STM32芯片內(nèi)部的總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一、前言

本篇介紹STM32芯片內(nèi)部的總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，嵌入式芯片內(nèi)部的總線和計(jì)算機(jī)總線類似，先來看一下通常定義下計(jì)算機(jī)總線定義，即計(jì)算機(jī)的總線是一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它是cpu、內(nèi)存、輸入、輸出設(shè)備傳遞信息的公用通道，主機(jī)的各個(gè)部件通過總線相連接，外部設(shè)備通過相應(yīng)的接口電路再與總線相連接，從而形成了計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，各個(gè)部件之間傳送信息的公共通路叫總線，微型計(jì)算機(jī)是以總線結(jié)構(gòu)來連接各個(gè)功能部件的。

圖1 計(jì)算機(jī)總線結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)設(shè)備和設(shè)備之間傳輸信息的公共數(shù)據(jù)通道?？偩€是連接計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)內(nèi)多種設(shè)備的通信線路，它的一個(gè)重要特征是由總線上的所有設(shè)備共享，可以將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的多種設(shè)備連接到總線上。如果是某兩個(gè)設(shè)備或設(shè)備之間專用的信號(hào)連線，就不能稱之為總線。

因此STM32這類嵌入式芯片的總線可概括理解為：是各種信號(hào)線的集合，總線可以劃分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線，分別用來傳輸數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)地址和控制信號(hào)。

二、總線基礎(chǔ)知識(shí)概述

圖2 總線基礎(chǔ)知識(shí)

(1)、總線在芯片中的角色

ARM公司負(fù)責(zé)提供設(shè)計(jì)內(nèi)核，而其他外設(shè)則為芯片商設(shè)計(jì)并使用，ARM收取其專利費(fèi)用而不參與其他經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，半導(dǎo)體芯片廠商拿到內(nèi)核授權(quán)后，根據(jù)產(chǎn)品需求，添加各類組件，生產(chǎn)芯片售賣。圖3為STM32的組成示意圖，其中Cortex-M3內(nèi)核、調(diào)試系統(tǒng)都是ARM公司設(shè)計(jì)，內(nèi)部總線、外設(shè)、存儲(chǔ)、時(shí)鐘復(fù)位等都由ST公司開發(fā)。由圖3中可以明顯看出總線是cpu、內(nèi)存、外設(shè)傳遞信息的公用通道，芯片上的各個(gè)部件通過總線相連接。

圖3 STM32芯片簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)圖

(2)、總線的類型

A、數(shù)據(jù)總線DB用來傳送數(shù)據(jù)信息，是雙向的。CPU既可通過DB從內(nèi)存或輸入設(shè)備讀入數(shù)據(jù)，又可通過DB將內(nèi)部數(shù)據(jù)送至內(nèi)存或輸出設(shè)備。DB的寬度決定了CPU和計(jì)算機(jī)其他設(shè)備之間每次交換數(shù)據(jù)的位數(shù)。數(shù)據(jù)總線的位數(shù)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要指標(biāo)，通常與微處理的字長相一致。需要指出的是，數(shù)據(jù)的含義是廣義的，它可以是真正的數(shù)據(jù)，也可以是指令代碼或狀態(tài)信息，有時(shí)甚至是一個(gè)控制信息，因此，在實(shí)際工作中，數(shù)據(jù)總線上傳送的并不一定僅僅是真正意義上的數(shù)據(jù)。

B、地址總線AB用于傳送CPU發(fā)出的地址信息，是單向的。傳送地址信息的目的是指明與CPU交換信息的內(nèi)存單元或I/O設(shè)備。存儲(chǔ)器是按地址訪問的，所以每個(gè)存儲(chǔ)單元都有一個(gè)固定地址，要訪問1MB存儲(chǔ)器中的任一單元，需要給出1M個(gè)地址，即需要20位地址（2^20=1M）。一般來說，若地址總線為n位，則可尋址空間為2^n字節(jié)。因此，地址總線的寬度決定了CPU 的最大尋址能力。

C、控制總線CB用來傳送控制信號(hào)、時(shí)序信號(hào)和狀態(tài)信息等，是雙向的。其中有的是CPU向內(nèi)存或外部設(shè)備發(fā)出的信息，如讀/寫信號(hào)，片選信號(hào)、中斷響應(yīng)信號(hào)等；有的是內(nèi)存或外部設(shè)備向CPU發(fā)出的信息，中斷申請(qǐng)信號(hào)、復(fù)位信號(hào)、總線請(qǐng)求信號(hào)、設(shè)備就緒信號(hào)等。顯然，CB中的每一條線的信息傳送方向是一定的、單向的，但作為一個(gè)整體則是雙向的。所以，凡涉及到控制總線CB，均是以雙向線表示。

