STM32H750微控制器简介

　　STM32H750系列微控制器是意法半导体（STMicroelectronics）基于高性能ARM Cortex-M7内核设计的超高性能微控制器。它以其卓越的处理能力、丰富的外设接口、灵活的存储器配置以及先进的安全特性，广泛应用于工业控制、医疗设备、物联网、消费电子等对实时性、处理能力和集成度要求极高的领域。STM32H750凭借其高达480 MHz的主频，在嵌入式系统中提供了接近应用处理器级别的计算性能，同时保留了微控制器固有的低功耗和实时响应优势。该系列芯片在内部集成了大容量的闪存和SRAM，为复杂算法的运行和大规模数据存储提供了坚实基础。

　　强大的Cortex-M7内核

　　STM32H750搭载的Cortex-M7内核是ARM公司为高性能嵌入式应用设计的先进处理器。它采用了六级超标量流水线和双精度浮点单元（FPU），显著提升了指令执行效率和浮点运算能力。Cortex-M7内核还集成了指令缓存（I-cache）和数据缓存（D-cache），通过减少对主存储器的访问延迟，进一步加速了程序的执行。分支预测单元的引入，使得处理器能够更有效地处理复杂的程序流程，尤其是在涉及大量条件判断和循环的算法中表现出色。这种高性能的内核是STM32H750能够应对复杂计算任务和高速数据处理的关键所在。此外，内核还支持DSP指令集扩展，使其在信号处理、音频视频编解码等领域具有天然优势。

　　丰富的外设接口

　　STM32H750系列芯片提供了一系列功能强大且高度可配置的外设，以满足各种应用场景的需求。这些外设包括但不限于：

　　通用输入/输出（GPIO）： 提供灵活的数字I/O功能，支持多种工作模式，如推挽、开漏、上拉、下拉，并可配置为中断输入。

　　通用同步/异步收发器（USART）： 支持UART、LIN、IrDA、Smartcard等多种通信协议，适用于与外部设备进行串行通信。

　　串行外设接口（SPI）： 提供高速同步串行数据传输，常用于与闪存、EEPROM、传感器或显示屏等外设通信。

　　集成电路间总线（I2C）： 支持主从模式，适用于短距离、低速的串行通信，常用于与传感器、实时时钟（RTC）等设备连接。

　　模数转换器（ADC）： 高精度、多通道的ADC，支持多种采样模式，适用于模拟信号的采集和数字化。

　　数模转换器（DAC）： 高分辨率的DAC，用于生成模拟输出信号。

　　定时器/计数器： 提供多种类型的定时器，包括通用定时器、高级控制定时器和基本定时器，可用于生成PWM、测量输入脉冲、实现延时和事件计数等。

　　USB On-The-Go（OTG）： 支持高速USB 2.0协议，可工作在主机、设备或OTG模式，方便与PC或其他USB设备进行数据交换。

　　以太网MAC： 集成以太网媒体访问控制器，支持10/100 Mbps速度，为网络连接提供硬件支持。

　　CAN总线： 支持CAN 2.0B协议，广泛应用于汽车电子和工业控制领域。

　　SDMMC接口： 用于连接SD卡或MMC卡，实现大容量存储。

　　QUAD-SPI（QSPI）接口： 提供超高速串行闪存接口，支持四线数据传输，极大提升了外部闪存的访问速度。

　　LCD-TFT控制器： 直接驱动LCD-TFT显示屏，简化了图形界面的开发。

　　数字滤波器（DFSDM）： 专为MEMS麦克风等数字传感器设计，提供数字滤波和数据抽取功能。

　　这些丰富的外设接口使得STM32H750能够轻松地与各种传感器、执行器、通信模块和显示设备进行连接，构建出功能完备的嵌入式系统。

　　存储器结构与管理

　　STM32H750具有复杂的存储器层次结构，旨在最大化性能和灵活性。其内部集成了大容量的闪存（Flash Memory）和多种类型的SRAM，并支持外部存储器扩展。

　　内部闪存

　　内部闪存用于存储程序代码、常量数据以及用户配置数据。STM32H750的闪存支持读保护、写保护和扇区擦除等功能，以确保程序和数据的安全。闪存的访问速度经过优化，配合指令缓存（I-cache），可以提供高效的代码执行。

　　内部SRAM

　　STM32H750内部集成了多块SRAM，这些SRAM在存储器映射中具有不同的特性和用途：

　　ITCM RAM（Instruction Tightly Coupled Memory RAM）： 与Cortex-M7内核的指令总线紧密耦合，提供零等待周期的指令访问。将关键的实时代码放入ITCM RAM可以显著提升执行效率。

