第3章   STM32H7整体把控

初学STM32H7一定要优先整体把控芯片的框架，不要急于了解单个外设的功能。

3.1   初学者重要提示
学习一款新的芯片，优先掌握系统框架是比较重要的，建议逐渐养成这种学习习惯，然后各个击破即可。
本章节提供了多张STM32H7的框图，这些框图都非常具有代表性。很多时候记忆知识点比较费脑子，记录这些框图是一种非常好的方式。
对于本章节提供的部分知识点，无法理解透彻，暂时没有关系。随着后面的深入学习，基本都可以掌握。
重要的MPU和Cache知识分别放在了第23章和第24章。
3.2   STM32H7硬件框图
学习一款新的芯片，需要优先了解一下它的整体功能设计。需要的资料主要是来自官网和数据手册，比如我们V7开发板使用的STM32H743XIH6，直接在官方地址：链接（这是超链接）就可以看到对此芯片所做的介绍，页面中有一个如下的框图，对于了解STM32H7整体设计非常方便。

再稍微详细点，就需要大家读页面上的”Key Features”，就是下图所示的内容：

或者直接看数据手册开头的章节即可，也进行了介绍，内容基本都是差不多的，如下图所示（部分截图）：

通过框图和Key Features，大家可以方便地了解STM32H7的FLASH、RAM大小以及各种自带外设的信息。


3.3   STM32H7各个型号的区别
涉及到芯片选型的时候，需要大家了解各个型号的区别。对此ST有一个专门的文件STM32H7x3 MCUs High-performance line，在链接（这是一个超链接）里面可以找到。此文件里面有简单的对比，只是内容比较简单，仅两页，不过也言简意赅。最主要的是下面的这个截图：

通过这个截图可以方便地了解不同型号的引脚数、封装、FLASH大小、RAM大小以及是否带HW CRYPTO硬件加密的区别。


需要了解更详细的对比信息，可以看数据手册。任意下载一个型号的数据手册，在数据手册的的Table 2里面有详细的对比，如下图所示（部分截图）：

使用ST提供的软件STMCUFinder或者STM32CubeMX也可以做对比，只是没有上面的表格这么方便，可以一目了然。


3.4   STM32H7总线框图和时钟
STM32H7的数据手册里面提供了一张非常棒的框图，大家可以方便地查看每个总线的时钟速度和这个总线所挂的外设。这个在大家配置外设时钟分频的时候还是非常有用的，因为外设的时钟分频就是建立在所挂的总线速度（大家直接在数据手册里面检索Figure 1就可以找到）。

比如我们想得到不同定时器的主频，通过上面的框图，可以方便地获得如下信息：


SYSCLK(Hz)                     = 400000000 (CPU Clock)
HCLK(Hz)                       = 200000000 (AXI and AHBs Clock)
AHB Prescaler                  = 2
D1 APB3 Prescaler              = 2 (APB3 Clock  100MHz)
D2 APB1 Prescaler              = 2 (APB1 Clock  100MHz)
D2 APB2 Prescaler              = 2 (APB2 Clock  100MHz)
D3 APB4 Prescaler              = 2 (APB4 Clock  100MHz)

因为APB1 prescaler != 1, 所以 APB1上的TIMxCLK = APB1 x 2 = 200MHz;


因为APB2 prescaler != 1, 所以 APB2上的TIMxCLK = APB2 x 2 = 200MHz;


APB4上面的TIMxCLK没有分频，所以就是100MHz;
APB1 定时器有 TIM2, TIM3 ,TIM4, TIM5, TIM6, TIM7, TIM12, TIM13, TIM14，LPTIM1
APB2 定时器有 TIM1, TIM8 , TIM15, TIM16，TIM17
APB4 定时器有 LPTIM2，LPTIM3，LPTIM4，LPTIM5


3.5   STM32H7的A**线
A**线在STM32H7中有着举足轻重的作用。高并发性全靠这个总线了，先来看下A**线的框架：


3.5.1      总线系统框架
下面这个截图比较有代表性，可以帮助大家理解STM32H7总线系统。

这个图可以方便识别总线所外挂的外设，共分为三个域：D1 Domain，D2 Domain和D3 Domain。


D1 Domain


D1域中的各个外设是挂在64位A**线组成6*7的矩阵上。


6个从接口端ASIB1到ASIB6
外接的主控是LTDC，DMA2D，MDMA，SDMMC1，AXIM和D2-to-D1 AHB 总线。


7个主接口端AMIB1到AMIB7
外接的从设备是AHB3总线，Flash A，Flash B，FMC总线，QSPI和AXI SRAM。另外AHB3也是由A**线分支出来的，然后再由AHB3分支出APB3总线。


