单片机：STM32F103的架构

STM32F103是STMicroelectronics推出的一款基于ARM Cortex-M3内核的32位微控制器（MCU），属于STM32F1系列，广泛应用于工业控制、汽车电子、消费电子等领域。以下是对STM32F103架构的详细介绍，涵盖其核心、存储器、总线、外设及关键特性，旨在提供全面且清晰的说明。

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1. 总体架构概述

STM32F103采用ARM Cortex-M3内核，结合ST的定制化外设和存储器架构，形成高效的嵌入式系统。其架构可以分为以下几个主要部分：

• 核心：Cortex-M3处理器，32位RISC架构，主频最高72MHz。
• 存储器：Flash、SRAM和寄存器，支持程序存储和数据处理。
• 总线系统：多层AHB总线和APB总线，连接核心与外设。
• 外设：丰富的外设模块，如GPIO、UART、SPI、I2C、CAN、ADC等。
• 时钟与电源管理：灵活的时钟树和低功耗模式。

下图为STM32F103的简化架构框图（文字描述）：

Cortex-M3 Core <-> NVIC <-> AHB System Bus
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Flash/SRAM <-> AHB <-> DMA <-> Peripherals (APB1/APB2)
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Clock (RCC) <-> Power Management

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2. 核心：ARM Cortex-M3

STM32F103的核心是ARM Cortex-M3，这是一个专为嵌入式应用设计的32位RISC处理器，具有以下特性：

• 指令集：支持Thumb-2指令集，兼顾高性能和代码密度。
• 主频：最高72MHz（通过PLL倍频，基于8MHz外部晶振或内部RC振荡器）。
• 流水线：3级流水线（取指、解码、执行），提高指令执行效率。
• 中断管理：嵌套向量中断控制器（NVIC）：
  • 支持多达60个中断通道（具体数量因型号而异）。
  • 可配置中断优先级（4位抢占优先级，4位子优先级）。
  • 支持快速中断响应（12周期中断进入延迟）。
• 调试支持：
  • 集成JTAG/SWD接口，支持实时调试和跟踪。
  • 包含数据观察点和断点单元（DWT、ITM）。
• 哈佛架构：指令和数据总线分离，提高并行处理能力。

性能：Cortex-M3提供1.25 DMIPS/MHz的性能，STM32F103在72MHz下可达90 DMIPS。

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3. 存储器架构

STM32F103的存储器系统包括以下部分：

• Flash存储器：
  • 用于存储程序代码和常量。
  • 容量：根据型号不同，常见为64KB（STM32F103C8T6）、128KB（STM32F103RBT6）至512KB（STM32F103ZET6）。
  • 支持页面擦除和编程，页面大小为1KB或2KB。
  • 包含选项字节（Option Bytes），用于配置读保护、写保护等。
• SRAM：
  • 用于运行时数据存储（如变量、堆栈）。
  • 容量：20KB（C8T6）、48KB（ZET6）等，具体因型号而异。
  • 支持零等待周期访问（在72MHz下）。
• 备份寄存器：
  • 42字节备份寄存器，用于掉电后保存关键数据（需VBAT供电）。
• 存储器映射：
  • 地址空间分为多个区域（基于ARM Cortex-M3标准）：
    • 0x0000_0000 - 0x1FFF_FFFF：代码区（Flash或SRAM映射）。
    • 0x2000_0000 - 0x2000_FFFF：SRAM区。
    • 0x4000_0000 - 0x5FFF_FFFF：外设寄存器区（APB1、APB2、AHB）。
    • 0xE000_0000 - 0xE00F_FFFF：Cortex-M3内部外设（如NVIC、SysTick）。
• 启动模式：
  • 支持从Flash、SRAM或系统存储器启动，通过BOOT引脚配置。

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4. 总线系统

STM32F103采用**多层AHB（Advanced High-performance Bus）和APB（Advanced Peripheral Bus）**总线架构，确保高效的数据传输和外设访问：

• AHB总线：
  • 高性能总线，连接Cortex-M3核心、存储器和DMA控制器。
  • 支持32位数据传输，运行在系统时钟（最高72MHz）。
  • 包含多个AHB矩阵，允许并行访问（如核心访问Flash时，DMA访问SRAM）。
• APB总线：
  • 分为APB1（低速，最高36MHz）和APB2（高速，最高72MHz）。
  • APB1连接低速外设（如I2C、UART2-5、CAN）。
  • APB2连接高速外设（如GPIO、SPI1、USART1、ADC）。
• DMA（Direct Memory Access）：
  • STM32F103提供1或2个DMA控制器（型号相关），每个控制器支持7或12通道。
  • 支持存储器到存储器、存储器到外设、外设到存储器传输。
  • 减轻CPU负担，适合高吞吐量任务（如ADC数据采集、UART数据传输）。

