淺談STM32芯片的存儲結(jié)構(gòu)

一、前言

本篇介紹STM32芯片的存儲結(jié)構(gòu)，ARM公司負(fù)責(zé)提供設(shè)計內(nèi)核，而其他外設(shè)則為芯片商設(shè)計并使用，ARM收取其專利費用而不參與其他經(jīng)濟活動，半導(dǎo)體芯片廠商拿到內(nèi)核授權(quán)后，根據(jù)產(chǎn)品需求，添加各類組件，生產(chǎn)芯片售賣。圖1為STM32的組成示意圖，其中Cortex-M3內(nèi)核、調(diào)試系統(tǒng)都是ARM公司設(shè)計，內(nèi)部總線、外設(shè)、存儲、時鐘復(fù)位等都由ST公司開發(fā)?？梢悦黠@看出總線是cpu、內(nèi)存、外設(shè)傳遞信息的公用通道，芯片上的各個部件通過總線相連接。

圖1 STM32芯片簡要結(jié)構(gòu)圖

內(nèi)核通過總線訪問各個外設(shè)，現(xiàn)在通往外設(shè)的“路”已經(jīng)鋪好，還需要規(guī)定各個外設(shè)的“門牌號”，以便精準(zhǔn)控制每個外設(shè)。ARM Cortex-M3系列的處理器，采用存儲器與I/O設(shè)備（外設(shè)）統(tǒng)一編址的方式，將部分存儲器地址范圍用于外設(shè)，這種通過存儲器地址訪問外設(shè)的方式，稱為存儲器地址映射。

二、內(nèi)核存儲結(jié)構(gòu)

圖2 存儲結(jié)構(gòu)框架

以Cortex‐M3內(nèi)核為例，對于32位的處理器，可尋址的范圍為2^32字節(jié)，即2^32= 4 × 1024 × 1024 × 1024 = 4GB，也就是0x00000000至0xFFFFFFFF。ARM將這4G空間從低地址到高地址依次劃分為代碼區(qū)（Code）、片上SRAM區(qū)（SRAM）、片上外設(shè)（Peripheral）、片外RAM（External RAM）、片外外設(shè)（External Device）和系統(tǒng)級（System level），程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、寄存器和 I/O 端口排列在同一個順序的 4 GB 地址空間內(nèi)。各字節(jié)按小端格式在存儲器中編碼。字中編號最低的字節(jié)被視為該字的最低有效字節(jié)，而編號最高的字節(jié)被視為最高有效字節(jié)。

圖3 Cortex‐M3存儲結(jié)構(gòu)

從圖3中可見，不像其它的 ARM 架構(gòu)，它們的存儲器映射由半導(dǎo)體廠家說了算，Cortex‐M3 預(yù)先定義好了“粗線條的”存儲器映射。通過把片上外設(shè)的寄存器映射到外設(shè)區(qū)，就可以簡單地以訪問內(nèi)存的方式來訪問這些外設(shè)的寄存器，從而控制外設(shè)的工作。結(jié)果，片上外設(shè)可以使用C語言來操作。這種預(yù)定義的映射關(guān)系，也使得對訪問速度可以做高度的優(yōu)化，而且對于片上系統(tǒng)的設(shè)計而言 更易集成（還有一個重要的，不用每學(xué)一種不同的單片機就要熟悉一種新的存儲器映射）。

Cortex‐M3的內(nèi)部擁有一個總線基礎(chǔ)設(shè)施，專用于優(yōu)化對這種存儲器結(jié)構(gòu)的使用。在此之上， Cortex‐M3甚至還允許這些區(qū)域之間“越權(quán)使用”。比如說，數(shù)據(jù)存儲器也可以被放到代碼區(qū)，而且代碼也能夠在外部 RAM 區(qū)中執(zhí)行。

處于最高地址的系統(tǒng)級存儲區(qū)，是Cortex‐M3用于藏“私房錢”的——包括中斷控制器、MPU 以及各種調(diào)試組件。 所有這些設(shè)備均使用固定的地址。 通過把基礎(chǔ)設(shè)施的地址定死，就至少在內(nèi)核水平上，為應(yīng)用程序的移植掃清了障礙。 因此使用該內(nèi)核的設(shè)計者必須按照這個進行各自芯片的存儲器結(jié)構(gòu)設(shè)計。 這一點極大地方便了軟件在各種Cortex‐M3 單片機間的移植。 舉個簡單的例子，各款 Cortex‐M3單片機的NVIC 和 MPU 都在相同的位置布設(shè)寄存器，使得它們變得通用。 盡管如此，Cortex‐M3定出的條條框框是粗線條的，它依然允許芯片制造商靈活地分配存儲器空間，以制造出各具特色的單片機產(chǎn)品。

存儲空間的一些位置用于調(diào)試組件等私有外設(shè)，這個地址段被稱為“私有外設(shè)區(qū)”。 私有外設(shè)區(qū)的組件包括：閃存地址重載及斷點單元(FPB)、數(shù)據(jù)觀察點單元(DWT)、指令跟蹤宏單元(ITM)、嵌入式跟蹤宏單元(ETM)、跟蹤端口接口單元(TPIU) 、ROM 表。

Cortex‐M3的地址空間是 4GB, 程序可以在代碼區(qū)，內(nèi)部 SRAM 區(qū)以及外部 RAM 區(qū)中執(zhí)行。 但是因為指令總線與數(shù)據(jù)總線是分開的，最理想的是把程序放到代碼區(qū)，從而使取指和數(shù)據(jù)訪問各自使用自己的總線，并行不悖。

