STM32G431RBT6——（2）浅析Cortex-M4内核

本篇博客是一个对Cortex-M4内核了解性的简介，不会涉及到深奥的理论，请大家放心食用。

我们所学习的STM32G431RBT6单片机是基于ARM的Cotex-M4内核，因此我们有必要对此内核做一个大概了解。其实M4内核和M3内核有很大的相似之处，很多资料也都将其放在一起去说，我们这里也先了解一下M3的内核，请看图：

这个图就向我们展示了ARM公司的M3内核，对于这样的内核，和我们用到的芯片，比如STM32F103C8T6，有什么关系呢？

1.内核与芯片的制造关系

请看下面这张图：

你是不是以为一个芯片，上面有某个公司的商标，就是完全由这个公司生产的？这样的理解是片面的。

请看上图，以ST公司的STM32系列（如F1/F4）为例，我们可以清晰看到半导体产业链的分工协作关系。ARM公司 作为IP核设计商，提供标准化的处理器核心解决方案------即图中蓝色区域（Cortex-M3内核）及紫色区域（调试系统）。芯片厂商如ST则基于ARM授权的IP核，进行芯片级集成设计，具体包括：

外设开发：根据市场需求添加GPIO、UART、ADC、定时器等专用模块；
存储配置：设计Flash、SRAM的容量与布局；
时钟与电源管理：定制PLL、低功耗模式等电路；
物理实现：完成芯片的物理层设计（如制程选择、引脚排布）与封装测试。

这些东西结合在一起，才形成了我们使用的芯片。

这种模块化分工的优势在于：

ARM专注核心架构创新：持续优化处理器性能与能效比；
芯片厂商快速定制：通过调整外设组合，灵活满足工业、消费电子等不同领域需求（如F1侧重基础控制，F4强化DSP性能）。

2. Cortex-M3内核内部简介

我们把那个内核放大看，其实就是右边这个绿框框里的东西：

我们只需要大概知道里边有什么，可以看到，包括NVIC，取指单元，指令译码寄存器组，存储器接口，ALU，调试系统等，这里的一些东西我们后边会用到，比如NVIC，是管理STM32中断的，我们后边再说，想深入了解这个内核的工作原理，需要了解一些微机原理的计数，由于笔者微机原理学的不好，只能讲个大概：

首先我们要知道，内核不就是CPU吗，CPU的作用是什么，CPU的作用就是执行程序，而我们单片机的程序都在哪呢，都在闪存flash里放着，CPU怎么将程序拿过来呢？CPU是通过总线将程序从flash里拿过来的，而执行这个过程的就是取指单元，取到指令后，要知道这段指令是干什么的，就要对指令进行解码，此时就需要指令解码器，知道指令后肯定要进行执行啊，比如1+1，这里的运算就是算术逻辑单元ALU的工作了，当然算出来结果是2,肯定要找一个地方放着，就放到寄存器组里，然后结果再转移到外部的存储器系统比如RAM，如此一直循环。大概是这个意思，更严谨我也不会。

3.Cortex-M4内核

其实M4和M3内核基本一模一样，包括工作的基本原理，其实你看明白了M3内核，M4内核自然都明白了。

这个就是M4内核的图，下面我们将其与M3内核放一起对比：

可以看到M3和M4内核再其他部分是一摸一样的，只有画红框的部分不一样，M4比M3多了一个DSP和一个FPU，这两个东西是什么意思呢？

（1）浮点单元（FPU）

浮点单元（FPU, Floating-Point Unit）是一个硬件模块，用于加速浮点数运算的执行，特别是在涉及到浮点加法、减法、乘法、除法等运算时。FPU将浮点运算的处理从软件实现转移到硬件中，从而显著提高了运算速度，减少了CPU的负担。
Cortex-M4内核配备了单精度FPU ，即它支持32位浮点数（符合IEEE 754标准）。通过硬件支持，Cortex-M4可以直接进行浮点数的加减乘除运算，而不需要像某些处理器那样通过软件仿真来实现浮点运算。
FPU的引入对于需要高精度数学计算的应用非常重要，如数字信号处理、科学计算、图形处理等。

（2）数字信号处理（DSP）

数字信号处理（DSP, Digital Signal Processing）指的是对离散信号（如声音、图像、传感器数据等）进行数学处理的过程。DSP通常涉及对信号的分析、滤波、变换和其他类型的运算。它是通信、音频处理、图像处理等领域的核心技术。
Cortex-M4内核不仅支持浮点运算，还专门设计了DSP指令集 ，可以加速某些特定的信号处理算法。例如，Cortex-M4支持乘法累加指令（MAC） 、快速傅里叶变换（FFT） 、滤波器设计等操作，这些操作对于实时数字信号处理至关重要。
DSP指令集和FPU一起使Cortex-M4成为一种高效的信号处理平台，能够在不牺牲计算性能的情况下提供低功耗和高实时性。

（3）DSP和FPU的协同作用

Cortex-M4的内核结合了DSP指令集 和浮点单元（FPU），使得它既能够高效地进行整数型信号处理（如滤波器和卷积），也能够执行复杂的浮点型计算（如数字信号处理中的傅里叶变换和滤波）。
这使得Cortex-M4内核非常适合需要进行高效数字信号处理和浮点计算的应用，例如音频处理、传感器数据分析、语音识别等。