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5. 外设模块

STM32F103集成了丰富的片上外设，增强了其应用灵活性：

• GPIO（通用输入输出）：
  • 多达80个GPIO引脚（视封装而定，如LQFP48、LQFP64）。
  • 支持多种模式：输入、输出、复用功能、模拟输入。
  • 可配置上拉/下拉电阻、推挽/开漏输出。
• 定时器：
  • 4个通用定时器（TIM2-TIM5），支持PWM、输入捕获、输出比较等。
  • 1个高级定时器（TIM1），适合电机控制。
  • 2个基本定时器（TIM6-TIM7），用于DAC触发或简单计时。
  • 2个看门狗（独立看门狗IWDG、窗口看门狗WWDG）。
• 通信接口：
  • USART/UART：3-5个串口（型号相关），支持异步通信，最高4.5Mbps。
  • SPI：1-2个SPI接口，支持主/从模式，最高18Mbps。
  • I2C：1-2个I2C接口，支持标准/快速模式（100/400kHz）。
  • CAN：1个bxCAN控制器，支持CAN 2.0A/B协议，最高1Mbps。
  • USB：1个全速USB 2.0接口（12Mbps），支持设备模式。
• 模拟外设：
  • ADC：2个12位ADC，最高1Msps，支持多达16个通道。
  • DAC：部分型号支持2通道12位DAC。
  • 温度传感器：内置，连接到ADC通道。
• RTC（实时时钟）：
  • 支持日历、闹钟功能，使用32.768kHz外部晶振或内部RC振荡器。
• CRC单元：
  • 硬件计算循环冗余校验，用于数据完整性验证。

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6. 时钟与电源管理

• 时钟系统（RCC）：
  • 时钟源：
    • HSE（外部高速晶振，4-16MHz，典型8MHz）。
    • HSI（内部8MHz RC振荡器）。
    • LSE（外部32.768kHz晶振，用于RTC）。
    • LSI（内部40kHz RC振荡器，用于IWDG）。
  • PLL：倍频HSE/HSI，最高输出72MHz。
  • 时钟分配：
    • 系统时钟（SYSCLK）：最高72MHz，供CPU和AHB使用。
    • APB1时钟：最高36MHz。
    • APB2时钟：最高72MHz。
    • ADC时钟：最高14MHz（由APB2分频）。
• 电源管理：
  • 工作电压：2.0V-3.6V（主电源VDD）。
  • 备份电源（VBAT）：1.8V-3.6V，用于RTC和备份寄存器。
  • 低功耗模式：
    • 睡眠模式：仅CPU停止，外设和中断仍工作。
    • 停止模式：所有时钟停止，SRAM和寄存器内容保留。
    • 待机模式：最低功耗，仅备份域工作。

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7. 关键特性与优势

• 高性能：Cortex-M3内核结合72MHz主频，提供强大的计算能力。
• 低成本：STM32F103C8T6（64KB Flash）价格低廉，适合入门和量产。
• 丰富外设：支持多种通信协议和模拟功能，满足多样化需求。
• 灵活性：多种封装（LQFP48/64/100等）和存储容量，适应不同应用。
• 开发支持：
  • ST提供STM32CubeMX和HAL库，简化外设配置。
  • 支持多种IDE（STM32CubeIDE、Keil、IAR）。
  • 丰富的社区资源和开发板（如“蓝板”、正点原子）。

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8. 型号差异

STM32F103系列根据Flash容量、引脚数和外设配置分为多种型号：

• 低密度：如STM32F103C8T6（64KB Flash，48引脚）。
• 中密度：如STM32F103RBT6（128KB Flash，64引脚）。
• 高密度：如STM32F103ZET6（512KB Flash，144引脚）。
• 差异点：
  • Flash/SRAM容量。
  • 外设数量（如UART、SPI、ADC通道数）。
  • 引脚数和封装类型（LQFP、BGA等）。

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9. 典型应用场景

• 工业控制：PLC、传感器数据采集。
• 汽车电子：CAN总线通信、仪表控制。
• 消费电子：智能家居、无人机。
• 医疗设备：便携式监测仪。
• 通信设备：USB/UART接口模块。

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10. 学习资源

• 官方文档：
  • STM32F103参考手册：详细描述寄存器和外设。
  • Cortex-M3技术参考手册：核心架构说明。
• 教程：
  • 正点原子、野火的STM32F1开发指南。
  • ST社区论坛和STM32CubeMX教程。
• 工具：
  • STM32CubeMX：生成初始化代码。
  • STM32CubeIDE：开发和调试环境。

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11. 总结

STM32F103的架构以ARM Cortex-M3为核心，结合多层AHB/APB总线、丰富的外设和灵活的存储器系统，提供了高性能、低成本的嵌入式解决方案。其核心特点包括高效的指令执行、强大的中断管理、多种通信接口和低功耗设计。理解其架构有助于开发者优化代码、配置外设和设计高效应用。