D2 Domain


D2域的各个外设是挂在32位AHB总线组成10*9的矩阵上。


10个从接口
外接的主控是D1-to-D2 AHB 总线，AHBP总线，DMA1，DMA2，Ethernet MAC，SDMMC2，USB HS1和USB HS2。


9个主接口
外接的从设备是SRAM1，SRMA2，SRAM3，AHB1，AHB2，APB2，APB3，D2-to-D1 AHB总线和D2-to-D3 AHB总线。


D3 Domain


D3域的各个外设是挂在32位AHB总线组成3*2的矩阵上。


3个从接口
外接的主控D1-to-D3 AHB总线，D2-to-D3 AHB总线和BDMA。


2个主接口
外接的从设备是AHB4，SRAM4和Bckp SRAM。另外AHB4也是这个总线矩阵分支出来的，然后再由AHB4分支出APB4总线。

这三个域之间也是有互联的，可以是：


D1域到D2域的D1-to-D2 AHB bus
允许D1域中的主接口外设访问D2域里面的从接口外设。比如D1域里面的DMA2D访问D2域里面的SRAM1。


D2域到D1域的D2-to-D1 AHB bus
允许D2域中的主接口外设访问D1域里面的从接口外设。比如D2域里面的DMA2访问D1域里面的AXI SRAM。


D1域到D3域的D1-to-D3 AHB bus
允许D1域中的主接口外设访问D3域里面的从接口外设。比如D1域里面的DMA2D访问D3域里面的SRAM4。


D2域到D3域的D2-to-D3 AHB bus。
允许D1域中的主接口外设访问D2域里面的从接口外设。比如D2域里面的DMA2访问D3域里面的SRAM4。

有了这些知识后，下面我们重点了解A**线矩阵。


3.5.2      A**线特色
AXI支持高频率、高性能的系统设计：


支持高带宽，低延迟设计。
提供高频操作，无需复杂的总线桥。
满足各种组件的接口需求。
适用于具有高初始访问延迟的内存控制器。
为互连架构的实现提供了灵活性。
与现有的AHB和APB接口向后兼容。

A**线的关键特性：


独立的地址、控制和数据线。
支持非字节对齐方式传输。
基于起始地址的突发传输。
分开的读和写数据通道，且提供DMA传输。
支持发起多个地址。
支持无序传输。
允许添加寄存器，以提供时序收敛。


A**线
关于A**线，ARM有一篇古文观止级文档《AXI4_specification》，已经将其放在了论坛：http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=87340  。


3.5.3      A**线简介
通过下面的框图，我们再进一步的认识一下A**线。

通过上面的截图，我们可以看到，A**线有6个从接口ASIBs（AMBA slave interface blocks）和7个主控接口AMIBs（AMBA master interface blocks）。


针对从接口ASIBs，描述如下：

重点注意最后一列，STM32H7参考手册里面原始的描述是R/W issuing，这里将其翻译为读/写发起能力。比如输入通道IN5连接的主控DMA2D，支持的读发起能力是2，写发起能力是1。读发起能力是2该如何理解呢？这里的含义是存在两路读信号同时进行（因为AXI接口有一个FIFO的功能，可供同时进行，更深入的认识有待研究），反映到DMA2D的实际应用中，就是DMA2D同时读取前景色和背景色的缓存区做Alpha融合之类的操作。写操作同理，DMA2D的写发起能力仅支持一路。


针对主控接口AMIBs，描述如下：

跟上面表格的含义是一样的，同样重点注意最后一列，这里多了一个总接收能力（Total acceptance），也就是读发起能力和写发起能力同时执行的情况。

3.5.4      A**线优先级编程
由于存在多个ASIB从接口访问AMIB主控的问题，这就涉及到谁先谁后等问题。所以A**线矩阵就做了一个基于优先级的仲裁方案。每个ASIB接口支持读通道和写通道分别设置，优先级从0到15。数值越大，优先级越高，默认情况都是优先级0。如果有两个传输同时到达AMIB主控接口，那么优先级高的ASIB接口传输优先处理；如果优先级相同的话，根据LUR方案选择（least recently-used最近最少使用情况）。


