微机原理与接口技术 · 第3章《STM32F1 系列微控制器》知识点全梳理本文整理自福州大学《微机原理与接口技术》吴衔誉教授第三章课件系统讲解 STM32F1 系列简介、系统架构与内部结构、存储器映像、时钟结构、引脚与启动配置、最小系统设计六大板块。目录一、STM32F1 系列微控制器简介二、系统架构与 STM32F103ZET6 内部结构三、STM32F103ZET6 的存储器映像四、STM32F103ZET6 的时钟结构五、引脚与启动配置六、最小系统设计本章小结与思考题一、STM32F1 系列微控制器简介1.1 厂商背景意法半导体STMicroelectronicsST1987 年由意大利 SGS 微电子与法国 Thomson 半导体合并成立是世界最大的半导体公司之一。1.2 各系列产品特点2007 年 6 月ST 发布首款基于 Cortex-M3、内嵌 32~128 KB 闪存的 STM32 微控制器。F1 系列按应用定位分为系列主频关键特性超值型 STM32F10024 MHz电机控制、CEC 功能基本型 STM32F10136 MHz高达 1 MB Flash连接型 STM32F10248 MHz具备 USB FS device 接口增强型 STM32F10372 MHz高达 1 MB Flash、电机控制、USB、CAN互联型 STM32F105/10772 MHz以太网 MAC、CAN、USB 2.0 OTG本课程核心芯片为增强型 STM32F103。1.3 命名规则以 STM32F103ZET6 为例STM32 F 103 Z E T 6 │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ └─ 温度范围6工业级 -40~85℃7工业级 -40~105℃ │ │ │ │ │ └──── 封装HBGATLQFPUVFQFPNYWLCSP64 │ │ │ │ └─────── 闪存容量416KB632KB864KBB128KBC256KBD384KBE512KB │ │ │ └────────── 引脚数T36C48R64V100Z144 │ │ └────────────── 子系列101基本型102USB基本型103增强型105/107互联型 │ └────────────────── 产品类型F通用型 └─────────────────────── STM32基于 ARM 的 32 位微控制器拆解 STM32F103ZET6通用型 / 增强型 / 144 脚 / 512 KB Flash / LQFP 封装 / 工业级 -40~85℃。练习题中的STM32F103RDT6通用型 / 增强型 / 64 脚 / 384 KB Flash / LQFP / 工业级。1.4 封装类型封装全称特点LQFPLow Profile Quad Flat Package薄型四方扁平封装引脚在四边引出BGABall Grid Array球栅阵列焊球在底部密度高VFQFPNVery thin Fine-pitch Quad Flat No-lead超薄无引线四方扁平WLCSPWafer-Level Chip Scale Package晶圆级芯片封装封装后体积 ≈ 裸晶尺寸WLCSP 原理在整片晶圆上先封装测试再切割封装后体积等同 IC 裸晶原尺寸而传统封装会增加约 20% 体积。二、系统架构与 STM32F103ZET6 内部结构2.1 系统架构内核 四条总线 总线矩阵ARM Cortex-M3 内核是整个系统的运算控制中心配备四条专用高速通道总线连接对象作用ICode内核指令总线 ↔ Flash 指令接口指令预取在此完成DCode内核 DCode 总线 ↔ Flash 数据接口取 Flash 中的数据 / 常量系统总线内核系统总线 ↔ 总线矩阵访问 SRAM、外设矩阵协调内核与 DMADMA 总线DMA 的 AHB 主接口 ↔ 总线矩阵DMA 与 CPU 经矩阵访问 SRAM/Flash/外设总线矩阵相当于芯片内部的「交通枢纽 / 立交桥」连接内核各总线、DMA 控制器与存储设备多主设备内核、DMA争用同一从设备时负责仲裁轮转算法先来先服务。