(3)、總線的指標(biāo)

A、總線的位寬

總線的位寬指的是總線能同時(shí)傳送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，或數(shù)據(jù)總線的位數(shù)，即32位、64位等總線寬度的概念?？偩€的位寬越寬，每秒鐘數(shù)據(jù)傳輸率越大，總線的帶寬越寬。

B、總線的工作頻率

總線的工作時(shí)鐘頻率以MHZ為單位，工作頻率越高，總線工作速度越快，總線帶寬越寬。

C、總線的帶寬（總線數(shù)據(jù)傳輸速率）

總線的帶寬指的是單位時(shí)間內(nèi)總線上傳送的數(shù)據(jù)量，即每秒鐘傳送MB的最大穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸率 。與總線密切相關(guān)的兩個(gè)因素是總線的位寬和總線的工作頻率，它們之間的關(guān)系：

總線的帶寬=總線的工作頻率*總線的位寬/8

或者 總線的帶寬=（總線的位寬/8）/總線周期

(4)、AHB和APB

AMBA（Advanced Microprocessor Bus Architecture）是ARM公司提出的一種開放性的SoC總線標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于RISC的內(nèi)核上了。AMBA定義了一種多總線系統(tǒng)（multilevel busing system），包括系統(tǒng)總線和等級(jí)稍低的外設(shè)總線。 AMBA支持32位、64位、128位的數(shù)據(jù)總線，和32位的地址總線，同時(shí)支持byte和half-word設(shè)計(jì)。 它定義了兩種總線：

AHB（Advanced High-performance Bus）先進(jìn)的高性能總線，也叫做ASB（Advanced System Bus）。APB(Advanced peripheral Bus)先進(jìn)的外設(shè)總線 AHB和ASB其實(shí)是一個(gè)東西，是高速總線， AHB總線的強(qiáng)大之處在于它可以將微控制器（CPU）、高帶寬的片上RAM、高帶寬的外部存儲(chǔ)器接口、DMA總線、各種擁有AHB接口的控制器等等連接起來構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的完整的SOC系統(tǒng)，不僅如此，還可以通過AHB-APB橋來連接APB總線系統(tǒng)。AHB可以成為一個(gè)完整獨(dú)立的SOC芯片的骨架。

APB是低速總線，主要負(fù)責(zé)外設(shè)接口 ，低速且低功率的外圍設(shè)備，用于低帶寬的周邊外設(shè)之間的連接，例如UART、SPI等，可針對(duì)外圍設(shè)備作功率消耗及復(fù)雜接口的最佳化。AHB和APB之間是通過Bridge(橋接器）連接的 。

圖4 AHB和APB連接關(guān)系

三、總線框架結(jié)構(gòu)

圖5 總線框架結(jié)構(gòu)內(nèi)容

如圖6，以STM32F42XXX和STM32F43XXX器件總線系統(tǒng)架構(gòu)為例。

圖6 STM32F42xxx和STM32F43xxx的總線系統(tǒng)架構(gòu)

(1)、結(jié)構(gòu)類型

STM32芯片是屬于哈佛架構(gòu)，即數(shù)據(jù)和程序指令分別存儲(chǔ)，總線設(shè)計(jì)有一條指令總線（I-Bus）、一條數(shù)據(jù)總線(D-Bus)，地址總線則與所有IO和外設(shè)相連，按照內(nèi)核架構(gòu)統(tǒng)一的存儲(chǔ)器映射表分配對(duì)應(yīng)地址。

哈佛架構(gòu)與馮諾依曼的最大區(qū)別在于：哈佛架構(gòu)的數(shù)據(jù)總線，指令總線是分開獨(dú)立的，CPU通過Icode從Flash中取指令，再譯碼，得到數(shù)據(jù)的地址，再通過Dcode總線和SRAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

哈佛架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)：并行體系結(jié)構(gòu)，將程序指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的存儲(chǔ)空間中，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址、獨(dú)立訪問。哈佛架構(gòu)的微處理器通常具有較高的執(zhí)行效率，其程序指令和數(shù)據(jù)指令分開組織和儲(chǔ)存的，執(zhí)行時(shí)可以預(yù)先讀取下一條指令。

