中，它们通常被统一处理。

异常：异常通常是由处理器内部事件引起的，如指令执行错误（如除零错误）、调试事件或系统请求（如SVC指令）。异常具有固定的优先级，并且总是被处理器立即响应。
中断：中断则是由外部设备或系统事件引起的，如定时器溢出、外部引脚电平变化等。中断具有可编程的优先级，允许开发者根据应用需求设置中断的响应顺序。

在Cortex-M3内核中，异常和中断的数量是固定的，并且由内核的架构决定。具体来说，Cortex-M3内核支持多达256个中断，这些中断包括内核异常和外部中断。然而，在实际应用中，并不是所有的STM32F103系列微控制器都会使用到Cortex-M3内核支持的全部中断，它实际支持的中断数量包括16个内核异常（也被称为系统异常）和一定数量的可屏蔽外部中断。这些内核异常包括复位（RESET）、硬错误（HardFault）等，它们是固定的，且优先级不可编程。而外部中断的数量则根据具体的STM32F103型号而有所不同，STM32F103系列通常支持60个外部中断。

中断与异常的处理流程

当异常或中断发生时，Cortex-M3内核会执行以下处理流程：

保存上下文：处理器会自动将当前的程序计数器（PC）、程序状态寄存器（xPSR）、链接寄存器（LR）以及部分通用寄存器（R0-R3、R12）的值保存到堆栈中，以便在异常或中断处理完毕后能够恢复到异常发生前的状态。
获取向量地址：处理器通过读取中断向量表（IVT），找到与异常或中断号对应的向量地址。向量地址指向了异常或中断服务程序（ISR）的入口点。
执行ISR：处理器跳转到ISR的入口点开始执行。ISR是开发者编写的用于处理特定异常或中断的代码段。
恢复上下文：ISR执行完毕后，处理器会执行出栈操作，恢复异常或中断发生前的上下文，并返回到被中断的程序继续执行。

中断优先级与嵌套

Cortex-M3内核支持可编程的中断优先级，允许开发者根据应用需求设置中断的响应顺序。中断优先级分为抢占优先级和子优先级（也称为响应优先级）：

抢占优先级：决定了中断是否可以嵌套。抢占优先级高的中断可以打断抢占优先级低的中断处理函数，先执行高优先级的中断处理函数，待其执行完毕后再继续执行被打断的低优先级中断处理函数。
子优先级：在抢占优先级相同的情况下，决定了中断的响应顺序。子优先级高的中断会先于子优先级低的中断被响应。

STM32F103系列微控制器作为Cortex-M3内核的具体实现，继承了这些中断和异常处理机制。开发者可以通过配置NVIC（嵌套向量中断控制器）来管理中断和异常，包括设置中断优先级、使能或禁用中断等。

NVIC（嵌套向量中断控制器）

NVIC是Cortex-M3内核中用于管理中断和异常的关键组件，它提供了丰富的中断控制功能，包括：

中断使能与禁用：允许开发者根据需要使能或禁用特定的中断。
优先级设置：允许开发者为中断设置抢占优先级和子优先级。
中断挂起与解除挂起：提供了中断挂起和解除挂起的功能，允许开发者手动控制中断的触发时机。
中断分组：通过中断分组功能，开发者可以灵活分配抢占优先级和子优先级的位数，以适应不同的应用需求。

STM32F103系列微控制器通过NVIC提供了强大的中断和异常处理能力，使得开发者能够轻松实现复杂的嵌入式应用。

STM32F103与Cortex-M3的结合

STM32F103系列微控制器基于Cortex-M3内核设计，集成了高性能的处理器内核和丰富的外设资源，使其成为嵌入式系统开发的理想选择。

以下是STM32F103与Cortex-M3内核结合的一些关键特性：

高性能处理

STM32F103的工作频率高达72MHz，结合Cortex-M3内核的三级流水线设计，能够在单个周期内完成绝大多数指令的执行，极大提高了处理器的吞吐率。

丰富的外设资源

STM32F103提供了包括USB、CAN、ADC、DAC、SPI、I2C、USART等多种通信接口和外设，这些外设通过APB总线与Cortex-M3内核相连，使得STM32F103能够应对各种复杂的嵌入式应用需求。

低功耗设计

Cortex-M3内核结合STM32F103的灵活电源和时钟管理功能，支持多种低功耗模式，如睡眠、停止和待机模式，以适应不同的能耗需求，延长设备的使用时间。

强大的调试支持

STM32F103支持JTAG和SWD接口调试，结合Cortex-M3内核的调试组件（如FPB、DWT、ITM、ETM等），提供了强大的调试功能，便于开发者进行程序调试和性能分析。

总结

STM32F103系列微控制器以其强大的Cortex-M3内核和丰富的外设资源，在嵌入式系统领域占据了重要地位。通过对Cortex-M3内核的深入解析，我们可以更好地理解STM32F103的高性能、低功耗和易调试等特性，从而更加高效地进行嵌入式系统开发。无论是初学者还是资深开发者，STM32F103都是一个值得深入学习和应用的优秀平台。

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