1. ARM背景知识

• STM32的CPU是Cortex-M系列处理器，也是ARM处理器
  
• ARM（Advanced RISC Machines）有三种含义：它是一个公司的名称、一类微处理器的统称、也是一种技术的名称
• ARM公司是微处理器行业的一家企业，设计基于ARM体系的处理器。ARM公司不生成芯片也不出售芯片，只是转让设计方案给半导体厂商，由半导体厂商生产soc，并销售

1.1 ARM处理器家族

• 早起经典处理器：ARM7、ARM9、ARM11家族
• Cortex-M系列：为单片机驱动的系统提供的低成本优化方案，应用于传统的微控制器市场，智能传感器，汽车周边部件等
• Cortex-A系列：针对开放式操作系统的高性能处理器；应用于智能手机，数字电视，服务器等高端运用。
• Cortex-R系列：针对实时系统、满足实时性、高可靠性控制需求；应于汽车制动系统，动力系统，移动通信基带控制器等

1.2 ARM处理器架构

• 概念：体系结构定义指令集和基于这一体系结构下处理器的 编程模型（基本数据类型、工作模型、寄存器组）。基于同种体系结构可以有多种处理器、每个处理器的性能不同，面向的应用领域不同
• ARM体系结构发展：一共定义了8个版本V1-V8
  • V1-V3：最早的版本，目前已经废弃
  • V4-V6：经典处理器中运用的比较多
  • V7：目前Cortex系列处理器主要是这种架构、支持Thumb-2的32位指令集
  • V8：兼容ARMv7架构的特性，并支持64位数据处理

1.3 ARM指令集

• 指令集的概念：处理器能够识别并执行的指令集合；每条指令可处理一个简单或复杂操作（加、加乘…）；每一条指令对应一条或几条汇编指令
• 指令集常见分类：
  • 复杂指令集（CISC）：包含处理复杂操作的特定指令，指令长度不固定，执行需要多个周期。
  • 精简指令集（RISC）：指令简单而有效，格式和长度通常是固定的，大多数指令在一个周期内可以执行完毕。
• ARM内核是基于RISC体系结构的。

1.4 SOC（片上系统）概念

• 指的是在单个芯片上集成一个完整的计算机系统，所谓完整的系统一般包括中央处理器(CPU)、存储器、以及外围电路等。
  

2. Cortex-M4处理器

2.1 Cortex-M家族

Cortex-M 系列产品主要包括 Cortex-M0、Cortex-M1、Cortex-M3、Cortex-M4、Cortex-M7等

• Cortex-M0 ：主打低功耗和混合信号的处理
• Cortex-M1 ：应用于FPGA的应用控制领域
• Cortex-M3和Cortex-M4：主要用来替代 ARM7，重点侧重能耗与性能的平衡
• Cortex-M7： 则重点放在高性能控制运算领域

2.2 Cortex-M4特性

• Cortex-M4处理器内核是在Cortex-M3内核基础上发展起来的，其性能比Cortex-M3提高了20%。新增加了浮点、DSP、并行计算等
• RISC处理器内核：高性能32位CPU
• Thumb-2 指令集，高效、高代码密度
• 高性能，使用ARMv7-M的体系架构支持DSP和SIMD
• 中断数量可配置（1~240个），低中断切换时延，提供不可屏蔽中断（NMI）输入保障高可靠性系统
• 低功耗模式：集成的睡眠状态支持、多电源域、基于架构的软件控制
• 支持多种嵌入式操作系统，也被多种开发组件支持，包括 MDK（ARM Keil 微控制器开发套件）、RVDS（ARM RealView 开发组件）、IAR C 编译器等。

2.3 Cortex-M结构框图

Cortex-M 微处理器主要包括处理器内核、嵌套向量中断控制器（NVIC）、调试子系统、内部总线系统构成。
Cortex-M 微处理器通过 精简的高性能总线（AHB-LITE） 与外部存储器及外设进行通信。