(2)、總線模塊

A、總線矩陣

圖6中S是主控總線，M是被控總線，總線矩陣用于主控總線之間的訪問仲裁管理，仲裁采用循環(huán)調(diào)度算法。有了總線矩陣，就可以讓主設(shè)備和從設(shè)備進(jìn)行并行訪問，提升了訪問效率，同時(shí)也降低了功耗。

需要注意的是，雖然總線矩陣使得多個(gè)主設(shè)備可以并行訪問不同的從設(shè)備，但在一個(gè)定義的時(shí)間段內(nèi)，只有一個(gè)主設(shè)備擁有總線矩陣的控制權(quán)，如果有多個(gè)主設(shè)備同時(shí)出現(xiàn)總線請(qǐng)求時(shí)就得進(jìn)行仲裁。所以有了總線仲裁器，就能保證每個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)主設(shè)備通過總線矩陣對(duì)從設(shè)備進(jìn)行訪問。

因?yàn)榭偩€矩陣的存在，使得多個(gè)主設(shè)備可以并行訪問不同的從設(shè)備，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸能力，提升了訪問效率，同時(shí)也改善了功耗性能。為了確保每個(gè)主設(shè)備訪問從設(shè)備的延遲盡量短，在總線矩陣?yán)飳?shí)行循環(huán)調(diào)度優(yōu)先級(jí)方案：

? 循環(huán)調(diào)度仲裁策略使總線帶寬合理分配。

? 限定最大延時(shí)。

? 循環(huán)調(diào)度以1次傳輸為單位。

圖中縱橫交錯(cuò)的就是多層AHB總線矩陣，負(fù)責(zé)把上方主設(shè)備跟右邊從設(shè)備互聯(lián)起來。所謂AHB主設(shè)備是指CPU或DMA，由它們啟動(dòng)總線訪問，即讀寫操作。那些響應(yīng)主設(shè)備讀寫訪問的設(shè)備就是AHB從設(shè)備，比如存儲(chǔ)器、各類外設(shè)等。注意并非所有主設(shè)備訪問從設(shè)備都得經(jīng)過總線矩陣，如圖中，有些主設(shè)備和從設(shè)備間有直通通道。

B、八條主控總線

CCM(Core Coupled Memory)是給F4內(nèi)核專用的全速64KB RAM, 它們沒有經(jīng)過總線矩陣, F4內(nèi)核與之直接相連, 地址空間在0x1000_0000 ~ 0x1000_FFFF?？梢杂米鞫褩Ｒ约?a target="_blank">高速運(yùn)算的數(shù)據(jù)緩存；

I總線：此總線用于將 Cortex-M4F 內(nèi)核的指令總線連接到總線矩陣。內(nèi)核通過此總線獲取指令。此總線訪問的對(duì)象是包含代碼的存儲(chǔ)器（內(nèi)部 Flash/SRAM 或通過 FSMC 的外部存儲(chǔ)器）；

D總線：此總線用于將 Cortex-M4F 數(shù)據(jù)總線和 64 KB CCM 數(shù)據(jù) RAM 連接到總線矩陣。內(nèi)核通過此總線進(jìn)行立即數(shù)加載和調(diào)試訪問。此總線訪問的對(duì)象是包含代碼或數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器（內(nèi)部Flash 或通過 FSMC 的外部存儲(chǔ)器）；

S總線：此總線用于將 Cortex-M4F 內(nèi)核的系統(tǒng)總線連接到總線矩陣。此總線用于訪問位于外設(shè)或 SRAM中的數(shù)據(jù)。也可通過此總線獲取指令（效率低于 ICode）。此總線訪問的對(duì)象是112 KB、 64 KB 和 16 KB 的內(nèi)部 SRAM、包括 APB 外設(shè)在內(nèi)的 AHB1 外設(shè)、 AHB2 外設(shè)以及通過 FSMC 的外部存儲(chǔ)器；

S3，S4：DMA存儲(chǔ)器總線：此總線用于將 DMA 存儲(chǔ)器總線主接口連接到總線矩陣。DMA 通過此總線來執(zhí)行存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)的傳入和傳出。此總線訪問的對(duì)象是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：內(nèi)部 SRAM（ 112 KB、 64 KB、 16 KB）以及通過 FSMC 的外部存儲(chǔ)器；

