STM32F103 系统架构

1、Cortex M3 内核 & 芯片

ARM公司提供内核（如Cortex M3，简称CM3，下同）授权，完整的MCU还需要很多其他组件。芯片公司（ST、NXP、TI、GD、华大等）在得到CM3内核授权后，就可以把CM3内核用在自己的硅片设计中，添加：存储器，外设，I/O以及其它功能块。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，因此才会有市面上各种不同应用的ARM芯片。Cortex M3内核和芯片的关系如图5.3.1.1所示：

可以看到，ARM公司提供CM3内核和调试系统，其他的东西（外设（IIC、SPI、UART、TIM等）、存储器（SRAM、FLASH等）、I/O等）由芯片制造商设计开发。这里ST公司就是STM32F103芯片的制造商。

2、STM32F103ZET6 内部系统结构

STM32F103的系统主要由：四个驱动单元（可以主动发起通信，图中①区域）和四个被动单元（只能被驱动工作，图中②区域）组成，如表5.3.2.1所示：

这里的驱动/被动单元都是指连接了总线矩阵的部分，未连接总线矩阵的部分，则不算作驱动/被驱动单元。接下来我们介绍一下这些单元。

1. I Code 总线（I - Bus）

这是Cortex M3内核的指令总线，连接闪存指令接口（如：FLASH），用于获取指令。由于该总线功能单一，并没有直接连接到总线矩阵，因此被排除在驱动单元之外。

2. D Code 总线（D - Bus）

这是Cortex M3内核的数据总线，连接闪存存储器数据接口（如：SRAM、FLASH等），用于各种数据访问，如常量、变量等。

3. 系统总线（S - Bus）

这是Cortex M3内核的系统总线，连接所有外设（如：GPIO、SPI、IIC、TIM等），用于控制各种外设工作，如配置各种外设相关寄存器等。

4. DMA 总线

DMA是直接存储访问控制器，可以实现数据的自动搬运，整个过程不需要CPU处理。如可以实现DMA传输内存数据到DAC，输出任意波形，传输过程不需要CPU参与，可以大大节省CPU

支，从而更高效的处理事务。STM32F103ZET6内部有2个DMA控制器，可以实现内存到外设、外设到内存、内存到内存的数据传输。

5. 内部 FLASH

内部FLASH即单片机的硬盘，用于代码/数据存储，CPU通过ICode总线经FLASH接口访问内部FLASH，FLASH最高访问速度是24Mhz，因此以72M速度访问时，需要插入2个时钟周期延迟。

6. 内部 SRAM

内部SRAM即单片机的内存，用于数据存储，直接挂载在总线矩阵上面，CPU通过DCode总线实现0等待延时访问SRAM，最快总线频率可达72Mhz，从而保证高效高速的访问内存。

7. FSMC

FSMC即灵活的静态存储控制器，实际上就是一个外部总线接口，可以用来访问外部SRAM、

NAND/NOR FLASH、LCD等。它也是直接挂在总线矩阵上面的，以方便CPU快速访问外挂器件。

8. AHB/APB 桥

AHB总线连接总线矩阵，同时通过2个APB桥连接APB1和APB2，AHB总线速度最大为

72Mhz，APB2总线速度最大也是72Mhz，但是APB1总线速度最大只能是36Mhz。这三个总线上面挂载了STM32内部绝大部分外设。

9. 总线矩阵

总线矩阵协调内核系统总线和DMA主控总线之间的访问仲裁，仲裁利用轮换算法，保证各个总线之间的有序访问，从而确保工作正常。

3、存储器映射

STM32是一个32位单片机，他可以很方便的访问4GB以内的存储空间（2^32 = 4GB），因此

Cortex M3内核将图5.3.2.1中的所有结构，包括：FLASH、SRAM、外设及相关寄存器等全部组织在同一个4GB的线性地址空间内，我们可以通过C语言来访问这些地址空间，从而操作相关外设（读/写）。数据字节以小端格式（小端模式）存放在存储器中，数据的高字节保存在内存的高地址中，而数据的低字节保存在内存的低地址中。

存储器本身是没有地址信息的，我们对存储器分配地址的过程就叫存储器映射。这个分配一般由芯片厂商做好了，ST将所有的存储器及外设资源都映射在一个4GB的地址空间上（8个块），从而可以通过访问对应的地址，访问具体的外设。其映射关系如图5.3.3.1所示：

ST将4GB空间分成8个块，每个块512MB，如上图所示，从图中我们可以看出有很多保留区域（Reserved），这是因为一般的芯片制造厂家是不可能把4GB空间用完的，同时，为了方便后续型号升级，会将一些空间预留（Reserved）。