　　DTCM RAM（Data Tightly Coupled Memory RAM）： 与Cortex-M7内核的数据总线紧密耦合，提供零等待周期的数据访问。用于存储对实时性要求高的数据，如中断向量表、DMA缓冲区等。

　　AXI SRAM： 通过AXI总线连接到内核和DMA控制器，提供高速的数据访问。它通常用于存储较大的数据结构、堆栈以及全局变量。

　　SRAM1、SRAM2、SRAM3： 这些通用SRAM区域提供了额外的RAM空间，用于存储程序数据和运行时变量。它们可以通过AHB总线访问。

　　通过合理地规划和利用不同类型的SRAM，开发者可以最大限度地发挥STM32H750的性能潜力，满足不同应用场景对数据访问速度和容量的要求。

　　外部存储器接口

　　STM32H750还提供了灵活的外部存储器接口（FMC），支持连接各种外部存储器，如NOR Flash、NAND Flash、SRAM、SDRAM等。这为需要更大存储容量或特定类型存储器的应用提供了极大的便利。FMC控制器支持多种模式和时序配置，能够适应不同外部存储器的要求。

　　时钟系统

　　STM32H750拥有一个高度灵活且功能丰富的时钟系统，为芯片内部各个模块提供精确的时钟源。良好的时钟配置是确保微控制器稳定运行和各外设正常工作的关键。

　　时钟源

　　芯片提供多种内部和外部时钟源：

　　高速外部时钟（HSE）： 通常连接外部晶体或陶瓷谐振器，提供高精度的主时钟源。

　　高速内部时钟（HSI）： 内部RC振荡器，提供一个相对稳定的时钟源，适用于不需要极高精度的应用或作为HSE的备份。

　　多源时钟（MSI）： 内部RC振荡器，提供可变频率的时钟源，具有低功耗特性。

　　低速外部时钟（LSE）： 通常连接32.768 kHz晶体，主要用于实时时钟（RTC）和低功耗模式。

　　低速内部时钟（LSI）： 内部RC振荡器，提供低速时钟，主要用于独立看门狗和RTC的备用时钟。

　　锁相环（PLL）

　　STM32H750内部集成了多个PLL（PLL1、PLL2、PLL3），这些PLL可以将上述时钟源倍频，生成更高频率的时钟，供给Cortex-M7内核、AHB/APB总线以及各种外设。PLL的配置非常灵活，允许开发者根据应用需求精确调整各部分的时钟频率。例如，PLL1通常用于生成系统主频，PLL2和PLL3可以为USB、以太网、ADC等外设提供独立的时钟源。

　　时钟分配与分频

　　时钟系统还包括复杂的时钟分配网络和多个预分频器。系统主时钟（SYSCLK）可以选择来自HSE、HSI或PLL的输出。SYSCLK再通过AHB预分频器（HPRE）分频，生成HCLK，HCLK用于驱动Cortex-M7内核、DMA控制器、存储器接口等。外设时钟则通过APB1预分频器（PPRE1）、APB2预分频器（PPRE2）、APB3预分频器（PPRE3）和APB4预分频器（PPRE4）从HCLK或PLL的输出进行分频，为不同的外设提供合适的时钟频率。合理配置这些分频器对于平衡性能和功耗至关重要。

　　中断系统与异常处理

　　中断和异常处理是嵌入式系统响应外部事件和内部错误的关键机制。STM32H750的Cortex-M7内核集成了嵌套向量中断控制器（NVIC），提供了高效且可配置的中断管理。

　　中断类型

　　STM32H750支持多种类型的中断：

　　外部中断： 由GPIO引脚上的电平变化或边沿触发。

　　内部外设中断： 由外设事件触发，如定时器溢出、ADC转换完成、USART数据接收等。

　　系统异常： 由处理器内部事件触发，如复位、NMI（不可屏蔽中断）、硬故障、内存管理故障、总线故障、使用故障、SVC（系统服务调用）、调试监控、PendSV（可挂起系统服务）和SysTick定时器中断。

　　嵌套向量中断控制器（NVIC）

　　NVIC是Cortex-M内核的一个核心组件，负责管理所有中断源。其主要功能包括：

　　中断使能/禁用： 开发者可以独立使能或禁用每个中断源。

　　中断优先级设置： 每个中断源都可以配置一个优先级。当多个中断同时发生时，NVIC会根据优先级决定哪个中断先被服务。STM32H750支持多个优先级位和子优先级位，提供了精细的优先级控制。