S5：DMA外設(shè)總線，此總線用于將 DMA 外設(shè)主總線接口連接到總線矩陣。DMA 通過此總線訪問 AHB 外設(shè)或執(zhí)行存儲(chǔ)器間的數(shù)據(jù)傳輸。此總線訪問的對(duì)象是 AHB 和 APB 外設(shè)以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：內(nèi)部SRAM以及通過 FSMC 的外部存儲(chǔ)器；

S6：以太網(wǎng) DMA 總線，此總線用于將以太網(wǎng) DMA 主接口連接到總線矩陣。以太網(wǎng) DMA通過此總線向存儲(chǔ)器存取數(shù)據(jù)。此總線訪問的對(duì)象是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：內(nèi)部 SRAM（ 112 KB、 64 KB和 16 KB）以及通過FSMC的外部存儲(chǔ)器；

S7： USB OTG HS DMA 總線，此總線用于將 USB OTG HS DMA 主接口連接到總線矩陣。USB OTG DMA 通過此總線向存儲(chǔ)器加載/存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。此總線訪問的對(duì)象是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：內(nèi)部 SRAM（112 KB、 64 KB 和 16 KB）以及通過 FSMC 的外部存儲(chǔ)器。

C、七條被控總線

內(nèi)部 FLASH ICode 總線：是內(nèi)核與內(nèi)部閃存存儲(chǔ)器（FLASH）指令接口之間的連接的總線，實(shí)現(xiàn)指令的預(yù)取功能；

內(nèi)部 FLASH DCode 總線：將內(nèi)核與內(nèi)部閃存存儲(chǔ)器（FLASH）的數(shù)據(jù)接口連接起來的總線，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀?。?/p>

主要內(nèi)部 SRAM1(112KB)；

輔助內(nèi)部 SRAM2(16KB)；

輔助內(nèi)部 SRAM3(64KB) (僅適用 STM32F42xx 和 STM32F43xx 系列器件)；

AHB1外設(shè)和AHB2外設(shè)：不同時(shí)鐘頻率的用于高性能模塊(如CPU、DMA和DSP等)之間的連接總線；

FSMC可變靜態(tài)存儲(chǔ)控制器：是STM32系列采用的一種新型的存儲(chǔ)器擴(kuò)展技術(shù)，F(xiàn)SMC能夠根據(jù)不同的外部存儲(chǔ)器類型，發(fā)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)/地址/控制信號(hào)類型以匹配信號(hào)的速度，從而使得STM32系列微控制器不僅能夠應(yīng)用各種不同類型、不同速度的外部靜態(tài)存儲(chǔ)器，而且能夠在不增加外部器件的情況下同時(shí)擴(kuò)展多種不同類型的靜態(tài)存儲(chǔ)器，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)存儲(chǔ)容量、產(chǎn)品體積以及成本的綜合要求。能夠與同步或異步存儲(chǔ)器和 16 位 PC 存儲(chǔ)器卡連接，STM32的 FSMC接口支持包括 SRAM、NAND FLASH、NOR FLASH 和 PSRAM 等存儲(chǔ)器。

(3)、總線交互

指令總線和數(shù)據(jù)總線如6圖所示只會(huì)負(fù)責(zé)對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)地址范圍內(nèi)的傳輸，剩下片內(nèi)外設(shè)和外界設(shè)備則是需要通過系統(tǒng)總線（AHB）進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，對(duì)于低速外設(shè)則是掛載在相對(duì)較慢的外設(shè)總線（APB）總線，APB總線通過一個(gè)橋接器最終還是會(huì)掛載到AHB總線上。

主設(shè)備和從設(shè)備通過各自的總線兩兩相交連接，圖6中兩條總線相交且為圓圈的地方，表示這兩條總線對(duì)應(yīng)的主設(shè)備可以訪問從設(shè)備，如I總線（指令總線），只有跟 M0、M2和M6這三根被控總線交叉的時(shí)候才有圓圈，就表示I總線只能跟這三根被控總線通信，這樣就可以知道stm32f4的啟動(dòng)有三種分別是FLASH、內(nèi)部SRAM、外部存儲(chǔ)FSMC。

當(dāng)多個(gè)AHB主設(shè)備試圖同時(shí)訪問同一個(gè)AHB從設(shè)備時(shí)，總線矩陣仲裁器介入以解決訪問沖突。在下面的例子中CPU和DMA1均試圖訪問SRAM1以讀取數(shù)據(jù)。

