作者：Andy Lok
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Cortex-M3 入门指南 是本专栏新的系列文章，与 Rust 嵌入式开发系列不同，本系列文章将着重于讲解Cortex-M3的架构设计、寄存器组成、时钟与总线的概念、各种外设的功能与使用方法等等。
文章中会使用适量 Rust 代码辅助讲解，但并不着重于Rust语言之于嵌入式的应用，而且为了更好地解释底层原理，代码都会基于寄存器进行底层操作。
对于生产代码，我们推荐使用更高级别的硬件抽象层 (HAL, Hardward Abstrat Layer) 进行操作，而这部分将留在Rust 嵌入式开发系列文章中再详细介绍。
概览
嵌入式领域内有着众多五花八门的处理器架构，比如 Cortex-A , Cortex-M , Cortex-R , MSP430 , RISCV 等等。
其中 Cortex-A 属于高性能处理器，定位于物联网，路由器设备等，Cortex-M 系列主打低功耗低成本和较强性能设备，Cortex-R 系列主打低时延实时应用，适用于无线基站，手机基带等。
Cortex-M 系列中又分为 Cortex-M0 , Cortex-M3 , Cortex-M4 , Cortex-M7 等架构，我们使用的 STM32F103 单片机就是意法半导体 (ST) 公司基于 Cortex-M3 架构生产的处理器，这款处理器成本低廉而性能强大，最重要的是它在全世界范围有着非常广泛的应用，教学资料随处可见，非常适合用于嵌入式入门，而且 Cortex-M3 的架构设计非常经典，只要掌握了它，要转到其他嵌入式平台也是非常简单的。
外设与寄存器
单片机系统 (MCU) 是指除了核心处理器 CPU ，还在同一芯片内集成了内存、计数器、定时器、数模转换、通用串口等周边外设的微型处理器。
CPU 和内存以外的其他设备统一被称为外设 (Peripheral)，外设与 CPU 之间通过总线连接。（注：外设虽然带有外字，但指代的都是单片机内部的功能部件）
外设的配置一般由生产厂商设计，因此不同的 Cortex-M3 MCU 会拥有不同数量/配置的外设，比如说 STM32F103 型号单片机提供了：
- 2x SPI (串行外设接口)
- 3x USART (通用串行接收/发送器)
- 2x I2C (双向二线制同步串行总线)
- 1x CAN (Controller Area Network，控制器局域网络总线)
- 1x USB
- 2x ADC (数模转换器)
- 37x GPIO (通用引脚)
- ...
然而我们不会直接操作总线来控制外设，而是通过单片机提供的称为 寄存器 (Register) 的特殊功能来间接控制。
这里说的寄存器与我们所熟知的 CPU 寄存器不同，它指代的是一段特殊的内存地址区域，但是它没有实际对应的 SRAM (Static Random-Access Memor, 静态随机存取存储器) 存储，对寄存器的操作与对内存的操作完全一致，可以将寄存器当作内存来读写，而对寄存器内存段的读写将会被转化为总线上与外设的数据交换。
寄存器的地址与具体功能由芯片生产厂商设计，并在生产时已经固定下来了。因此每款单片机一般都会提供一份寄存器数据手册。在之后讲解 STM32F103 这款单片机的时候也会频繁翻查这本手册，学会如何查阅寄存器手册也是嵌入式开发的重要技能。
中断与 NVIC (嵌套中断向量控制器)
中断是嵌入式系统的重要功能，它类似于系统编程里的事件，不同的是中断由硬件产生，而且程序可以进行中断响应，进行响应时现场保护和恢复也是由硬件完成的。其实桌面 CPU 也有中断功能，只是这些中断一般都由操作系统处理，而在裸机单片机编程中，中断将全权由我们控制。
中断产生的原因有很多种，比如说：
- 时钟计时完成
- 外部引脚电平发生改变
- 串口数据发送完成
- 收到串口信息
- 单片机重启复位
产生中断时，中断处理函数可以打断主程序的执行，并且在处理完成后重新交回给主程序。同样的，高优先级的中断信号也可以打断低优先级的中断处理函数，这就是嵌套中断的含义。
NVIC (嵌套中断向量控制器) 是 Cortex-M3 架构下的中断控制中心，它负责全部中断相关的操作，比如说中断优先级判断，现场保护与恢复，中断使能等等。NVIC 提供了一组寄存器，我们将通过 NVIC 寄存器对它进行设置。
SysTick 系统时钟
SysTick 系统时钟是内嵌于 Cortex-M3 架构内的特殊时钟，它可以产生与核心频率相等的节拍，或者也可以设置为八分频，产生八分之一核心频率的节拍。区别于其它通用计时器，SysTick 是由 Cortex-M3 标准规定的，因此 SysTick 的使用方法和配置不会因生产厂商而改变，可移植性更好。
时间总线与 TIM 计时器/计数器
STM32F103 提供了 8 个通用定时器，其中有两个高级定时器 TIM1 和 TIM8 ，能够产生 3 对 PWM 互补输出，常用于三相电机的驱动。TIM2 - TIM5 是普通定时器，TIM6和 TIM7 是基本定时器（区别在于有无比较通道，这一点暂时不用理会）。
计时器与其他需要时序的外设（比如说串行设备，SPI 接口等）都会将时钟信号挂靠到 外设总线 (APB, Advanced Peripheral Bus) 上。STM32 有两条外设总线：APB1 和 APB2 , APB2 运行在满速率上，而 APB1 只有核心的一半速率 (36 MHz)。不同外设会挂靠在不同总线上，而具体挂在哪个总线上在设计时已经固定了，可以在手册上查到。
GPIO 通用接口
GPIO (General Purpose Input Output, 通用输入/输出)可以通俗地理解为单片机的引脚，基本上单片机上大部分的引脚（电源或接地等引脚除外）都可以通过程序直接控制输出高低电平，或者读取输入电平。直接操作引脚电平是最低级别的引脚控制方法。有一些外设会将输入输出绑定到特定引脚上，叫作管脚复用，比如说从下图可以看出，PA10 和 PA9 引脚还可以作为串行外设的接收和发送端口 (TXD, RXD)。
STM32F103C8T6 管脚图
