基于stm32内部功能经验分享

1万 · 2023-5-11 10:01

本文将提到以下内容：

位带操作
中断
printf重定向
随机数发生器RNG
AD/DA
DMA
高性能计算能力
加密
ART加速

一、位带操作
　　在学习51单片机的时候就使用过位操作，通过关键字sbit对单片机IO口进行位定义。但是stm32没有这样的关键字，而是通过访问位带别名区来实现，即将每个比特位膨胀成一个32位字，通过位带别名区指针指向位带区内容。

　　支持位带操作的两个内存区的范围是：
            0x2000_0000‐0x200F_FFFF（SRAM 区中的最低 1MB）
            0x4000_0000‐0x400F_FFFF（片上外设区中的最低 1MB）

   位带别名区地址=（A&0xF0000000）+0x2000000+(A&0xFFFFF)<<5+(n≤2)

　　其中A为位带区地址，n为该字节的第几位。

   这里再不嫌啰嗦地举一个例子：
   1. 在地址 0x20000000 处写入 0x3355AACC
   2. 读取地址0x22000008。本次读访问将读取 0x20000000，并提取比特 2，值为 1。
   3. 往地址 0x22000008 处写 0。本次操作将被映射成对地址 0x20000000 的“读－改－写”操作（原子的），把比特2 清 0。
   4. 现在再读取 0x20000000，将返回 0x3355AAC8（bit[2]已清零）。

　　注：如果用到位带操作，可以把各个引脚进行位带宏定义，封装在一个头文件里，方便使用引脚。

1万 · 2023-5-11 10:01

二、中断

　　中断其实就是当CPU执行程序时，由于发生了某种随机的事件（外部或内部），引起CPU暂时中断正在运行的程序，转去执行一段特殊的服务程序（中段子程序）。下面是中断的示意图。

部分中断可屏蔽，部分中断不可屏蔽，每个中断通道都具备自己的中断优先级控制字，分别控制抢占优先级和响应优先级。只有当抢占优先级相同时，响应优先级高低决定哪个中断被处理（响应式优先级的高低没法中断正在执行的中断程序）。

　　stm32中的NVIC（嵌套向量中断控制器）属于内核的一个外设，控制着芯片的中断相关功能。

　　注：中断和事件的区别：

　　可以这样简单的认为，事件机制提供了一个完全有硬件自动完成的触发到产生结果的通道，不要软件的参与，降低了CPU的负荷，节省了中断资源，提高了响应速度(硬件总快于软件)，是利用硬件来提升CPU芯片处理事件能力的一个有效方法。

三、printf重定向

　　我们知道C语言中printf函数默认输出设备是显示器，如果要实现在串口或者LCD上显示，必须重定义标准库函数里调用与输出设备相关的函数。一般是在fputc函数里把输出对象改为指向串口或者LCD，这一过程叫做重定向。

四、随机数发生器RNG

　　STM32F4芯片内部含有一个硬件随机数发生器（RNG），RNG处理器是一个以连续模拟噪声为基础的随机数发生器，提供了一个32位的随机数。使能后，需要检查标志位，判断其是否稳定，稳定后才能使用。

五、AD/DA

　　STM32的ADC模块，请允许我用如此通俗的语言：普通话  来介绍STM32ADC模块的特色

   1、1MHz转换速率、12位转换结果（12位、记住这个12位哈、因为2^12=4096 ，也请记住4096哈）

         STM32F103系列：在56MHz时转换时间为：1μs

                                       在72MHz时转换时间为：1.17μs

   2、转换范围：0～3.3V  （3.3v---->当你需要将采集的数据用电压来显示的话：设你采集的数据为：x[0~4095],此时的计算公式就为：(x / 4096) * 3.3））

   3、ADC供电要求：2.4V～3.6 V（可千万别接到 5V 的石榴裙子底下呀）

   4、ADC输入范围：VREF-≤ VIN ≤VREF+ (VREF+和VREF-只有LQFP100封装才有)

   5、双重模式(带2个ADC的设备): 8种转换模式

   6、最多有18个通道：16个外部通道，2个内部通道：连接到温度传感器和内部参考电压(VREFINT = 1.2V)。通道可以分为规则通道和注入通道，其中规则通道组最多有16路，是一种规规矩矩的通道，具有DMA功能，而注入通道组最多有4路，转换过程中可以中断，还可以在规则通道转换过程中插队。

　　其转换步骤如下：
使能端口时钟和ADC时钟
设置ADC通道控制器CCR（ADC模式（独立、双重、三重）、输入时钟分频等）
初始化ADC（分辨率、转换模式（单次、连续）、数据对齐方式等）
开启ADC
读取ADC转换值

　　测交流电信号要把交流电分压到5V 以内，再把负半周提升到零点以上，用运放做一个加法器（有专用交流电检测用的高精度运放，好像是MCP的），把零点抬高到2.5V，这样最低点也大于零，最高点不超过5V ，再用单片机在交流电一周期内采40个点，存入内存，计算出各离散值的均方根就是交流电的有效值。