矩阵含4 个主动部件 4 个被动部件。AHB/APB 桥在 AHB 与两条 APB 之间同步连接。APB1 限速 36 MHzAPB2 全速最高 72 MHz。2.2 DMA直接存储器访问DMA 是与 CPU平级的总线主设备专司数据搬运。本质CPU 只「下单」搬运由 DMA 完成传输前交总线、结束立即交回不是更快的 CPU而是另一个总线主设备。一次完整传输 4 步① DMA 请求外设数据就绪→ ② DMA 响应申请总线控制权→ ③ DMA 传输CPU 完全不参与→ ④ DMA 结束交回总线并触发中断。应用举例ADC 连续采样 1000 点配置 DMA1 通道 1源 ADC1 数据寄存器目的 数组首址长度 1000、16 位宽。启动后 CPU 转去跑主程序1000 个数据搬完才触发1 次完成中断——中断次数从 1000 次降到 1 次。对比项CPU 亲自搬交给 DMA谁在干活CPU 逐字节搬运DMA 控制器批量搬运CPU 状态全程占用别的都干不了配置后即可并行执行其他任务中断开销频繁进出中断、压栈跳转整批完成才中断一次单个 DMA 通道内部 5 环节请求逻辑 → 地址生成源/目自动递增→ 宽度控制8/16/32 位→ 传输计数减到 0 结束→ 优先级仲裁4 级。四大优势解放 CPU、提高吞吐、降低中断频率、适配高速外设。STM32F103 特点DMA1 有 7 通道、DMA2 有 5 通道外设请求映射固定使用前查表支持外设↔内存、内存↔内存三方向循环缓冲HT/TC/错误共用 1 个中断。局限单次上限 65536 个数据单元通道固定不可随意改接与 CPU 竞争总线带宽并非「免费」源/目宽度须与外设对齐。SDIO 与 DMASD 卡数据吞吐量大用 DMA 提速SDIO 使用DMA2 通道 4。2.3 FSMC 与 SDIO 辨析名称性质说明Flash存储部件非易失存程序与常量ZET6 内置 512 KB读快写前须擦除SRAM存储部件易失存变量/堆栈/堆ZET6 内置 64 KB读写最快、无需刷新FSMC控制器接口把外部 SRAM/NOR/NAND Flash 映射进地址空间仅 xC/xD/xE 高密度型号可变静态存储控制器SDIO接口按 SD 协议外接 SD 卡数据量大时常配 DMA2 通道 4一句话Flash / SRAM 是「放数据的地方」FSMC / SDIO 是「往外扩的通道」。2.4 STM32F103ZET6 内部架构十大组成ARM Cortex-M3 内核少引脚、低功耗、计算表现好、中断响应快、代码效率高。嵌入式 Flash / SRAM最多 512 KB Flash、64 KB SRAMCPU 速度读写。NVIC43 个可屏蔽中断通道16 个可编程优先级。EXTI外部中断/事件控制器19 条边沿探测器可独立配置/屏蔽多达 112 个 GPIO 连到 16 个外部中断线。时钟和启动复位时内部 8 MHz 晶振作 CPU 时钟可选外部 4~16 MHz 时钟受监视Boot 引脚选择启动源。Boot 模式复位时 Boot 引脚在 Flash / 系统存储器 / SRAM 三选项间选择。电源供电VDD2.0~3.6 VI/O 与内部调压器主电源VDDA/VSSA2.0~3.6 V模拟电压供 ADC、复位、RC、PLL须相应接 VSS/VDDVBAT1.8~3.6 VVDD 无效时为 RTC、32 kHz 晶振、备份寄存器供电。电源管理完整上电复位POR/ 掉电复位PDR电路嵌入式可编程电压探测器PVD监测 VDD越限产生中断。电压调节调压器三模式——主模式MR运行、低功耗LPR停止模式、掉电待机模式核心断电。