　　中断向量表： 存储每个中断服务程序的入口地址。当发生中断时，处理器会根据中断号跳转到相应的向量表中定义的地址执行中断服务程序。

　　中断挂起/激活状态管理： NVIC能够指示一个中断是否处于挂起状态（已发生但尚未服务）或激活状态（正在服务）。

　　异常处理

　　除了常规中断，STM32H750还会处理各种异常。异常处理机制确保了系统在遇到错误或特殊情况时能够以受控的方式响应。例如，当发生内存访问错误或非法指令时，相应的故障异常会被触发，允许软件进行错误诊断或恢复操作。正确编写异常处理程序对于提高系统健壮性至关重要。

　　电源管理与低功耗模式

　　在许多嵌入式应用中，电源效率是一个关键的设计考量。STM32H750提供了多种电源管理模式和低功耗特性，以最大限度地延长电池寿命或降低系统能耗。

　　操作模式

　　STM32H750提供多种灵活的操作模式，以适应不同的性能和功耗需求：

　　运行模式（Run Mode）： 微控制器全速运行，所有外设和CPU都处于活动状态。这是性能最高的模式，但功耗也相对最高。

　　睡眠模式（Sleep Mode）： 仅Cortex-M7内核停止工作，外设和存储器保持供电。这允许外设继续运行（例如，DMA传输或定时器计数），同时显著降低CPU的功耗。系统可以被中断唤醒。

　　停止模式（Stop Mode）： 所有时钟都被停止，包括HSE、HSI等，但部分SRAM内容和寄存器值得以保留。唤醒时间比待机模式快，且功耗低于运行模式和睡眠模式。可由外部中断或特定外设事件唤醒。

　　待机模式（Standby Mode）： 大部分内部电路断电，包括SRAM内容通常会丢失（但通过备份域的特殊SRAM可以保留）。这是最低功耗模式，唤醒需要更长时间，通常由复位或特定唤醒引脚事件触发。

　　关机模式（Shutdown Mode）： 最深的低功耗模式，所有内部电路完全断电，仅保留部分备份域寄存器和唤醒引脚。唤醒后相当于完全复位。

　　电源域与备份域

　　STM32H750引入了电源域概念，允许独立控制不同部分的供电，从而实现更精细的功耗管理。例如，备份域（Backup domain）在主电源断开时仍可由VBAT引脚供电，用于保留RTC、备份寄存器以及一些SRAM内容，这对于需要长期保存数据的应用非常有用。

　　电压调节器与稳压器

　　芯片内部集成了多个电压调节器（LDO）和稳压器，用于提供不同电压域的电源。开发者可以通过编程配置这些调节器，以优化功耗和性能之间的平衡。例如，在降低CPU频率时，可以相应地降低核心电压，进一步节省能耗。

　　调试与Trace功能

　　STM32H750集成了强大的调试和Trace功能，极大地简化了软件开发和故障排除过程。这些功能基于ARM的JTAG和SWD接口。

　　JTAG/SWD接口

　　JTAG（Joint Test Action Group）： 一种通用的标准接口，用于边界扫描测试和片上调试。它提供了对CPU寄存器、存储器和外设的全面访问，允许开发者设置断点、单步执行、查看和修改变量。

　　SWD（Serial Wire Debug）： ARM专为嵌入式系统设计的两线调试接口，相比JTAG占用更少的引脚，但同样提供了强大的调试功能。它在引脚资源受限的场合尤为适用。

　　调试特性

　　硬件断点： 允许在代码中的特定位置设置断点，当程序执行到该位置时暂停，方便开发者检查程序状态。

　　数据断点/监视点： 当特定存储器地址的数据被读写时触发暂停，用于调试数据相关的错误。

　　单步执行： 允许程序逐条指令或逐行代码执行，便于观察程序流程和变量变化。

　　实时变量观察： 在程序运行时实时监视变量的值，无需暂停程序。

　　存储器查看与修改： 允许开发者查看和修改芯片内部的闪存、SRAM以及外设寄存器。

　　Trace功能

　　STM32H750支持ETM（Embedded Trace Macrocell）和ITM（Instrumentation Trace Macrocell）等Trace功能：

　　ETM（Embedded Trace Macrocell）： 提供了非侵入式的指令Trace功能，可以在不影响程序实时性的情况下捕获处理器执行的每一条指令。这对于分析复杂算法的性能、查找代码中的隐藏错误以及进行代码覆盖率测试非常有用。

　　ITM（Instrumentation Trace Macrocell）： 允许开发者通过软件指令向Trace缓冲区发送调试信息。这可以用于输出日志信息、变量值或事件标志，而无需使用传统的UART或JTAG打印，从而避免了对系统性能的干扰。

　　这些调试和Trace功能结合专业的调试工具（如ST-Link/V2、J-Link等）和集成开发环境（IDE，如Keil MDK、STM32CubeIDE等），为STM32H750的软件开发提供了强大的支持，显著提高了开发效率和问题解决能力。