从零开始学嵌入式之STM32——7.STM32的系统架构

前言

本文介绍了 STM32 单片机的内部组成以及功能分类，通过阅读本文，您可以了解 STM32 内部各个单元模块之间的工作流程，明晰各模块的核心功能与协作逻辑，为深入理解 STM32 底层运行机制、进行高效的单片机程序开发奠定基础。

STM32 单片机的内部核心架构由内核、总线系统、时钟系统和片上外设 等模块构成，各模块按工作特性与数据交互方式，可划分为被动单元、主动单元、其他单元三类。三类单元各司其职、通过总线矩阵与专用通道实现数据传输和控制信号交互，共同支撑单片机的所有运行功能，以下将对各类单元的组成、功能及核心特性展开详细说明。

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| 单元类型 | 特点 | 包含单元 | 作用 |
| 被动单元 | 不能主动发起数据传输，仅被动响应访问 | 内部 SRAM Flash AHB-APB 桥 | 存储数据 / 程序、总线协议转换 + 速度匹配 |
| 主动单元 | 主动发起数据传输 / 控制信号，驱动系统运行 | DCode 总线（D-Bus） 系统总线（S-Bus） DMA1 DMA2 | 读取数据 / 指令、发送控制信号、无 CPU 数据传输 |
| 其他单元 | 专用功能单元，补充核心总线 / 存储能力 | ICode 总线（I-Bus） FSMC | 高速读取指令、扩展外部存储 / 外设 |

STM32内部系统结构图：

一、被动单元

被动单元指无法主动发起数据传输或发送控制信号，仅能被动响应其他单元的访问、读写请求的工作单元，是 STM32 内部的 "数据仓库" 与 "总线转接枢纽"，主要包含 3 个核心单元。

1. 内部 SRAM（静态随机存取存储器）

与电脑中常用的 DRAM（动态随机存取存储器）不同，STM32 内部 SRAM 为静态存储，无需刷新电路即可维持数据，读写速度快，与内核同频运行 ，但掉电后数据会完全丢失。其核心功能是存储程序执行过程中产生和使用的各类变量，包括全局变量、局部变量、函数栈数据、临时缓存数据等，是程序运行时的 "临时数据存储空间"。受硬件限制，STM32 内部 SRAM 容量通常较小（如 F103 系列多为几 KB 至几十 KB），是程序开发中需重点关注的内存资源。

2. Flash（内部闪存存储器）

Flash 为非易失性存储器，掉电后数据不会丢失，类比于电脑的硬盘，是 STM32 的 "永久数据存储空间"。其核心功能有二：

• 一是存放编译后的程序二进制代码，单片机上电后，内核会从 Flash 中读取程序指令并执行；
• 二是存储程序执行时用到的全局常量 （如const关键字定义的数组、常量参数），同时也可存储固件版本、设备参数、离线采集数据等需永久保存的信息。

Flash 的读取速度慢于 SRAM，但存储容量远大于内部 SRAM，是 STM32 程序和固定数据的核心载体。

3. AHB 到 APB 的桥（AHB-APBx 桥）

该单元是 STM32 总线系统的 "转接器"，核心实现高级高性能总线（AHB）与高级外设总线（APB）之间的协议转换和速度匹配，分为 APB2 桥和 APB1 桥两个分支，分别连接不同速度的外设总线，适配各类片上外设的工作速率。

• AHB（Advanced High-performance Bus）：高级高性能总线，是 STM32 内部的高速骨干总线，连接内核、DMA、Flash 等核心单元，保证高速数据传输；
• APB（Advanced Peripheral Bus） ：高级外设总线，专为片上外设设计的低速总线，分为 APB2 和 APB1 两个版本：
  1. APB2 桥：连接 APB2 总线，适配高速外设（如 GPIO、EXTI、USART1、SPI1、ADC 等），APB2 总线最高工作频率为 72MHz，能满足高速外设的通信需求；
  2. APB1 桥：连接 APB1 总线，适配低速外设（如 USART2/3、I2C、TIM2~TIM7、RTC 等），APB1 总线最高工作频率为 36MHz，兼顾低速外设的稳定性与功耗。