圖7 CPU和DMA1請(qǐng)求訪問SRAM1

如上述示例總線訪問請(qǐng)求同時(shí)發(fā)生的情況下，就需要總線矩陣仲裁。為了解決這種問題，需要應(yīng)用循環(huán)調(diào)度策略：如果本次最后贏得總線控制權(quán)的主設(shè)備是CPU，則在下一次訪問中DMA1將贏得總線控制權(quán)并首先訪問SRAM1。CPU隨后方可有權(quán)訪問SRAM1。

這就表明，一個(gè)主設(shè)備的傳輸延時(shí)取決于其它等待請(qǐng)求訪問AHB從設(shè)備的主設(shè)備數(shù)量。下面的例子是五個(gè)主設(shè)備試圖同時(shí)訪問SRAM1的情形：

圖8 五個(gè)主設(shè)備請(qǐng)求SRAM

DMA1再次獲得總線矩陣訪問權(quán)并訪問SRAM1的延時(shí)等于其它等待請(qǐng)求的所有主設(shè)備的執(zhí)行時(shí)間之和。

我們?cè)賮砜纯催M(jìn)行總線矩陣仲裁可能導(dǎo)致的DMA傳輸延時(shí)最差情況。主設(shè)備DMA端口進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳輸會(huì)遭遇的延時(shí)取決于其它主設(shè)備的傳輸類型和長度。比如，我們結(jié)合上面的DMA1 & CPU的例子，它們并行訪問SRAM。DMA傳輸延時(shí)將隨著CPU數(shù)據(jù)傳輸事務(wù)長度而變化。如果總線訪問首先給予CPU且不是執(zhí)行單次數(shù)據(jù)加載/存儲(chǔ)，DMA訪問SRAM的等待時(shí)間可能從一個(gè)AHB周期（單次數(shù)據(jù)加載/存儲(chǔ)時(shí)間）延長為N個(gè)AHB周期，這里N為CPU數(shù)據(jù)傳輸事務(wù)中數(shù)據(jù)的數(shù)量。

CPU鎖定AHB 總線以保持其訪問總線的所有權(quán)，減少了多次加載/ 存儲(chǔ)操作過程中的延時(shí)以及進(jìn)入中斷的延時(shí)。這提高了固件的響應(yīng)能力，但是可能導(dǎo)致DMA數(shù)據(jù)傳輸事務(wù)的延遲。

DMA1與CPU并行訪問SRAM的延時(shí)取決于傳輸類型：

? 中斷（上下文保護(hù)）發(fā)起的CPU傳輸：8個(gè)AHB周期;

? LDM/STM 指令發(fā)起的CPU傳輸：14個(gè)AHB周期；

---在多達(dá)14 個(gè)寄存器與存儲(chǔ)器之間進(jìn)行傳輸；

圖9 中斷發(fā)起的傳輸帶來的DMA傳輸延時(shí)

上圖詳細(xì)描述了一個(gè)因中斷進(jìn)入而導(dǎo)致DMA多周期傳輸延遲的情形。DMA存儲(chǔ)器端口被觸發(fā)，發(fā)出存儲(chǔ)器訪問請(qǐng)求。經(jīng)過仲裁， AHB總線未授權(quán)DMA1存儲(chǔ)器端口訪問，而由CPU來訪問總線?？梢钥吹皆诜?wù)DMA請(qǐng)求之前有一段額外的延時(shí)。這段中斷發(fā)起的CPU傳輸，耗時(shí)為8個(gè)AHB周期。

不難理解，當(dāng)同時(shí)對(duì)一個(gè)從設(shè)備進(jìn)行尋址且數(shù)據(jù)傳輸事務(wù)長度不是一個(gè)數(shù)據(jù)單元時(shí)，其他主設(shè)備（如DMA2,USB_HS, Ethernet…）也會(huì)碰到類似情形。所以，為了提高DMA對(duì)總線矩陣的訪問性能，要盡量回避總線競(jìng)爭(zhēng)。

四、總結(jié)

本篇對(duì)STM32芯片內(nèi)部的總線機(jī)制進(jìn)行了一系列的介紹，部分信息來源自STM32的官方資料中對(duì)芯片系統(tǒng)架構(gòu)的介紹。通過對(duì)總線概念的闡述可以去更好的為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)STM32內(nèi)部總線框架提供基礎(chǔ)，從STM32的總線框架中，可以了解到STM32芯片內(nèi)部總線的設(shè)計(jì)模型和基本的工作原理，從而對(duì)STM32的芯片總線內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一個(gè)初步的認(rèn)知。