硬件简要介绍
# 硬件简要介绍
本文一些图片与资料来源于杨桃电子 (opens new window)
这是STM32F103的一个系列的数据手册的第一页：
但是首先，你最好清楚一下计算机组成：简易教程 (opens new window)或系统教程 (opens new window)
# 1.0 核心功能区
# 1.1 内核
很明显，这就是一个ARM架构的核心部分
# 1.2 存储器
| 中文名称 | 英文简写 | 英文全称 |
|---|---|---|
| 存储器 | - | Memory |
存储器在单片机中一般有两种：Flash与SRAM，二者的作用请参考计算机组成原理中的部分：
不同点与工作流程
# 1.3 时钟、复位与电源管理
| 中文名称 | 英文简写 | 英文全称 |
|---|---|---|
| 时钟 | - | Clock |
| 实时时钟 (opens new window) | RTC | Real-Time Clock |
时钟就相当于整个芯片的脉搏和前进的队伍中的“一二一”口号，控制着时钟周期
时钟的来源主要有以下几种：
| 中文名称 | 英文缩写 | 英文全称 |
|---|---|---|
| 外部高速晶体振荡器 | HSE | High-Speed External clock signal |
| 外部低速晶体振荡器 | LSE | Low-Speed External clock signal |
| 内部高速RC振荡器 | HSI | High-Speed Internal clock signal |
| 内部低速RC振荡器 | LSI | Low-Speed Internal clock signal |
| 锁相环倍频输出 | PLL | Phase-Locked Loop |
前四种可以产生时钟信号，而PLL则是修改输入到其中的时钟信号而后输出，具体的不同请见下图：
HSE, LSE, HSI, LSI的区别
# 1.4 复位
| 中文名称 | 英文简写 | 英文全称 |
|---|---|---|
| 复位 | - | Reset |
| 上电复位 (opens new window) | POR | Power-On Reset |
| 掉电复位 (opens new window) | PDR | Power-Down Reset |
| 可编程电压监测器 (opens new window) | PVD | Programmable Voltage Detector |
复位就是只单片机将重新从第一条指令开始运行；下方的几种复位方式就是当检测到某处的电压高于或低于某值的时候将单片机复位。
# 2.0 重要功能区
# 2.1 低功耗
| 中文名称 | 英文简写 | 英文全称 |
|---|---|---|
| 低功耗 | - | Low power |
| 睡眠 | - | Sleep |
| 停机 | - | Stop |
| 待机 | - | Standby |
正常工作的时候单片机处于正常模式。在我们需要的时候可以将其调节为三种低功耗模式，三种模式下节电的程度依次递增，具体的节点方式如下：
节电方式
- 值得注意的是：前两种方式下 SRAM 尚未停止运行，而在待机模式下 SRAM 会停止运行，导致唤醒时将从头开始执行指令
# 2.2 模数转换器
| 中文名称 | 英文缩写 | 英文全称 |
|---|---|---|
| 模数转换器 | ADC | A/D Converter |
也就是模拟/数字信号转换器。在数字信号中，只有表示低电平的0与表示高电平的1两种状态，而ADC则可以将数字信号的中间电平读取出来从而达到目的。
ADC的工作
值得注意的是：
- 上方黑色的线路是传统的工作模式，ADC将读取的数据通过 CPU 存储进 SRAM 中
- 为了减少 CPU 的负担，人们加入了 DMA 作为 CPU 的“小秘书”，将数据直接存进 SRAM 供 CPU 随时调用
