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一、理解STM32芯片和CortexM3的关系
二、理解编写代码以及单片机运行的整体过程
（1）代码是如何编译成可执行程序的？
（2）可执行程序是如何烧录到单片机的flash的？
（3）单片机是如何从flash读取并执行可执行程序的？
在学习STM32外设的时候，我经常会有一个疑问，为什么按照教程上的步骤就能正确的控制GPIO口等外设，因为stm32使用了标准库让我们开发者不再需要关心寄存器的构造，但是作为一个喜欢刨根究底的人，不了解一下总会感觉并没有理解本质，只是在学习API的使用方式。本篇文章就从STM32内核的结构说起，捋捋处理器内核Cortex-M3与STM32的关系。
一、理解STM32芯片和CortexM3的关系
在STM32的官方使用手册中可以看到这样一张图，他是描述STM32芯片各种外设和CortexM3的关系。
Cortex-M3是一个32位处理器内核。内部的数据路径是32位的，寄存器是32位的，存储器接口也是32位的。CM3采用了哈佛结构，拥有独立的指令总线（ICode）和数据总线（DCode），可以让取指与数据访问并行不悖。这样一来数据访问不再占用指令总线，从而提升了性能。为实现这个特性，CM3内部含有好几条总线接口，每条都为自己的应用场合优化过，并且它们可以并行工作。但是另一方面，指令总线和数据总线共享同一个存储器空间（一个统一的存储器系统）。换句话说，不是因为有两条总线，可寻址空间就变成8GB了。
比较复杂的应用可能需要更多的存储系统功能，为此CM3提供一个可选的MPU，而且在需要的情况下也可以使用外部的cache。另外在CM3中，Both小端模式和大端模式都是支持的。
简而言之：
（1）Cortex-M3是一个处理器内核，他只负责提供基本的运算和控制功能。它和老版本的CPU功能类似。（只不过CPU的算力远比Cortex-M3强大，主频可以达到GHz而单片机往往只有MHz）
（2）STM32是基于该处理器内核搭建的一套"主机"，通过对该内核进行封装，利用他的运算和控制功能搭建了一套可以直接使用的芯片。就好像电脑的主机。那么我们可以简单的这么理解，电脑如果没有了操作系统这一上层软件，他其实本质就和我们的单片机是一样的！没有操作系统你同样需要寄存器才能进行开发。
（3）不同厂家如果使用的处理器内核是同一个，那么理论上来讲性能是相似的，但是由于不同厂家对于外设的技术优势可能不同，或者是市场对外设的需求不同，使得不同厂家对芯片的封装工艺不同，这直接影响芯片的功耗和性能。所以理论上来说只要你学会了一种处理器内核，以后遇到基于该内核的芯片都是手拿把掐。
二、理解编写代码以及单片机运行的整体过程
（1）代码是如何编译成可执行程序的？
在学习C语言的时候，我们编写一个代码都是打开某款IDE，比如VScode，然后一顿敲，最后点击一下编译就能让C语言这种高级语言变成CPU能理解的机器码（二进制文件，比如.hex文件或.bin文件）。他们的具体流程是什么呢？
他们往往需要经历以下几个步骤：
1.预处理器处理宏定义、头文件包含等。处理源代码中的预处理指令；展开宏定义，将头文件内容插入到源代码中；删除注释，处理条件编译指令变成.i文件。输出给编译器。
2.编译器拿到.i文件后，将预处理后的源代码（.i文件）转换为汇编代码；并进行语法分析、语义分析、代码优化等变成.s文件。输出给汇编器。
3.汇编器拿到.s文件后，将汇编代码转换为机器可执行的目标文件，即二进制或十六进制机器码（Object File）变成.o文件。输出给链接器。
4.链接器会收到许多个.o文件。
- 其中每个.o文件包含：
- 机器代码：编译后的程序逻辑。
- 符号表：记录了该文件中定义的函数、全局变量，以及引用的外部符号（如其他文件中的函数或变量）。
- 重定位信息：用于在链接时调整地址。注意这里是相对地址，而非绝对地址
然后链接器对这些信息进行解析，读取他们的符号表和重定位信息，并将目标文件的代码段，数据段等合并到一个内存布局中（此时基于链接脚本（Linker Script）的规则和上述的相对地址分配绝对地址）。例如某个函数func在代码段的偏移量是0x100，但是链接脚本规定了代码段的起始地址是0x08000，则func的绝对地址就是0x08100，同时链接器还会在所有调用处，把其跳转地址更改为0x08100。