2.4 Cortex-M4工作模式

• 处理模式（Handler Mode）：当处理器发生了异常或者中断，则进入处理模式进行处理、处理完成后返回线程模式在该模式下处理器具有特权访问等级，可以访问处理器中的所有资源。
• 线程模式（Thread Mode）：芯片复位后，即进入线程模式，执行普通用户程序；可以处于特权或非特权模式，访问等级由CONTROL寄存器控制
  

2.5 Cortex-M4寄存器组

2.5.1 通用寄存器

Cortex-M4 处理器内核有 13 个通用寄存器以及多个特殊寄存器

• R0-R12：通用寄存器，其中 R0-R7 为低端寄存器，可作为 16 位或 32 位指令操作数，R8-R12 为高端寄存器，只能用作 32 位操作数
• R13：堆栈指针（SP），Cortex-M4 在物理位置上存在两个栈指针，主栈指针 MSP，进程栈指针 PSP。在处理模式下，只能使用主堆栈，在线程模式下，可以使用主堆栈也可以使用进程堆栈，这主要是由 CONTROL 寄存器控制完成。系统上电的默认栈指针是MSP。
• R14：连接寄存器（LR），用于存储子程序或者函数调用的返回地址
• R15：程序计数器（PC），存储下一条将要执行的指令的地址。

2.5.2 特殊寄存器

• xPSR：组合程序状态寄存器，该寄存器由三个寄存器组成
  • 应用PSR（APSR）：包含前一条指令执行后的条件标志
  • 中断PSR（IPSR）：包含当前ISR的异常编号
  • 执行PSR（EPSR）：包含Thumb状态位

• PRIMSK：中断屏蔽特殊寄存器。
• CONTROL：控制寄存器
  • [PRIV]：为0,处理器处于线程模式的特权级，为1为非特权级
  • [SPSEL] ：为0时，线程模式使用MSP，为1时使用PSP
  • 处理器模式时，固定使用MSP
    
    

2.6 Cortex-M4异常和中断

Cortex-M4 支持许多系统异常（Reset、HardFault、SVCall、PendSV、SysTick），它们主要用于操作系统和错误处理，参见下图
另外， Cortex-M4 处理器最多支持 240 个中断输入

2.7 Cortex-M4指令集

ARM 处理器支持两种指令集：ARM 和 Thumb。
EPSR 寄存器的 T 标志位负责指令集的切换，Cortex-M0只支持Thumb指令

• ARM指令集
  • 32位精简指令集
  • 指令长度固定
  • 降低编码数量产生的耗费，减轻解码和流水线的负担；
• Thumb指令集
  • Thumb指令集是ARM指令集的一个子集
  • 指令宽度16位
  • 与32位指令集相比，大大节省了系统的存储空间
  • Thumb指令集不完整，所以必须配合ARM指令集一同使用
• Thumb 与 ARM 相比，代码体积小了 30%，但性能也低了 20%。2003 年，ARM 公司引入了 Thumb-2 技术，具备了一些 32 位的 Thumb 指令，使得原来很多只有 ARM 指令能够完成的功能，用 Thumb 指令也可以完成了。Cortex-M4基于的 ARMv7-M 体系结构，该体系结构的处理器只是用了16位Thumb指令和部分32位Thumb指令

3. STM32

STM32，从字面上来理解，ST 是意法半导体，M 是 Microelectronics 的缩写，32 表示32 位，合起来理解，STM32 就是指 ST 公司开发的 32 位微控制器。

3.1 STM32产品介绍

STM32Lxx是超低功耗性，STM32F0、F1、F3是主流型，STM32F2、F4、F7是超高性能型

3.2 STM32产品命名规则

3.3 STM32F4系统架构

• STM32F407 采用的是 Cortex-M4 内核，内核即 CPU，由 ARM公司设计。ARM 公司并不生产芯片，而是出售其芯片技术授权。
• 芯片生产厂商(SOC)如 ST、TI、Freescale，负责在内核之外设计部件并生产整个芯片。这些内核之外的部件被称为核外外设或片上外设。如 GPIO、USART（串口）、I2C、SPI等都叫做片上外设。