4、寄存器映射

给存储器分配地址的过程叫存储器映射，寄存器是一类特殊的存储器，它的每个位都有特定的功能，可以实现对外设/功能的控制，给寄存器的地址命名的过程就叫寄存器映射。

举个简单的例子，大家家里面的纸张就好比通用存储器，用来记录数据是没问题的，但是不会有具体的动作，只能做记录，而你家里面的电灯开关，就好比寄存器了，假设你家有8个灯，就有8个开关（相当于一个8位寄存器），这些开关也可以记录状态，同时还能让电灯点亮/关闭，是会产生具体动作的。为了方便区分和使用，我们会给每个开关命名，比如厨房开关、大厅开关、卧室开关等，给开关命名的过程，就是寄存器映射。

当然STM32内部的寄存器有非常多，远远不止8个开关这么简单，但是原理是差不多的，每个寄存器的每一个位，一般都有特定的作用，涉及到寄存器描述，大家可以参考《STM32F10XXX

参考手册（中文版）_V10.pdf》相关章节的寄存器描述部分，有详细的描述。

A.寄存器描述解读

我们以GPIO的ODR寄存器为例，其参考手册的描述如图

① 寄存器名字

每个寄存器都有一个对应的名字，以简单表达其作用，并方便记忆，这里GPIOx_ODR

表示寄存器英文名，x可以从A~E，说明有5个这样的寄存器（每个端口有一个，事实上最新的STM32F103型号，可能还有F,G等端口，IO数量更多）。

② 寄存器偏移量及复位值

地址偏移量表示相对该外设基地址的偏移，比如GPIOB，我们由图可知其外设基地址是：0x4001 0C00。那么GPIOB_ODR寄存器的地址就是：0x4001 0C0C。知道了外设基地址和地址偏移量，我们就可以知道任何一个寄存器的实际地址。

复位值表示该寄存器在系统复位后的默认值，可以用于分析外设的默认状态。这里全部是0。

③ 寄存器位表

描述寄存器每一个位的作用（共32bit），这里表示ODR寄存器的第15位（bit），位名字为ODR15，rw表示该寄存器可读写（r，可读取；w，可写入）。

④ 位功能描述

描述寄存器每个位的功能，这里表示位 0~15，对应ODR0~ODR15，每个位控制一个IO

口的输出状态。

其他寄存器描述，参照以上方法解读接口。

B、寄存器映射举例

从前面的学习我们知道 GPIOB_ODR 寄存器的地址为：0x4001 0C0C，假设我们要控制 GPIOB 的 16 个 IO 口都输出 1，则可以写成：

*(unsigned int *)(0x40010C0C) = 0XFFFF;

这里我们先要将 0x4001 0C0C 强制转换成 unsigned int 类型指针，然后用*对这个指针的值进行设置，从而完成对 GPIOB_ODR 寄存器的写入。

这样写代码功能是没问题，但是可读性和可维护性都很差，使用起来极其不便，因此我们将代码改为：

#define GPIOB_ODR *(unsigned int *)(0x40010C0C) 

GPIOB_ODR = 0XFFFF;

这样，我们就定义了一个 GPIOB_ODR 的宏，来替代数值操作，很明显，GPIOB_ODR 的可读性和可维护性，比直接使用数值操作来的直观和方便。这个宏定义过程就可以称之为寄存器的映射。

当然，为了简单，我们只举了一个简单实例，实际上大量寄存器的映射，使用结构体是最方便的方式，stm32f103xe.h 里面使用结构体方式对 STM32F103 的寄存器做了详细映射，等下我们再介绍。

5、寄存器地址计算

STM32F103大部分外设寄存器地址都是在存储块2上面的，见图5.3.3.1。具体某个寄存器地址，由三个参数决定：1、总线基地址（BUS_BASE_ADDR）；2，外设基于总线基地址的偏移量（PERIPH_OFFSET）；3，寄存器相对外设基地址的偏移量（REG_OFFSET）。可以表示为：

寄存器地址 = BUS_BASE_ADDR + PERIPH_OFFSET + REG_OFFSET

总线基地址（BUS_BASE_ADDR），STM32F103内部有三个总线（APB1、APB2和AHB）

举个例子：
上表的偏移量，就是寄存器基于外设基地址的偏移量（REG_OFFSET）。因此，我们根据前面的公式，很容易可以计算出GPIOB_ODR的地址：

GPIOB_ODR地址 = APB2总线基地址 + GPIOB外设偏移量 + 寄存器偏移量