注意：链接器生成的绝对地址就是在磁盘或者flash上的地址！即程序加载到内存后，CPU 将直接使用这些地址访问指令和数据
回想我们曾经学过的虚拟地址空间，是不是恍然大悟。如果没有虚拟地址空间来隔离真实的物理内存布局，所有程序经过链接器生成的地址是不是都是类似的，即所有程序的代码段起始地址，数据段起始地址都是一样的。那么说明一个磁盘中就只能保存一个程序了，因为不同的程序会覆盖写到磁盘的相同为止。
有人可能要说了，那我修改我的链接器，每一次编译一个程序，就让链接器中缓存一些地址，它表示下一次链接器启动的位置，在理论上说这是可行的，但是实际操作中并不可能。因为它十分困难，而且不可拓展，相当于你每次写一个程序就要针对该程序规划一下内存布局。
所以我们的操作系统经过虚拟地址空间的页表映射，就能防止链接器生成的绝对地址直接访问内存了，而是你要写数据到磁盘对吗？没问题，我操作系统先检查一下物理内存哪里还有空，我分配给你使用。即使链接器生成的代码的地址是一样的，但是并不知道有虚拟地址空间这个东西，实际上是操作系统把相同的虚拟地址分配到了不同的物理内存上。
（2）可执行程序是如何烧录到单片机的flash的？
经过上一个步骤，我们已经在自己的电脑的磁盘中有了一份可执行程序，那么他是如何经过数据线拷贝到STM32的flash中的呢？
在STM32开发中，往往有许多不同的调试器，如ST-Link、J-Link等。他们只是在信号线的条数等地方有区别，这里我以ST-Link为例进行讲解。首先我们要知道STM32芯片中有一个模块叫做调试模块（如ARM CoreSight调试组件）。他的作用是下载程序到flash、以及调试程序。
在你点击下载的时候，分为以下步骤：
（1）调试器通过SWCLK（时钟线）和SWDIO（数据线）与STM32的调试模块（如ARM CoreSight调试组件）建立通信。且同时电脑要和调试器建立通信。
（2）电脑再分块发送数据或者指令（如下载指令或调试指令）给调试器，调试器将高级命令，转换成二进制机器码SWD 协议信号，如高低电平信号变化。将这个电平信号转发给STM32的调试模块，最后调试模块基于该电平信号解析，进行读写falsh把该二进制电平信号拷贝到单片机中。
这个过程中经过了哪些总线，以及哪些模块呢？
在这里有一个很关键的数据总线，叫做DCode总线，他的存在就是为了进行Cortex-M3内核与Flash进行数据交互的。
如果在STM32的结构图中具体就是这样的：
（3）单片机是如何从flash读取并执行可执行程序的？
通过上一个步骤，我们已经明白了可执行程序是如何从电脑主机流入到单片机的falsh中的，那么单片机在执行一个程序的时候肯定先要从flash中把他读入到自己的Cortex-M3内核中执行，他又是如何实现的呢？
其实他和上一个步骤大同小异。
1.PC程序计数器会生成一个指令的地址。该地址通过地址总线发送给flash模块
2.flash模块通过ICode传输指令，DCode传输可执行程序的相关变量、常量数据等
3.由核心进行运算，重复上述操作就能执行一个完成的程序。
注意：由于核心的运算速度远比flash的读取效率高，所以往往会有内存的存在，他是为了协调二者读写运算速度差异的，这个和之前C语言中学的类似。所以理论上flash向核心返回的数据（指的是运行数据而非指令数据）并不是直接交给了内核，而是先交给内存。
且由于ICode和DCode是可以并行操作的，所以极大程度上提高了指令和数据的并行传递。
这个过程中ICode是单向的，仅仅能保证Flash的指令能传递给内核。
指令的传递过程：
数据的传输过程：
当你了解了这两个过程，那么调试过程也会变得十分简单。
无非就是调试器向内核发送运行（continue 命令）或者暂停指令（pause 或 halt 命令）以及其他指令（逐条执行指令、在指定地址设置断点、读取或修改内存内容等），然后内核执行上面的执行操作。
注意：这里的调试器到内核的过程并不会经过任何总线，而是有额外的线路和内核直连，因为调试操作需要低延迟响应（通过总线会和其他模块产生竞争），直接通过硬件接口可避免 SRAM 和总线访问的额外开销。