讓我們先看一看這 4GB 的粗線條劃分：

圖4 Cortex‐M3預(yù)定義的存儲映射

內(nèi)部 SRAM 區(qū)的大小是 512MB，用于讓芯片制造商連接片上的 SRAM，這個區(qū)通過系統(tǒng)總線來訪問。 在這個區(qū)的下部，有一個 1MB 的位帶區(qū)，位帶區(qū)就是可以按bit去訪問存儲的字節(jié)地址的內(nèi)容。 該位帶區(qū)還有一個對應(yīng)的32MB 的“位帶別名(alias)區(qū)”，容納了 8M 個“位變量”（對比 8051 的只有 128 個位）。 位帶區(qū)對應(yīng)的是最低的 1MB 地址范圍，而位帶別名區(qū)里面的每個字對應(yīng)位帶區(qū)的一個比特。 位帶操作只適用于數(shù)據(jù)訪問，不適用于取指。 通過位帶的功能，可以把多個布爾型數(shù)據(jù)打包在單一的字中，卻依然可以從位帶別名區(qū)中，像訪問普通內(nèi)存一樣地使用它們，位帶別名區(qū)中的訪問操作是原子的。

地址空間的另一個 512MB 范圍由片上外設(shè)（的寄存器）使用。 這個區(qū)中也有一條32MB的位帶別名，以便于快捷地訪問外設(shè)寄存器。 例如，可以方便地訪問各種控制位和狀態(tài)位。

要注意的是，外設(shè)內(nèi)不允許執(zhí)行指令。 還有兩個 1GB的范圍，分別用于連接外部 RAM 和外部設(shè)備，它們之中沒有位帶。 兩者的區(qū)別在于外部 RAM 區(qū)允許執(zhí)行指令，而外部設(shè)備區(qū)則不允許。

最后還剩下 0.5GB 的私有空間，Cortex‐M3內(nèi)核的專有外設(shè)就在這里面，包括了系統(tǒng)級組件，內(nèi)部私有外設(shè)總線，外部私有外設(shè)總線，以及由內(nèi)核提供者定義的系統(tǒng)外設(shè)。

三、芯片存儲映射

ARM公司只是大概的規(guī)定了存儲器空間的映射，允許各芯片廠商在指定范圍內(nèi)自行定義和使用這些存儲空間，未分配的空間為保留的地址空間。

STM32的存儲器結(jié)構(gòu)和Cortex-M3的很相似，不同的是，STM32加入了很多實際的東西，如：Flash、SRAM，片上外設(shè)等。 只有加入了這些東西，才能成為一個擁有實際意義的、可以工作的處理芯片。 可尋址的存儲空間分為 8 個主要塊，每個塊為 512 MB。 未分配給片上存儲器和外設(shè)的所有存儲區(qū)域均視為“保留區(qū)”。

我們對比一下Cortex-M3存儲器結(jié)構(gòu)和STM32存儲器結(jié)構(gòu)：

圖5 Cortex‐M3和STM32存儲結(jié)構(gòu)對比

STM32在ARM規(guī)定的基礎(chǔ)上，將4G空間分為了Block0、Block1、Block2、……、Block7，共8塊，每塊大小為512MB。

圖6 STM32的存儲映射

0x0000 0000 ~ 0x1FFF FFFF(512MB)：作為代碼區(qū)，存默認(rèn)的向量表，用于存放下載的代碼。 系統(tǒng)上電后，將從該部分讀取代碼；

0x2000 0000 ~ 0x3FFF FFFF(512MB)：作為SRAM區(qū)，用于存放運行代碼。 系統(tǒng)上電后，將從Flash讀取代碼，放到SRAM里，CPU再從SRAM讀取代碼運行；

0x4000 0000 ~ 0x5FFF FFFF(512MB)：作為片上外設(shè)區(qū)，用于存放廠商外設(shè)寄存器。 如USART，I2C等，要操作外設(shè)，即修改這里對應(yīng)的外設(shè)寄存器；

0x6000 0000 ~ 0x9FFF FFFF(1GB)：作為片外RAM，用于擴展RAM。 當(dāng)SRAM或者Flash不夠用時，MCU通過FSMC外接其它IC芯片，則在這個地址范圍讀寫IC芯片數(shù)據(jù)；

0xA000 0000 ~ 0xDFFF FFFF(1GB)：作為片外外設(shè)區(qū)，用于讀寫擴展IC芯片的寄存器。 ST只用了這里的一半空間，另外一空間未使用；

0xE000 0000 ~ 0xFFFF FFFF(512MB)：作為內(nèi)核外設(shè)區(qū)，用于存放Cortex-M3內(nèi)核的內(nèi)部外設(shè)。 CortexM3內(nèi)核的內(nèi)部外設(shè)有NVIC、Systick等；

SRAM的理解比較簡單，其作用是用來存取各種動態(tài)的輸入輸出數(shù)據(jù)、中間計算結(jié)果以及與外部存儲器交換的數(shù)據(jù)和暫存數(shù)據(jù)。 設(shè)備斷電后，SRAM中存儲的數(shù)據(jù)就會丟失。 不同類型的STM32單片機的SRAM大小是不一樣的，但是它們的起始地址都是0x2000 0000，終止地址都是0x2000 0000+其固定的容量大小。

我們的程序和常量是存儲在Flash中的，調(diào)試模式下也可以看出PC指針始終指向0x0800 0000后面的Flash區(qū)域。

四、總結(jié)

本篇對STM32芯片內(nèi)部的存儲結(jié)構(gòu)框架進行了整體的概述，主要是要對STM32芯片大致的存儲結(jié)構(gòu)有一個初步的了解，重點是明確片上的FLASH和RAM地址，有助于理解實際代碼存儲和運行的空間位置。 而諸如STM32的片上外設(shè)各個寄存器地址，可以詳細(xì)的去參考具體的芯片手冊獲取各個外設(shè)具體的寄存器相關(guān)內(nèi)容。