　　或者把交流信号经（电压跟随器 +  全波整流），将负半周期信号反转到正半轴，得到半波交流信号，再用ADC进行测量。

　　我们来看看STM32之DAC的Resume(简历简介)：

● 2个DAC转换器：每个转换器对应1个输出通道

● 8位或者12位单调输出

● 12位模式下数据左对齐或者右对齐

● 同步更新功能

● 噪声波形生成

● 三角波形生成

● 双DAC通道同时或者分别转换

● 每个通道都有DMA功能

● 外部触发转换

● 输入参考电压VREF+

　　注：PWM+RC滤波可以模拟DAC的输出方式。

　　在对DAC的输出频率要求不是太高的情况下，我们一般可以采用PWM+二阶RC滤波来模拟DAC，进行输出。PWM的占空比来模拟幅值，二阶RC低通滤波电路用来截止谐波（一般只考虑基波即可），通过直流，具体详情如下：

      在8位分辨条件下，我们一般要求1次谐波对输出电压的影响不要超过1个位的精度，也就是3.3/256=0.01289V。假设VH为3.3V，VL为0V，那么一次谐波的最大值是2*3.3/π=2.1V，这就要求我们的RC滤波电路提供至少-20lg(2.1/0.01289)=-44dB的衰减。STM32的定时器最快的计数频率是168Mhz，部分定时器只有84MHz,以84M为例，8为分辨率的时候，PWM频率为84M/256=328.125Khz。如果是1阶RC滤波，则要求截止频率为2.07Khz，如果为2阶RC滤波，则要求截止频率为26.14Khz。

1、PWM频率为328.125Khz，那么一次谐波频率就是328.125Khz；
2、1阶RC滤波，幅频特性为：-10lg[1+(f/fp)^2]；fp为截止频率。
所以对一阶滤波来说，要达到-44dB的衰减，必须-10lg[1+(f/fp)^2]=-44；得到f/fp=158.486，即fp=328.125/158.486=2.07Khz。
3、2阶RC滤波，幅频特性为：-20lg[1+(f/fp)^2]；fp为截止频率。
所以对二阶滤波来说，要达到-44dB的衰减，必须-20lg[1+(f/fp)^2]=-44；得到f/fp=12.549，即fp=328.125/12.549=26.14Khz。

　　得到截止频率以后，我们可以紧接着求出R、C的值。如下图所示，R35*C68=R36*C69，fp=1/2πRC。

1万 · 2023-5-11 10:05

六、DMA　

　　DMA，全称为：Direct Memory Access，即直接存储器访问。DMA传输方式无需CPU 直接控制传输，也没有中断处理方式那样保留现场和恢复现场的过程，通过硬件为RAM 与I/O设备开辟一条直接传送数据的通路，能使CPU 的效率大为提高。

STM32F4中有两个DMA，每个DMA控制器对应8个数据流，每个数据流又对应8个通道，其映射图如下图所示。DMA挂载的时钟为AHB总线,其时钟为72Mhz，所以可以实现高速数据搬运。

DMA的结构框图如下图所示，可以看出DMA各数据流需要仲裁优先级，且拥有FIFO先进先出缓存区（解决目标地址和原地址数据宽度不一致的情况）。

七、高性能计算能力

　　如下图所示，stm32F4自带DSP处理器，我们可以采用DSP库函数进行浮点运算等计算问题。

　　我们平常所使用的CPU为定点CPU，意思是进行整点数值运算的CPU。当遇到形如1.1+1.1的浮点数运算时，定点CPU就遇到大难题了。对于32位单片机，利用Q化处理能发挥他本身的性能，但是精度和速度仍然不会提高很多。

　　现在设计出了一个新的CPU，叫做FPU，这个芯片专门处理浮点数的运算，这样处理器就将整点数和浮点数分开来处理，整点数交由定点CPU处理而浮点数交由FPU处理。我们见到过TI的DSP，还有STM32F4系列的带有DSP功能的微控制器。前者笔者没有用过，不作评论，而后者如果需要用到FPU的浮点运算功能，必须要进行一些必要的设置。

八、加密

　　采用加密处理器CRYP，下面是CRYP的结构框图。

　　加密算法有AES加解密算法、DES/TDES加解密算法等

九、ART加速

　　由于生产工艺的限制，当CPU主频显著提高时，Flash的存取速度却只能处于一个较低的水平。
STM32F4有存储器加速器（ART），可以使 CPU 频率高达 168 MHz 时在闪存中以 0 个等待周期执行程序。其秘密在于，STM32内部的Flash我记得是128bit的。这样每次读取时ART会把后面3条指令放到队列里。而Flash等待为5WS的话，每执行4条指令则必须停一次，再继续执行后4条指令。反正是性能跟同频的X86差不多顶个70%的样子（指Dothan处理器，纯逻辑运算）。

超频我最高测过250MHz，还算比较稳定，结果没出错。再高结果就不对了。

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