# 2.3 DMA
| 中文名称 | 英文缩写 | 英文全称 |
|---|---|---|
| 直接内存访问 | DMA | Direct Memory Access |
在上面提到了： DMA 是 CPU 的“小秘书”，将读取到的数据直接存进 SRAM 供 CPU 随时调用
在数据手册上有一行文字说明：
支持的外设：定时器、ADC、SPI、I2C、USART
所以这些外设也和上面的 ADC 一样可以直接访问内存储存数据
DMA 功能原理示意图
# 2.4 I/O 端口
51/80/112个多功能双向的I/O口，所有I/O口 可以映像到16个外部中断；几乎所有端口均 可容忍 5V 信号
每个GPIO引脚都可以由软件配置成输出(推挽或开漏)、输入(带或不带上拉或下拉)或复用的外设功能 端口。多数GPIO引脚都与数字或模拟的复用外设共用。除了具有模拟输入功能的端口，所有的GPIO 引脚都有大电流通过能力。
以上两段摘自数据手册，STM32 中的输入输出端口通常称为 GPIO
STM32 种会将引脚分为PA到DE五个组，每个组最多可以有15个引脚，如图：
每个引脚具体能做什么，以STM32F103为例：
而 GPIO 会有8种工作模式，可通过以下几篇文章详细了解：
文章列表
# 2.5 调试模式
| 中文名称 | 英文缩写 | 英文全称 |
|---|---|---|
| 串行单线调试 | SWD | Serial wire Debug |
| JTAG 接口 | - | JTAG interfaces |
内嵌ARM的SWJ-DP接口，这是一个结合了JTAG和串行单线调试的接口，可以实现串行单线调试接口或JTAG接口的连接。JTAG的TMS和TCK信号分别与SWDIO和SWCLK共用引脚，TMS脚上的一 个特殊的信号序列用于在JTAG-DP和SW-DP间切换
调试模式是内嵌于 ARM 内核中的，在调试的时候可以实时追踪到某些数据的变化情况。
从数据手册给出的资料中可以看出：SWJ-DP这个接口能够兼容SWD模式与JTAG调试；但是需要注意的是SWD只需要两线就能调试，而JTAG则是标准的20引脚，简单的示意如图：
# 2.6 定时器
| 中文名称 | 英文缩写 | 英文全称 |
|---|---|---|
| 定时器 | - | Timer |
| 通用定时器 | TIMx (x≠1) | - |
| 高级控制定时器 | TIM1 | - |
| 看门狗定时器 | - | Watchdog timer |
| 滴答定时器 | - | SysTick timer |
定时器就相当于闹钟一样，可以计时一段时间，而且它独立于 CPU 可以省蛆 CPU 的工作从而忙于更重要的工作
# 2.6.1 通用定时器与高级定时器
二者性能稍有不同：
# 2.6.2 看门狗定时器
看门狗是一个很形象的比喻：
这个定时器在实时的监控着 CPU。假定设置一段时间周期T，在这段时间内，如果 CPU 正常工作则不会忘记给这个计时器一个反馈或者信号，也就相当于“喂狗”，则程序继续正常运行；若是 CPU 没有正常运行，也就没有办法“喂狗”，那么这个计时器将会复位 CPU
下面是两种看门狗计时器：独立看门狗与窗口看门狗的参数（基于STM32F103）：
独立的看门狗是基于一个12位的递减计数器和一个8位的预分频器，它由一个内部独立的40kHz的RC 振荡器提供时钟；因为这个RC振荡器独立于主时钟，所以它可运行于停机和待机模式。它可以被当 成看门狗用于在发生问题时复位整个系统，或作为一个自由定时器为应用程序提供超时管理。通过 选项字节可以配置成是软件或硬件启动看门狗。在调试模式下，计数器可以被冻结。
窗口看门狗内有一个7位的递减计数器，并可以设置成自由运行。它可以被当成看门狗用于在发生问 题时复位整个系统。它由主时钟驱动，具有早期预警中断功能；在调试模式下，计数器可以被冻结。
二者除了做看门狗定时器作用外，也可以作为通用的普通计时器使用