AHB-APB 桥的存在，让高速的内核总线系统能与不同速率的外设稳定通信，无需 CPU 单独适配各外设的工作速度，是 STM32 总线系统的重要组成部分。

二、主动单元

主动单元也称为驱动单元，指能够主动发起数据传输、发送控制信号，驱动其他单元完成数据交互或功能执行 的工作单元，是 STM32 内部的 "数据快递员" 与 "控制中枢"，核心负责启动所有数据交互和指令执行流程，主要包含 4 个核心单元，所有主动单元均通过总线矩阵实现与其他单元的连接，总线矩阵会根据优先级仲裁各主动单元的访问请求，保证数据传输的有序性。

1. Cortex-M3 内核 DCode 总线（D-Bus，数据总线）

D-Bus 是内核专属的数据读取总线，通过外部 DCode 总线连接到总线矩阵，再与闪存存储器的数据接口 相连接，其核心功能是从 Flash 中加载全局常量、读取数据，同时支持调试访问。D-Bus 专为 "数据读取" 设计，与后续介绍的指令总线分工明确，避免数据读取与指令读取抢占总线资源，提升 Flash 的访问效率。

2. 内核系统总线（S-Bus，系统总线）

S-Bus 是内核的核心控制总线，通过外部 System 总线连接到总线矩阵，其核心功能是向其他单元发送控制信号 ，实现内核对整个单片机系统的控制。程序开发中，对各类寄存器的配置（如开启外设时钟、配置 GPIO 工作模式、设置 EXTI 中断触发方式等），均由内核通过 S-Bus 发起写操作；同时，S-Bus 也负责内核对内部 SRAM 的读写访问，是内核控制硬件、操作临时数据的核心通道，优先级最高，优先保证控制指令的快速执行。

3. 通用 DMA1（Direct Memory Access，直接存储器访问）

4. 通用 DMA2（Direct Memory Access，直接存储器访问）

DMA1 和 DMA2 是 STM32 的 "数据传输协处理器"，二者均通过 DMA 总线连接到总线矩阵，可主动发起数据传输请求并发送控制信号，核心作用是在无需 CPU 参与的情况下，实现内存（SRAM/Flash）与外设、外设与外设之间的直接数据传输，从而降低 CPU 的负担，节省 CPU 时间。

在传统数据传输中，CPU 需要全程参与 "读取数据 - 发送数据 - 等待完成" 的过程，期间无法执行其他任务；而 DMA 接管数据传输后，CPU 仅需向 DMA 下达传输指令（指定数据源、目标地址、传输长度），DMA 即可自主完成全部传输工作，传输完成后通过中断通知 CPU 即可。DMA1 和 DMA2 的核心区别在于总线挂载与工作速度：DMA1 挂在 APB1 总线，适配低速外设的数据传输；DMA2 挂在 AHB 总线，速度更快，适配高速外设（如 SPI、ADC）的高速数据传输，二者配合可覆盖所有片上外设的无 CPU 数据传输需求。

三、其他单元

其他单元为 STM32 内部的专用功能单元，既不属于纯被动的存储 / 转接单元，也非通用的主动驱动单元，主要用于补充核心总线的访问效率、扩展单片机的硬件功能，是对被动单元和主动单元的重要补充，核心包含 2 个单元。

1. 内核 ICode 总线（I-Bus，指令总线）

ICode 总线是内核专属的指令读取总线 ，与 D-Bus（数据总线）形成明确分工，其核心特殊性在于：不走总线矩阵，通过专用通道直接连接 Flash ，无其他单元的访问竞争，能以最快速度从 Flash 中读取程序指令，保证内核的高效执行。单片机上电后，内核通过 I-Bus 从 Flash 中逐行读取main()函数、中断服务函数、各类自定义函数的二进制指令，并依次执行，是程序运行的 "指令输送通道"，其读写速度与内核同频（最高 72MHz），是 STM32 指令执行效率的重要保障。

