STM32单片机是基于ARM Cortex-M内核的32位微控制器，其核心架构由多个功能模块组成，以满足嵌入式系统的多样化需求。

1. 核心模块

• ARM Cortex-M内核

• STM32采用ARM Cortex-M系列内核（如M0/M3/M4/M7），负责指令执行、数据处理和系统控制。不同内核提供不同的性能和功能特性（如M4支持DSP指令和浮点运算）。

• 系统总线架构

• AHB（高级高性能总线）：连接高速外设（如Flash、SRAM）。

• APB（高级外设总线）：连接低速外设（如GPIO、UART）。

2. 存储模块

• Flash存储器

• 用于存储程序代码和常量数据，容量范围从16KB到2MB，支持多次擦写。

• SRAM（静态随机存取存储器）

• 用于运行时的数据存储，容量范围从6KB到1MB，访问速度极快。

3. 时钟模块

• 时钟源

• 内部振荡器（HSI/LSI）：提供系统时钟和低功耗时钟源。

• 外部晶振（HSE/LSE）：提供高精度时钟源（如32.768kHz用于RTC）。

• 时钟管理

• PLL（锁相环）：将输入时钟倍频，生成高频系统时钟（如72MHz、168MHz）。

• 时钟分配：通过时钟树将系统时钟分配到不同外设。

4. 外设模块

• 通用输入输出（GPIO）

• 支持多种模式（输入、输出、复用功能、模拟），用于连接外部设备。

• 通信接口

• UART/USART：异步/同步串行通信。

• SPI：高速同步串行通信。

• I2C：两线制串行通信。

• USB：通用串行总线接口。

• CAN：控制器局域网接口，用于汽车和工业控制。

• 定时器

• 通用定时器：用于定时、PWM输出。

• 高级定时器：支持输入捕获、输出比较、死区插入等复杂功能。

• ADC/DAC

• ADC（模拟-数字转换器）：将模拟信号转换为数字信号。

• DAC（数字-模拟转换器）：将数字信号转换为模拟信号。

5. 电源管理模块

• 电源监控

• PVD（可编程电压检测器）：监测电源电压，当电压低于阈值时触发中断。

• BOR（欠压复位）：在电源电压过低时强制复位系统。

• 低功耗模式

• 睡眠模式：CPU停止运行，外设继续工作。

• 停止模式：关闭时钟，保留寄存器内容。

• 待机模式：最低功耗模式，仅保留RTC和备份寄存器。

STM32单片机的工作原理

1. 上电复位与启动流程

• 上电复位

• 当电源电压达到阈值时，复位电路释放复位信号，CPU从复位向量地址（0x00000000）开始执行代码。

• 启动流程

1. 启动代码（Bootloader）：初始化系统时钟、堆栈指针。

2. 用户代码：从Flash加载并执行主程序。

2. 指令执行流程

• 流水线结构

• ARM Cortex-M内核采用三级流水线（取指、译码、执行），提高指令执行效率。

• 指令执行

• CPU从Flash中读取指令，解码后执行操作，结果写回寄存器或内存。

3. 中断处理机制

• 中断源

• 外设中断（如UART接收）、系统异常（如非法指令）。

• 中断优先级

• 支持嵌套向量中断控制器（NVIC），可配置中断优先级。

• 中断响应

1. 保存当前上下文（寄存器、程序计数器）。

2. 跳转到中断向量表中的对应地址。

3. 执行中断服务程序（ISR）。

4. 恢复上下文，返回主程序。

4. 外设工作原理

• 外设寄存器映射

• 外设功能通过寄存器配置，寄存器地址映射到内存空间（如0x40000000开始）。

• 外设时钟使能

• 每个外设需单独使能时钟，否则外设无法工作。

5. 时钟树与外设时钟

• 时钟树

• 系统时钟（SYSCLK）由PLL生成，通过AHB/APB总线分配到外设。

• 外设时钟分频

• 外设时钟频率可通过预分频器调整，以降低功耗或匹配外设需求。

STM32的开发与应用

1. 开发流程

• 硬件设计

• 最小系统包括电源、晶振、复位电路和调试接口（如SWD）。

• 软件开发

• 使用STM32CubeMX配置外设和时钟，生成初始化代码。

• 使用STM32CubeIDE或Keil等工具编写和调试代码。

2. 应用领域

• 工业控制：PLC、电机控制、传感器接口。

• 消费电子：智能家居、可穿戴设备、物联网终端。

• 汽车电子：车身控制、车载娱乐系统。

• 医疗设备：便携式医疗仪器、监护设备。

总结

STM32单片机通过ARM Cortex-M内核、丰富的外设资源和灵活的时钟系统，实现了高性能、低功耗的嵌入式控制。其开发流程标准化，结合STM32CubeMX和HAL库，可快速实现复杂应用。STM32广泛应用于工业、消费、汽车和医疗等领域，是嵌入式系统开发的主流选择。