# 2.6.3 滴答计时器（系统时基计时器）
操作系统的多任务处理并不是 CPU 真的可以同时处理多个任务，而是在一段很短的时间内只处理一个任务，而下一个很短的时间段处理另一个任务，而这样的快速切换就有了多任务处理的效果；
但是这个很小的时间段是由谁来定义的呢，就是滴答计时器，它专用于实时操作系统
总的来讲，一个单片机内部的计时器大概就如图所示：
# 3.0 通信功能
# 3.1 I2C 总线
多达2个I2C总线接口，能够工作于多主模式或从模式，支持标准和快速模式。I2C接口支持7位或10位寻址，7位从模式时支持双从地址寻址。内置了硬件CRC发生器/校验器。 它们可以使用DMA操作并支持SMBus总线2.0版/PMBus总线
I2C 连接的设备是并联连接，通过每个设备的地址来与特定的设备通信：
提示
- I2C总线是板级总线，连接线一般不超2米
- I2C的数据线上理论上需要加2K的上拉电阻
- 所有设备与单片机需要共地
# 3.2 USART
| 中文名称 | 英文缩写 | 英文全称 |
|---|---|---|
| 通用同步/异步收发器 | USART | Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter |
STM32F103xC、STM32F103xD和STM32F103xE增强型系列产品中，内置了3个通用同步/异步收发器(USART1、USART2和USART3)，和2个通用异步收发器(UART4和UART5).
这5个接口提供异步通信、支持IrDA SIR ENDEC传输编解码、多处理器通信模式、单线半双工通信 模式和LIN主/从功能。
USART1接口通信速率可达4.5兆位/秒，其他接口的通信速率可达2.25兆位/秒。
USART1、USART2和USART3接口具有硬件的CTS和RTS信号管理、兼容ISO7816的智能卡模式和 类SPI通信模式，除了UART5之外所有其他接口都可以使用DMA操作。
USART只是一种协议方式，根据不同电平方式分为RS232和RS485等，连接简图如图所示：
提示
- USART是通用同步/异步收发器（带同步时钟线USART_CK）
- UART是通用异步收发器（没有同步时钟线）
- 但最常用的是异步模式，同步模式很少用，所以二者区别不大
# 3.3 SPI
| 中文名称 | 英文缩写 | 英文全称 |
|---|---|---|
| 串行外设接口 | SPI | Serial Peripheral Interface |
多达3个SPI接口，在从或主模式下，全双工和半双工的通信速率可达18兆位/秒。3位的预分频器可产生8种主模式频率，可配置成每帧8位或16位。硬件的CRC产生/校验支持基本的SD卡和MMC模式
所有的SPI接口都可以使用DMA操作。
SPI 协议用于板级设备之间的通信，其特点是协议简单稳定、速度较快而且支持读取SD卡和TF卡
# 3.4 CAN 总线
| 中文名称 | 英文缩写 | 英文全称 |
|---|---|---|
| 控制器区域网络 | CAN | Controller Area Network |
CAN接口兼容规范2.0A和2.0B(主动)，位速率高达1兆位/秒。它可以接收和发送11位标识符的标准帧， 也可以接收和发送29位标识符的扩展帧。具有3个发送邮箱和2个接收FIFO，3级14个可调节的滤波器。
CAN由于其通信速度快、距离远、稳定且自动查错的优点，用于汽车、工业的智能设备通信；且其不需要Host设备
# 3.5 USB
| 中文名称 | 英文缩写 | 英文全称 |
|---|---|---|
| 通用串行总线 | USB | Universal Serial Bus |
STM32F103xC、STM32F103xD和STM32F103xE增强型系列产品，内嵌一个兼容全速USB的设备 控制器，遵循全速USB设备(12兆位/秒)标准，端点可由软件配置，具有待机/唤醒功能。USB专用的48MHz时钟由内部主PLL直接产生(时钟源必须是一个HSE晶体振荡器)。
