STM32F10xxx/20xxx/21xxx/L1xxxx Cortex ®-M3 programming manual

STM32F10xxx/20xxx/21xxx/L1xxxx Cortex ® -M3 programming manual

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Introduction
This programming manual provides information for application and system-level software
developers. It gives a full description of the STM32F10xxx/20xxx/21xxx/L1xxxx Cortex ® -M3
processor programming model, instruction set and core peripherals.
The STM32F10xxx/20xxx/21xxx/L1xxxx Cortex ® -M3 processor is a high performance 32-bit
processor designed for the microcontroller market. It offers significant benefits to
developers, including:
• Outstanding processing performance combined with a fast interrupt handling
• Enhanced system debug with extensive breakpoint and trace capabilities
• Efficient processor core, system and memories
• Ultra-low-power consumption with integrated sleep modes
• Platform security

目录如下：
Contents
1 About this document . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1 Typographical conventions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2 List of abbreviations for registers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3 About the STM32 Cortex ® -M3 processor and core peripherals . . . . . . . . 10
1.3.1 System level interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.2 Integrated configurable debug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.3 Cortex ® -M3 processor features and benefits summary . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.4 Cortex ® -M3 core peripherals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2 The Cortex ® -M3 processor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1 Programmers model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.1 Processor mode and privilege levels for software execution . . . . . . . . . 13
2.1.2 Stacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.3 Core registers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.1.4 Exceptions and interrupts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.1.5 Data types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.1.6 The Cortex ® microcontroller software interface standard (CMSIS) . . . . 23
2.2 Memory model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.1 Memory regions, types and attributes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.2 Memory system ordering of memory accesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.3 Behavior of memory accesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.4 Software ordering of memory accesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.5 Bit-banding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.6 Memory endianness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2.7 Synchronization primitives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.8 Programming hints for the synchronization primitives . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3 Exception model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.1 Exception states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.2 Exception types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.3 Exception handlers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.4 Vector table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.5 Exception priorities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.6 Interrupt priority grouping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.7 Exception entry and return . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4 Fault handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4.1 Fault types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4.2 Fault escalation and hard faults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.4.3 Fault status registers and fault address registers . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.4.4 Lockup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.5 Power management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.5.1 Entering sleep mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.5.2 Wakeup from sleep mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.5.3 The external event input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5.4 Power management programming hints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3 The Cortex ® -M3 instruction set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.1 Instruction set summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2 Intrinsic functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3 About the instruction descriptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3.1 Operands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3.2 Restrictions when using PC or SP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.3.3 Flexible second operand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.3.4 Shift operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.3.5 Address alignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3.6 PC-relative expressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.3.7 Conditional execution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.3.8 Instruction width selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.4 Memory access instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.4.1 ADR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.4.2 LDR and STR, immediate offset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.4.3 LDR and STR, register offset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.4.4 LDR and STR, unprivileged . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.4.5 LDR, PC-relative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.4.6 LDM and STM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.4.7 PUSH and POP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.4.8 LDREX and STREX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.4.9 CLREX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.5 General data processing instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.5.1 ADD, ADC, SUB, SBC, and RSB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.5.2 AND, ORR, EOR, BIC, and ORN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Contents PM0056
4/156 DocID15491 Rev 6
3.5.3 ASR, LSL, LSR, ROR, and RRX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.5.4 CLZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.5.5 CMP and CMN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.5.6 MOV and MVN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.5.7 MOVT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.5.8 REV, REV16, REVSH, and RBIT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.5.9 TST and TEQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.6 Multiply and divide instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.6.1 MUL, MLA, and MLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.6.2 UMULL, UMLAL, SMULL, and SMLAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.6.3 SDIV and UDIV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.7 Saturating instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.7.1 SSAT and USAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.8 Bitfield instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.8.1 BFC and BFI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.8.2 SBFX and UBFX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.8.3 SXT and UXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.8.4 Branch and control instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.8.5 B, BL, BX, and BLX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.8.6 CBZ and CBNZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.8.7 IT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.8.8 TBB and TBH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.9 Miscellaneous instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.9.1 BKPT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.9.2 CPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.9.3 DMB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.9.4 DSB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.9.5 ISB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.9.6 MRS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.9.7 MSR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.9.8 NOP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.9.9 SEV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.9.10 SVC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.9.11 WFE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.9.12 WFI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4 Core peripherals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.1 About the STM32 core peripherals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.2 Memory protection unit (MPU) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.2.1 MPU access permission attributes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.2.2 MPU mismatch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.2.3 Updating an MPU region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.2.4 MPU design hints and tips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.2.5 MPU type register (MPU_TYPER) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.2.6 MPU control register (MPU_CR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.2.7 MPU region number register (MPU_RNR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.2.8 MPU region base address register (MPU_RBAR) . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.2.9 MPU region attribute and size register (MPU_RASR) . . . . . . . . . . . . . 116
4.3 Nested vectored interrupt controller (NVIC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118
4.3.1 The CMSIS mapping of the Cortex ® -M3 NVIC registers . . . . . . . . . . . 119
4.3.2 Interrupt set-enable registers (NVIC_ISERx) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.3.3 Interrupt clear-enable registers (NVIC_ICERx) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.3.4 Interrupt set-pending registers (NVIC_ISPRx) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.3.5 Interrupt clear-pending registers (NVIC_ICPRx) . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.3.6 Interrupt active bit registers (NVIC_IABRx) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.3.7 Interrupt priority registers (NVIC_IPRx) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.3.8 Software trigger interrupt register (NVIC_STIR) . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.3.9 Level-sensitive and pulse interrupts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.3.10 NVIC design hints and tips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.3.11 NVIC register map . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.4 System control block (SCB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.4.1 Auxiliary control register (SCB_ACTLR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.4.2 CPUID base register (SCB_CPUID) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4.4.3 Interrupt control and state register (SCB_ICSR) . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.4.4 Vector table offset register (SCB_VTOR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.4.5 Application interrupt and reset control register (SCB_AIRCR) . . . . . . 134
4.4.6 System control register (SCB_SCR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
4.4.7 Configuration and control register (SCB_CCR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.4.8 System handler priority registers (SHPRx) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
4.4.9 System handler control and state register (SCB_SHCSR) . . . . . . . . . 140
4.4.10 Configurable fault status register (SCB_CFSR) . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
4.4.11 Hard fault status register (SCB_HFSR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.4.12 Memory management fault address register (SCB_MMFAR) . . . . . . . 147
4.4.13 Bus fault address register (SCB_BFAR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.4.14 System control block design hints and tips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
4.4.15 SCB register map . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
4.5 SysTick timer (STK) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
4.5.1 SysTick control and status register (STK_CTRL) . . . . . . . . . . . . . . . . 151
4.5.2 SysTick reload value register (STK_LOAD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
4.5.3 SysTick current value register (STK_VAL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
4.5.4 SysTick calibration value register (STK_CALIB) . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
4.5.5 SysTick design hints and tips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
4.5.6 SysTick register map . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
5 Revision history . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155