单片机的身体和心脏

只看该作者 · 2023-2-14 10:18

STM32，大家比较熟悉，是ST公司推出的32位单片机系列。

官方的说明是：

基于ARM® Cortex® 内核的 32位微控制器和微处理器STM32产品家族，为MCU和MPU用户开辟了一个全新的自由开发空间，并提供了各种易于上手的软硬件辅助工具。

STM32 MCU和MPU融高性能、实时性、数字信号处理、低功耗、低电压于一身，同时保持高集成度和开发简易的特点。

业内最强大的产品阵容，基于工业标准的处理器，大量的软硬件开发工具，让STM32成为各类中小项目和完整平台解决方案的理想选择。

ST是公司简称，全称为意法半导体（STMicroelectronics）集团，于1987年6月成立，是由意大利的SGS 微电子公司和法国Thomson 半导体公司合并而成。1998年5月，SGS-THOMSON Microelectronics 将公司名称改为意法半导体有限公司,意法半导体是世界最大的半导体公司之一。从成立之初至如今，ST 的增长速度超过了半导体工业的整体增长速度。自1999年起，ST 始终是世界十大半导体公司之一。

M是MCU的缩写，代表STM32为单片机芯片。

32则表示该系列为32位单片机。

STM32功能强大、性能优异、片上资源丰富、功耗低，是一款经典的嵌入式微控制器，常应用在嵌入式领域，如智能车、四轴飞行器、机器人、无线通信、物联网、工业控制、娱乐电子产品等。

按内核架构分为不同产品：主流产品（STM32F0、STM32F1、STM32F3）、超低功耗产品（STM32L0、STM32L1、STM32L4、STM32L4+）、高性能产品（STM32F2、STM32F4、STM32F7、STM32H7）。

下面再来说一下什么是ARM9。

要说ARM9，需要先来说一下ARM。ARM是什么呢？ARM是一家公司，也指代一个处理器内核。

英国ARM公司是全球领先的半导体知识产权（IP）提供商。全世界超过95%的智能手机和平板电脑都采用ARM架构。ARM设计了大量高性价比、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。

ARM 公司是专门从事基于RISC 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。全世界有几十家大的半导体公司都使用ARM公司的授权，因此既使得ARM 技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。

ARM处理器是英国ARM公司设计的低功耗成本的第一款RISC微处理器。全称为Advanced RISC Machine。ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集，一般来讲比等价32位代码节省达35%，却能保留32位系统的所有优势。

ARM处理器的三大特点是：耗电少功能强、16位/32位双指令集和合作伙伴众多。

这里简单介绍一下RISC。

RISC就是精简指令集计算机（Reduced　Instruction　Set　Computer），RISC结构优先选取使用频最高的简单指令，避免复杂指令；将指令长度固定，指令格式和寻址方式种类减少；以控制逻辑为主，不用或少用微码控制等。

与之对应的就是CISC（Complex　Instruction　Set　Computer，复杂指令集计算机），在CISC指令集的各种指令中，大约有20%的指令会被反复使用，占整个程序代码的80%。而余下的指令却不经常使用，在程序设计中只占20%。

下面继续说回ARM处理器。

ARM微处理器在较新的体系结构中支持两种指令集：ARM指令集和Thumb指令集。其中，ARM指令为32位的长度，Thumb指令为16位长度。Thumb指令集为ARM指令集的功能子集，但与等价的ARM代码相比较，可节省30%～40%以上的存储空间，同时具备32位代码的所有优点。

而ARM9处理器是ARM处理器的一个系列，算是主流嵌入式处理器，主要包括ARM9TDMI和ARM9E-S等系列。

ARM9采用哈佛体系结构，指令和数据分属不同的总线，可以并行处理。在流水线上，ARM7是三级流水线，ARM9是五级流水线。由于结构不同，ARM7的执行效率低于ARM9。平时所说的ARM7、ARM9实际上指的是ARM7TDMI、ARM9TDMI软核，这种处理器软核并不带有MMU和cache，不能够运行诸如linux这样的嵌入式操作系统。而ARM公司对这种架构进行了扩展，所以有了ARM710T、ARM720T、ARM920T、ARM922T等带有MMU和cache的处理器内核。

从上面的介绍可以看出，ARM9是处理器核心，可以看做是芯片的心脏；而STM32是一个系列的单片机型号，是芯片IC本身。

那么，单片机都拥有哪些核心呢？

最早的单片机时51核的，后期出现了AVR、ARM、PIC、Power PC、RISCV等内核。不同的内核具有不同的架构和指令集，对应的汇编语言指令就会有区别。

单片机的内核架构主要是哈佛架构和冯诺依曼架构（又叫普林斯顿架构）。HARVARD(哈佛)架构：ROM(程序空间)与RAM(数据空间)分开，便于程序与数据的同时访问，减少程序运行时访问的瓶颈，提高数据吞吐。PRINCETON(普林斯顿)架构：采用通用计算机广泛使用的ROMRAM合二为一的方式，就是众所周知的冯诺依曼结构，程序指令存储地址和数据指令存储地址指向同一存储器不同位置，因此程序指令和数据的宽度相同。

STM32单片机使用的是ARM核，ARM核使用的是哈佛架构。

ARM处理器包括了ARM7、ARM9、ARMCortex等系列。其中ARMCORTEX不是代表更高端，而是一个全新的系列，CORTEX分三个系列：A系列，R系列，M系列。A系列是面向应用的，如苹果公司的iphone4就是cortexA8架构的，但是A系列的底层嵌入式开发难度很大，国内很少有公司有实力开发ARM A系列处理器并采用；在R系列里，实时性高，多用于汽车电子和特殊行业，并且在实际开发中很少遇到；M系列终端快，多应用于机械加工领域，典型的产品有M0,M3,M4，其中M0是为了抢占传统的51单片机市场，M3是为了取代ARM7，M4在M3的基础上增加了DSP和MPU,这是为了与低端的DSP处理器竞争。

STM32单片机使用的就是ARM Cortex-M系列内核，包括M0、M0+、M3、M4、M7等。