2. FSMC（Flexible Static Memory Controller，灵活的静态存储器控制器）

FSMC 是 STM32 的外部硬件扩展接口，核心功能是突破单片机内部存储和外设的限制，实现对外部硬件的高速并行连接与控制，主要应用场景包括：

1. 扩展外部存储：连接外部 SRAM、Flash、NOR Flash 等，解决内部 SRAM 容量不足、Flash 存储能力有限的问题，可用于存储大量采集数据、字库、图片等大容量数据；
2. 驱动显示设备：绝大多数 STM32 开发板的 TFT 液晶显示屏、触摸屏均通过 FSMC 连接，利用其高速并行通信能力，保证屏幕的快速刷新，避免显示卡顿；
3. 连接其他并行外设：适配各类支持并行总线的外部硬件，提升单片机的硬件扩展能力。

需注意，FSMC 并非 STM32 所有型号的标配，入门级型号（如 F103C8T6）无此模块，主要存在于中高端型号（如 F103VET6、F103ZET6）中。

四、STM32 内部单元核心协作逻辑

STM32 内部所有单元并非独立工作，而是通过总线矩阵、专用通道、AHB-APB 桥实现高效的互联互通，以 "按键中断控制 LED 亮灭" 的经典场景为例，串联各单元的核心协作流程，明晰程序运行的底层逻辑：

1. 程序编译后，二进制代码和全局常量被烧写到Flash中，完成程序存储；
2. 单片机上电，内核通过ICode 总线（I-Bus） 从 Flash 中读取main()函数指令，开始执行程序；
3. 内核通过系统总线（S-Bus） 发送控制信号，经AHB-APB2 桥配置 GPIO（LED / 按键）、EXTI（中断）的工作模式，开启对应外设时钟，完成硬件初始化；
4. 程序运行过程中，led_flow_on_off（LED 状态变量）、key1_press（按键标志变量）等临时数据被存储在内部 SRAM中，内核通过 S-Bus 对其进行实时读写；
5. 按键按下时，EXTI 检测到中断信号，经AHB-APB2 桥 、总线矩阵传递到内核，内核暂停主程序执行，通过 I-Bus 读取 Flash 中的中断服务函数指令并执行；
6. 中断服务函数中，内核通过 S-Bus 修改 SRAM 中的按键标志变量，完成中断处理；
7. 主程序继续执行，内核通过 S-Bus 读取 SRAM 中的 LED 状态变量，再通过AHB-APB2 桥向 GPIO 发送控制信号，实现 LED 的亮灭切换；
8. 若程序中用到const定义的全局常量（如 LED 引脚数组），内核通过DCode 总线（D-Bus） 从 Flash 中读取，避免占用指令总线资源。

整个过程中，被动单元负责存储数据、转接总线，主动单元负责发起指令、传输数据、发送控制信号，其他单元保障指令读取效率、扩展硬件功能，各单元分工明确、协作有序，共同实现单片机的所有功能。

总结

STM32 单片机的内部架构围绕 "内核为核心、总线为纽带、存储为基础、外设为扩展" 设计，按工作特性分为被动、主动、其他三类单元，其核心特点可概括为：

1. 被动单元是 "基础"：承担存储和总线转接功能，为所有操作提供数据载体和通信通道，掉电易失的 SRAM 负责临时数据，非易失的 Flash 负责永久存储，AHB-APB 桥实现速度匹配；
2. 主动单元是 "核心"：承担驱动和控制功能，主动发起所有数据传输和指令执行流程，S-Bus/D-Bus 分工实现控制与数据访问，DMA 解放 CPU，提升传输效率；
3. 其他单元是 "补充"：专用的 ICode 总线保证指令读取速度，FSMC 扩展单片机硬件能力，适配更复杂的应用场景。

理解 STM32 的内部组成与功能分类，是掌握单片机底层运行机制的关键，不仅能帮助开发者在程序开发中合理分配存储资源（如常量放 Flash、变量放 SRAM）、优化硬件配置（如匹配外设总线速度），还能为后续的效率优化（如 DMA 的使用）、硬件扩展（如 FSMC 驱动 LCD）提供理论基础，让程序开发更贴合硬件特性，提升程序的稳定性和效率。