由此我们不难看出，单从内核层面上，M4内核就要比M3内核强大很多，而且在单片机层面上，G4系列的单片机其实是要强于F1系列的，举个例子F1系列主频72M，而G4系列主频达到了180M，两倍还多，这对于一些信号处理，比如ADC采集等就是降维打击，我是做电源的，G4系列在高精度数控电源方面还是很好用的。

下面做了一张M3内核和M4内核的区别的表

4.CM4内核与STM32G431

（1）Cortex-M4内核的核心特性

Cortex-M4是ARM公司设计的32位RISC处理器内核，专为高性能嵌入式实时应用设计，结合数字信号处理（DSP）和浮点运算（FPU）**能力，适合复杂控制与信号处理场景。其核心特性包括：

ARMv7-M架构：哈佛结构（分离指令与数据总线），三级流水线，支持低延迟中断响应。
Thumb-2指令集：16/32位混合编码，兼顾代码密度与执行效率。
单精度FPU（浮点单元）：支持IEEE 754单精度浮点运算，加速数学运算（如PID控制、FFT）。
DSP扩展指令：SIMD（单指令多数据）、饱和运算、乘累加（MAC）指令，优化数字信号处理算法。
嵌套向量中断控制器（NVIC）：支持多达240个中断源，优先级可动态配置。
低功耗模式：支持Sleep、Stop、Standby模式，适应电池供电场景。

（2）STM32G431ZET6芯片的关键特性

STM32G431ZET6是STMicroelectronics基于Cortex-M4内核的高性能微控制器，属于STM32G4系列，专为数字电源、电机控制、高级传感等应用优化。其核心参数如下：

a. 处理器与性能

内核：Cortex-M4 @ 170 MHz（理论性能约213 DMIPS）。
FPU：集成单精度浮点单元（FPU）。
数学加速器 ：STM32G4系列特有CORDIC 和FMAC单元，加速三角函数、滤波等运算。

b. 存储器配置

Flash：512 KB（支持ECC校验）。
SRAM：128 KB（32 KB带ECC校验）。
附加存储：16 KB CCM-SRAM（紧耦合内存，用于高速数据存取）。

c. 外设与功能模块

高分辨率定时器（HRTIM）：支持184 ps分辨率，用于数字电源开关控制（如LLC谐振变换器）。
模拟外设：
- 4个12位ADC（5 Msps，支持硬件过采样）。
- 2个12位DAC（支持波形生成）。
- 4个运算放大器（OPAMP）和7个比较器（COMP），用于信号调理。
通信接口：
- 6个USART/UART、3个SPI、3个I2C、2个CAN FD。
- USB 2.0全速接口（支持无晶振设计）。
电机控制专用外设：
- 6通道PWM定时器（支持死区插入、紧急关断）。
- 硬件编码器接口（用于位置反馈）。

e. 安全与可靠性

硬件加密：AES-128/256、HASH、RSA加速器。
存储保护：Flash读保护（RDP）、写保护（WRP）。
安全启动：支持安全固件更新（SB）。

f. 低功耗特性

运行模式：低至100 µA/MHz（典型值）。
Stop模式：保留SRAM，电流低至10 µA。
Standby模式：最低2 µA（支持RTC唤醒）。

(3) STM32G431ZET6如何发挥Cortex-M4的优势

a. 高性能数字信号处理

电机控制：
- 利用FPU加速磁场定向控制（FOC）算法。
- 通过CORDIC单元快速计算电机角度（如Park/Clarke变换）。
数字电源：
- 高分辨率HRTIM生成精确PWM，配合ADC实时反馈，实现闭环控制。
- 使用FMAC单元加速数字滤波（如PID补偿器）。

b. 实时响应能力

中断响应：NVIC支持低于10个时钟周期的中断延迟，确保PWM故障保护等硬实时需求。
紧耦合内存（CCM-SRAM）：关键代码/数据存放于CCM，避免总线争用，提升实时性。

c. 低功耗优化

动态电压调节：通过电源管理单元（PWR）调整内核电压（1.2V~3.6V），平衡性能与功耗。
外设时钟门控：按需启用外设时钟，减少待机能耗。

(4) 典型应用场景

工业电机驱动：BLDC/PMSM电机的高效控制（如无人机电调、工业机器人）。
数字电源：AC/DC转换器、无线充电、太阳能逆变器。
智能传感：结合ADC和OPAMP，实现高精度传感器信号采集（如电流/电压检测）。
音频处理：利用DSP指令加速音频编解码（如语音识别前端）。

(5)开发工具与资源

IDE：STM32CubeIDE（免费，集成STM32CubeMX配置工具）。
软件库：
- STM32CubeG4 HAL库：提供外设驱动与示例代码。
- DSP库：优化数学运算（如FFT、FIR滤波）。
调试工具：ST-LINK/V3、J-Link（支持SWD/JTAG接口）。
参考设计：
- STM32G4数字电源开发套件（STEVAL-DPSG4SIC）。
- STM32G4电机控制应用笔记（AN5484）。

5.总结

结合Cortex-M3内核学习M4，同时与M4内核对应的芯片结合起来，就能对M4内核产生一个基本的认识，如果想要深入学习，可以参考： Cortex-M3/M4权威指南