低功耗模式见下。电源符号速记VCC电路电压 bipolar 集电极/ VDD器件电压MOS 漏极/ VSS公共地/ VEE负电源/ VBAT备份电池。三种低功耗模式模式工作状态唤醒源断电内容休眠仅 CPU 停外设全运行任意中断/事件无停止1.8 V 区时钟停PLL/HSI/HSE 禁能外部中断线/PVD/TRCSRAM 与寄存器保留待机调压器关1.8 V 区断电NRST/IWDG/WKUP 上升沿/TRCSRAM 与寄存器丢失仅备份待机电路保留三、STM32F103ZET6 的存储器映像程序、数据、寄存器、I/O 统一编址在4 GB线性地址空间分成8 个主要块每块 512 MB与第 2 章 Cortex-M3 的 4GB 映射一致。数据字节以小端格式存放最低地址字节为最低有效字节。每个外设的相关寄存器地址均可用「首地址 偏移量」定位绝对地址课本表 3-1。片上存储存储容量起始地址访问方式SRAM64 KB0x20000000字节/半字(16)/字(32)且位于位带区嵌入式 Flash512 KB0x08000000主存储块 256×2 KB 页 信息块Flash 组织与接口主存储块容量 64K×64 位分 256 个 2 KB 页闪存接口带预取缓冲器每字 2×64 位复位后自动打开——因缓冲大小与闪存带宽相同一次闪存操作即更新整缓冲使 CPU 可跑更高主频DCode 上的数据访问优先于取指。选择字节Option Bytes地址 0x1FFFF800 起位名称含义16WDG_SW0软件看门狗1硬件看门狗17nRST_STOP0进 STOP 模式产生复位1不产生18nRST_STDBY0进待机产生复位1不产生写保护WRP0~WRP3共 32 位bit0~bit30 每 1 位控制 2 个 Flash 页共 62 页可分 2 页单位单独配bit31 统一控制其余页0保护1不保护默认全 1全不保护。Data0/Data1 供用户使用。四、STM32F103ZET6 的时钟结构4.1 五个时钟源时钟源类型/频率精度主要用途HSI高速内部~8 MHz内部 RC较低受温度/电压影响系统时钟备份源PLL 输入HSE高速外部4~16 MHz晶振/时钟高取决于晶振主时钟源直接或经 PLL 驱动 SYSCLK亦可为 RTC 提供时钟PLL锁相环HSI/HSE 倍频至 72 MHz取决于输入提供高性能核心时钟LSI低速内部~40 kHzRC低独立看门狗、低功耗唤醒AWULSE低速外部32.768 kHz 晶振高RTC 专用保证日历计时准确汽车比喻系统时钟如发动机转速越高性能越强但功耗越大RTC 如行车电脑时钟/里程表无论发动机熄火还是运转都默默计时VBAT 维持则不丢。4.2 系统时钟与时钟树系统恢复后默认HSI作系统时钟时钟源被直接或经 PLL 用作 SYSCLK 时不能被停止只有目标时钟源就绪后才可切换。PLL 配置激活前须设好输入源与倍频因子激活后参数不可改用 USB 时必须让 PLL 输出 48 或 72 MHz 以供给 48 MHz 的 USBCLK。MCO 时钟输出可输出 SYSCLK、HSI、HSE、PLL/2 到外部引脚对应 GPIO 须配为复用功能。分级分频用户通过预分频器配置 AHB、高速 APB2、低速 APB1 频率不用时可独立关闭任一时钟源以优化功耗。4.3 RTC 时钟与三种低速 RTC 时钟源RTC 时钟由 RCC_BDCR 的RTCSEL[1:0]选择除非备份域改变否则不可变源来源精度供电依赖核心应用LSE外部 32.768 kHz高±20 ppmVBAT备份电池高精度日历、长期计时LSI内部 ~40 kHz RC低±5%VDD看门狗、低精度临时计时HSE/128外部高速分频取决于 HSEVDD非低功耗场景供电域比喻VDD 是主供电下班即停VBAT 是备份电池关键部门独立发电机备份域是只含 RTC 核心计数器/闹钟/少量备份寄存器的关键区域。