大家在实际应用中，可以根据实际情况进行设置，一般情况下使用默认值即可。


3.6   STM32H7的总线互联
STM32H7的总线矩阵四通八达，但不是任意Bus Master总线主控端和Bus Slave设备端都可以相互通信的：

黑色加粗字体是64位总线（ITCM，DTCM，Flash A，Flash，AXI SRAM，FMC等），普通字体是32位总线。


访问通路（每个小方块里面的字符）


    任何有数字的表示有访问通路。


    短横杠“-”表示不可访问。


    有灰色阴影的表示有实用价值的访问通路。


表格中具体数值所代表的含义


    D=direct


    1=via AXI bus matrix


    2=via AHB bus matrix in D2


    3=via AHB bus matrix in D3


    4=via AHB/APB bridge in D1


    5=via AHB/APB bridge in D2


    6=via AHB/APB bridge in D3


    7=via AHBS bus of Cortex-M7


    多个数值组合 = 互连路径以数字的顺序经过多个矩阵或/和桥。


总线访问类型


普通字体表示32位总线。


斜体表示32位总线主机端/ 64位总线从机端。


粗体表示64位总线。


当前要对这个图有个了解，后面章节讲解各个外设的时候要用到，比如DTCM和ITCM不支持DMA1，DMA2和BDMA，仅支持MDMA。


3.7   STM32H7的FLASH
首次学习STM32H7，要掌握以下几点认识即可：


1、双BANK，每个BANK的带宽都是64bits，如下图所示：

2、H7中Flash的延迟和主频关系。


H7中已经没有F1和F4系列中的ART Chrome加速，通过H7中的Cache加速即可。具体延迟数值和主频关系如下：

对于上面的表格，大家可以看到，当延迟等待设置为0的时候，即无等待，单周期访问，速度可以做到70MHz。增加1个Flash周期后，访问速度可以做到140MHz。当增加到3个或4个Flash周期后，最高速度可以做到225MHz。


3、Flash编程操作（写）最好以256bits为单位进行，应用中也可以小于256bits，但是容易造成ECC校验出问题，所以不推荐。Flash读操作支持64bits，32bits，16bits和8bits。


4、Flash支持ECC校验，每256bits配10bit的ECC位，可以检测到1个bit并纠正或者检测2个bit。随着芯片的制造工艺水平越高，带电粒子能产生的位翻转就越多，此时的ECC是必须要有的，一般可以纠正1-2个bit。安全等级高的Flash类存储器和RAM类都是必须要带ECC的。

ECC相关知识。


3.8   STM32H7的RAM
（注，学习本小节，优先回顾本章节3.5.1小节的框图，另外H7的RAM区也是支持硬件ECC的）


STM32H7的RAM区分为好几个部分，下面分别进行说明：


TCM区


TCM : Tightly-Coupled Memory 紧密耦合内存 。ITCM用于运行指令，也就是程序代码，DTCM用于数据存取，特点是跟内核速度一样，而片上RAM的速度基本都达不到这个速度，所以有降频处理。


速度：400MHz。


DTCM地址：0x2000 0000，大小128KB。


ITCM地址：0x0000 0000，大小64KB。


AXI SRAM区


位于D1域，数据带宽是64bit，挂在A**线上。除了D3域中的BDMB主控不能访问，其它都可以访问此RAM区。


速度：200MHz。


地址：0x2400 0000，大小512KB。


用途：用途不限，可以用于用户应用数据存储或者LCD显存。


SRAM1，SRAM2和SRAM3区


位于D2域，数据带宽是32bit，挂在AHB总线上。除了D3域中的BDMB主控不能访问这三块SRAM，其它都可以访问这几个RAM区。


速度：200MHz。


SRAM1：地址0x3000 0000，大小128KB，用途不限，可用于D2域中的DMA缓冲，也可以当D1域断电后用于运行程序代码。


SRAM2：地址0x3002 0000，大小128KB，用途不限，可用于D2域中的DMA缓冲，也可以用于用户数据存取。


SRAM3：地址0x3004 0000，大小32KB，用途不限，主要用于以太网和USB的缓冲。


SRAM4区


位于D3域，数据带宽是32bit，挂在AHB总线上，大部分主控都能访这块SRAM区。


速度：200MHz。


地址：0x3800 0000，大小64KB。


用途：用途不限，可以用于D3域中的DMA缓冲，也可以当D1和D2域进入DStandby待机方式后，继续保存用户数据。


Backup SRAM区


备份RAM区，位于D3域，数据带宽是32bit，挂在AHB总线上，大部分主控都能访问这块SRAM区。


速度：200MHz。


地址：0x3880 0000，大小4KB。


用途：用途不限，主要用于系统进入低功耗模式后，继续保存数据（Vbat引脚外接电池）。


3.9   总结
本章节就为大家讲解这么多，让大家对STM32H7有个整体的认识，后面章节将逐个进行学习。