USB 由于能够独立供电，接口用于做PC机的从设备如鼠标、键盘、打印机之类；且USB 的时钟需要专用的高速晶振产生
为什么不把接口统一成一个协议呢？因为它们各有优缺点，适用于不同的场合。
# 4.0 附加功能
# 4.1 CRC校验
| 中文名称 | 英文缩写 | 英文全称 |
|---|---|---|
| 循环冗余校验 | CRC | Cyclic Redundancy Check |
CRC(循环冗余校验)计算单元使用一个固定的多项式发生器，从一个32位的数据字产生一个CRC码。 在众多的应用中，基于CRC的技术被用于验证数据传输或存储的一致性。在EN/IEC 60335-1标准的 范围内，它提供了一种检测闪存存储器错误的手段，CRC计算单元可以用于实时地计算软件的签名，并与在链接和生成该软件时产生的签名对比。
归纳起来就是：
- CRC 是用于数据正确性校验的
- 由一个32位的数据字产生
- 可应用在FLASH检测
- 可用于软件签名及对比
直观的显示它的原理就是：
# 4.2 芯片ID
每个 STM32 芯片都有唯一的一个96位的编码（24位16进制数），通过加密算法可以实现许多产品功能
# 5.0 其它补充
# 5.1 NVIC
| 中文名称 | 英文缩写 | 英文全称 |
|---|---|---|
| 嵌套的向量式中断控制器 | NVIC | Nested Vectored Interrupt Controller |
STM32F103xx增强型产品内置嵌套的向量式中断控制器，能够处理多达43个可屏蔽中断通道（不包括16个Cortex-M3的中断线）和16个优先级。
NVIC就是将任务划分优先级的控制器，数据手册上写出的其特点是：
NVIC特点
- 紧耦合的NVIC能够达到低延迟的中断响应处理
- 中断向量入口地址直接进入内核
- 紧耦合的NVIC接口
- 允许中断的早期处理
- 处理晚到的较高优先级中断
- 支持中断尾部链接功能
- 自动保存处理器状态
- 中断返回时自动恢复，无需额外指令开销
- 该模块以最小的中断延迟提供灵活的中断管理功能
# 5.2 EXTI
| 中文名称 | 英文缩写 | 英文全称 |
|---|---|---|
| 外部中断/事件控制器 | EXTI | External Interrupt |
外部中断/事件控制器包含19个边沿检测器，用于产生中断/事件请求。每个中断线都可以独立地配置它的触发事件（上升沿或下降沿或双边沿），并能够单独地被屏蔽；有一个挂起寄存器维持所有中断请求的状态。EXTI可以检测到脉冲宽度小于内部APB2的时钟周期。多达80个通用/O口连接到16个外部中断线。
# 5.3 自举模式
在启动时，通过自举引脚可以选择三种自举模式中的一种：
- 从程序闪存存储器自举
- 从系统存储器自举
- 从内部SRAM自举
自举加载程序（Bootloader）存放于系统存储器中，可以通过USART1对闪存重新编程。
# 5.4 时钟和自启动
系统时钟的选择是在启动时进行，复位时内部8MHz的RC振荡器被选为默认的CPU时钟，随后可以选择外部的、具失效监控的4~16MHz时钟；当检测到外部时钟失效时，它将被隔离，系统将自动地切换到内部的RC振荡器，如果使能了中断，软件可以接收到相应的中断。同样，在需要时可以采取对PLL时钟完全的中断管理（如当一个间接使用的外部振荡器失效时）
多个预分频器用于配置AHB的频率、高速APB（APB2）和低速APB（APB1）区域。AHB和高速APB的最高频率是72MHz，低速APB的最高频率为36MHz。参考图2的时钟驱动框图
这个部分与内部总线相关，因为一个芯片内部的各部分也需要通信，总结来讲就是：
AHB是高级高性能总线，用于CPU、DMA、DSP的通信APB是外围总线，用于内部其他功能的通信APB分为高速APB2和低速APB1
# 6.0 End
至此，在你大致了解这些名词之后，尝试着看懂这张图吧！可能会有点难，但是看懂之后很有帮助：
详细分区
祝你好运！