LSE 最可靠——它在备份域内VBAT 维持即可独立于 VDD 运行LSI 依赖 VDD断电时状态不能保证HSE/128 需保持 HSE 运行功耗高、失去 RTC 低功耗意义。4.4 派生时钟细节SysTickHCLK 经 AHB 8 分频作外部时钟或选 Cortex 内核 HCLK。定时器时钟若所在 APB 预分频系数 1则定时器时钟 APB 总线频率否则 APB 频率 × 2。ADC 时钟APB2 经 2/4/6/8 分频获得。FCLKCortex-M3 的自由运行时钟。五、引脚与启动配置5.1 启动模式BOOT0 / BOOT1系统复位后在 SYSCLK 第 4 个上升沿锁存 Boot 引脚值三种启动模式BOOT1BOOT0启动模式说明X0主闪存存储器正常模式运行用户程序0x08000000 映射到 0x0000000001系统存储器出厂 ISP Bootloader0x1FFFF000 映射11内置 SRAM调试用掉电不保存须重映射向量表从主闪存 / 系统存储器启动时原地址与映射地址均可访问从 SRAM 启动只能在 0x20000000 访问且须在初始化时用 NVIC 异常表偏移寄存器把向量表重映射到 SRAM。退出待机模式时 Boot 引脚值重新锁存待机期间须保持所需配置。5.2 三类片内存储器辨析存储器易失性主要用途启动角色主闪存非易失用户程序代码与常量BOOT00 启动区系统存储器非易失出厂 ISP BootloaderBOOT01 启动区内置 SRAM易失变量/堆栈/工作区BOOT11 启动区5.3 Flash 与 SRAM 存储原理区别维度Flash浮栅 MOSFETSRAM6 管 CMOS 触发器原理栅极陷阱电荷表示 0/1双稳态电路锁存 0/1写操作须整页/扇区擦除再编程较慢字节级直接读写无需擦除读速度较快极快与 CPU 同速擦写寿命有限约 1 万~10 万次无限成本/容量单位成本低、容量大单位成本高、容量小六、最小系统设计STM32F103ZET6 片内已集成电源管理、8 MHz 高速内部 RC、40 kHz 低速内部 RC 等外部只需7 个无源器件即可工作。常用最小系统模块复位电路NRST 引脚内含约 40 kΩ 不可断开上拉外部再接上拉电阻 按键 电容按键按下使 NRST 变 0 实现手动复位。晶体振荡电路8 MHz 晶振 X1HSE 32.768 kHz 晶振 X2LSE负载电容须贴近引脚以减失真、缩短起振。启动设置电路BOOT1/BOOT0 各经 10 kΩ 接地 → 从主闪存启动。JTAG 接口4 线TMS/TCK/TDI/TDO 模式选择/时钟/数据入/数据出用于 JLink 下载与在线仿真IEEE 1149.1。USB 转 TTLCH340G从 USB 取 5 V实现串口下载可切换 USB/UART。独立按键电路外部中断检测 待机唤醒。AD 采集电路光敏电阻经开关接到 PA1由 ADC 采集阻值。流水灯电路 / 电源电路基本外设与供电。源与器件无源器件指电阻、电容等不需电源驱动的元件有源器件如三极管需供电才能工作。本章小结与思考题核心知识地图STM32F1 简介ST 背景、五大系列、命名规则、封装系统架构4 条总线 总线矩阵 AHB/APB 桥、DMA4 步工作流与优势、FSMC/SDIO 辨析、ZET6 内部十大组成含电源符号与三种低功耗模式存储器映像4 GB/8 块、SRAM 64 KB、Flash 512 KB、预取缓冲、选择字节与写保护时钟结构HSI/HSE/LSI/LSE/PLL 五源、系统时钟切换、RTC 三源与 RTCSEL、派生时钟引脚与启动BOOT0/BOOT1 三模式、三类存储器辨析、Flash vs SRAM 原理最小系统复位/晶振/启动/JTAG/USB 转 TTL/按键/AD/流水灯。本文由课程课件与讲稿整理供学习交流使用。如需转载或用于教学请注明出处。欢迎在评论区交流讨论。