PM0214
Programming manual
STM32F4xxx
Cortex-M4 programming manual
Introduction
This programming manual provides information for application and system-level software
developers. It gives a full description of the STM32F4xxx Cortex™-M4 processor
programming model, instruction set and core peripherals.
The STM32F4xxx Cortex™-M4 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 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
This programming manual applies to the products and tools listed in
Table 1.
Table 1.
Applicable products and tools
Types
Microcontrollers
Evaluation tools
STM32F4xxx
STM32F4DISCOVERY
Part numbers
July 2012
Doc ID 022708 Rev 2
1/243
www.st.com
Contents
PM0214
Contents
1
About this document . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.1
1.2
1.3
Typographical conventions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
List of abbreviations for registers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
About the STM32 Cortex-M4 processor and core peripherals . . . . . . . . . 13
1.3.1
1.3.2
1.3.3
1.3.4
System level interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Integrated configurable debug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Cortex-M4 processor features and benefits summary . . . . . . . . . . . . . . 14
Cortex-M4 core peripherals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2
The Cortex-M4 processor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1
Programmers model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1.1
2.1.2
2.1.3
2.1.4
2.1.5
2.1.6
Processor mode and privilege levels for software execution . . . . . . . . . 16
Stacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Core registers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Exceptions and interrupts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Data types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
The Cortex microcontroller software interface standard (CMSIS) . . . . . 25
2.2
Memory model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.2.4
2.2.5
2.2.6
2.2.7
2.2.8
Memory regions, types and attributes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Memory system ordering of memory accesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Behavior of memory accesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Software ordering of memory accesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Bit-banding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Memory endianness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Synchronization primitives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Programming hints for the synchronization primitives . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3
Exception model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.1
2.3.2
2.3.3
2.3.4
2.3.5
2.3.6
2.3.7
Exception states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Exception types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Exception handlers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Vector table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Exception priorities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Interrupt priority grouping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Exception entry and return . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2/243
Doc ID 022708 Rev 2
PM0214
Contents
2.4
Fault handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.4.1
2.4.2
2.4.3
2.4.4
Fault types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Fault escalation and hard faults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Fault status registers and fault address registers . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Lockup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.5
Power management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.5.1
2.5.2
2.5.3
2.5.4
Entering sleep mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Wakeup from sleep mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
The external event input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Power management programming hints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3
The STM32 Cortex-M4 instruction set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1
3.2
3.3
Instruction set summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
CMSIS intrinsic functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
About the instruction descriptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.3.1
3.3.2
3.3.3
3.3.4
3.3.5
3.3.6
3.3.7
3.3.8
Operands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Restrictions when using PC or SP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Flexible second operand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Shift operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Address alignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
PC-relative expressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Conditional execution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Instruction width selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.4
Memory access instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.4.1
3.4.2
3.4.3
3.4.4
3.4.5
3.4.6
3.4.7
3.4.8
3.4.9
ADR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
LDR and STR, immediate offset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
LDR and STR, register offset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
LDR and STR, unprivileged . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
LDR, PC-relative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
LDM and STM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
PUSH and POP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
LDREX and STREX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
CLREX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.5
General data processing instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.5.1
3.5.2
ADD, ADC, SUB, SBC, and RSB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
AND, ORR, EOR, BIC, and ORN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Doc ID 022708 Rev 2
3/243
Contents
3.5.3
3.5.4
3.5.5
3.5.6
3.5.7
3.5.8
3.5.9
3.5.10
3.5.11
3.5.12
3.5.13
3.5.14
3.5.15
3.5.16
3.5.17
3.5.18
3.5.19
3.5.20
3.5.21
3.5.22
3.5.23
3.5.24
PM0214
ASR, LSL, LSR, ROR, and RRX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
CLZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
CMP and CMN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
MOV and MVN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
MOVT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
REV, REV16, REVSH, and RBIT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
SADD16 and SADD8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
SHADD16 and SHADD8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
SHASX and SHSAX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
SHSUB16 and SHSUB8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
SSUB16 and SSUB8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
SASX and SSAX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
TST and TEQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
UADD16 and UADD8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
UASX and USAX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
UHADD16 and UHADD8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
UHASX and UHSAX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
UHSUB16 and UHSUB8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
SEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
USAD8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
USADA8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
USUB16 and USUB8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.6
Multiply and divide instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.6.1
3.6.2
3.6.3
3.6.4
3.6.5
3.6.6
3.6.7
3.6.8
3.6.9
3.6.10
3.6.11
3.6.12
MUL, MLA, and MLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
UMULL, UMAAL and UMLAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
SMLA and SMLAW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
SMLAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
SMLAL and SMLALD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
SMLSD and SMLSLD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
SMMLA and SMMLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
SMMUL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
SMUAD and SMUSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
SMUL and SMULW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
UMULL, UMLAL, SMULL, and SMLAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
SDIV and UDIV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
3.7
Saturating instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
3.7.1
SSAT and USAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4/243
Doc ID 022708 Rev 2
PM0214
3.7.2
3.7.3
3.7.4
3.7.5
3.7.6
3.7.7
Contents
SSAT16 and USAT16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
QADD and QSUB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
QASX and QSAX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
QDADD and QDSUB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
UQASX and UQSAX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
UQADD and UQSUB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.8
Packing and unpacking instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
3.8.1
3.8.2
3.8.3
PKHBT and PKHTB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
SXT and UXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
SXTA and UXTA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
3.9
Bitfield instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
3.9.1
3.9.2
3.9.3
3.9.4
3.9.5
3.9.6
3.9.7
3.9.8
BFC and BFI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
SBFX and UBFX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
SXT and UXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
Branch and control instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
B, BL, BX, and BLX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
CBZ and CBNZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
IT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
TBB and TBH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
3.10
Floating-point instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
3.10.1
3.10.2
3.10.3
3.10.4
3.10.5
3.10.6
3.10.7
3.10.8
3.10.9
VABS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
VADD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
VCMP, VCMPE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
VCVT, VCVTR between floating-point and integer . . . . . . . . . . . . . . . 153
VCVT between floating-point and fixed-point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
VCVTB, VCVTT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
VDIV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
VFMA, VFMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
VFNMA, VFNMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
3.10.10 VLDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
3.10.11 VLDR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
3.10.12 VLMA, VLMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
3.10.13 VMOV immediate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
3.10.14 VMOV register . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
3.10.15 VMOV scalar to ARM core register . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
3.10.16 VMOV ARM core register to single precision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
3.10.17 VMOV two ARM core registers to two single precision . . . . . . . . . . . . 163
Doc ID 022708 Rev 2
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