ARM微控制器與嵌入式系統

個牛人在ARM實現嵌入式系統的過程

第一章  概覽

1.1課程概覽

1. 認識ARM嵌入式系統（什麼是ARM？什麼是嵌入式系統？）
2. 備戰智能車
3. 在科技活動中玩起來
4. 積累計算機、電路基礎知識

1.2如何學好嵌入式系統

1. 興趣
2. 熱愛
3. 玩起來

第二章  緒論

2.1計算機的基本概念、發展歷史

1. 改變世界：機械之美——機械時期的計算設備

2. Turing machine    

3. ABC
4. 馮.諾依曼體系結構
5. 進制轉換ASCIItab
6. 數字（digital  discrete如：指針走過變盤）與模擬（analog  continue如：數字時鐘||時間上是間隔的，數值上是量化的）
7. 計算機系統中0、1的表示  例如：用某一電壓段來表示高電平和低電平（TTL 和 CMOS 標準）

 2.2從晶體管到CPU

 

 

 

 拋開晶體管的諸多嚴謹的限制，只將其看作高電壓導通或者低電壓導通的開關

 

 

與門=與非門+非門

 

 

由控制電路爲0爲1來控制電路的通斷，當其爲0時out端處於高阻狀態（電路視爲斷路）狀態不肯定（能夠對應爲turingmachine中紙帶上的空白），當其爲1時電路導通out對應in

 

把晶體管和開關拋開，更多從邏輯上來理解。更多的邏輯關係：

 

 

 邏輯的組合 產生功能模塊

半加器（不能進位）

 

 

全加器

 

將抽象出來的「方塊」組合獲得一個4位加法器

 

數據流向的控制電路也能夠經過邏輯電路來實現

譯碼電路

分析可知只有當「A端」爲「1 0 0 1」時「S端」能夠輸出「1」，結合以前的三態門能夠實現取出特定編號（如：「1 0 0 1」）中數據的功能。

 

多路選擇

由兩個輸入信號產生四個控制信號

 以上，咱們大概能夠將其稱爲組合邏輯電路（其輸出值老是取決於當前的輸入值，一有輸入立刻會看到輸出）。下面進入時序邏輯電路（有反饋的出現，out值還取決於其上一值等。）

 

電路分析:

當c爲0時d的輸入會被鎖死（即d的值對輸出不起做用）例子：一、(c = 1;d = 0;)->(Q = 0;Q' = 1;) 二、（c = 0;d = 0;）->(Q = 0;Q' = 1;) 三、(c = 0;b = 1;)->(Q = 0;Q' = 1)        （當c爲0時e，f必都爲1；若上次Q = 0，Q' = 1或Q = 1，Q' = 0；因爲反饋的存在Q和Q'的值不改變，也從而達到存儲數據的功能）

 

電路分析：

經過不斷交替給clk 0 1以實現移位操做（也能夠看作乘除法）（在實際中此電路並不起做用，由於數值傳遞很快，當給clk  1 時電路中全部位都會刷新爲0）

 

 

 

 

 

 電路分析：

 

D觸發器級聯起來就能夠實現以上功能而不會出錯。

 

 一個概念CPU（大概幾百幾千個晶體管）

 

 

 

 

 功能模塊---助記符---彙編---程序

 

2.3概念CPU、微控制器MCU和嵌入式系統

 通用CPU的發展之路

微控制器MCU不單單是一個簡單的CPU

MCU  VS  CPU

 

                                                                                

 

嵌入式系統

 

 

 

 

 

2.4八卦計算機歷史

2.5不一樣領域 不一樣系列的嵌入式系統

2.6ARM歷史與MKL25Z128 MCU

 

 

 

 

第二章到此結束，在經過本章學習後咱們從計算機聚焦到了MCU上，不侷限於課堂的幾十分鐘，習慣於閱讀英文文檔（最好是官方的）。

 

第三章    MCU基礎

3.1CPU的基本結構和運行機制

上圖是一個基本的MCU內部結構，在瞭解了MCU內部結構後，在本章中最重要的是在此基礎上理解編程的內部運行機理。接下來咱們首先學習MCU內部結構。

 

MCU的概覽

 

 

 分析其中的CPU

 

紅色（運算器，存儲器，控制器）必要，灰色非必要

 將ALU拎出來

 

下面分析Quiz，以對四要素尤爲是Status加深理解

1. A + B = C      操做數：A  B    ； 運算 ： +   ； 運算結果： C ； 標誌位：若C的結果發生溢出，則flag會產生溢出記錄；  
2. A>B              操做數：A  B    ； 運算 ：> （本質上是減法運算，產生一個最高位爲1的補碼，即負數）    ; 運算結果 ： 1 or 0 ； 標誌位 ： 記錄產生的結果是0 or 1；
3. A>>=1（A等於A右移一位）操做數：A  ；運算： >>=；運算結果：一個數 ；標誌位：當右移至0時產生一個標誌；

運算邏輯單元所產生的結果及狀態位須要保存下來，大部分CPU會有叫作register的東西來完成

 

 

 

 

那麼操做數又是如何加載到CPU的呢？

 

既然數據能夠存儲在Memory中，那麼如何存取就涉及到了地址與存儲了：

這一切又是如何運行起來的：

在時序電路（「依次」）的驅動下CPU完成指令的獲取：

 

當指令組成程序時：

 

被調函數完成執行後後會返回主調函數，這就要求PC = adress ,那麼如何完成呢？早期CPU會增長一個返回地址寄存器，可是若是出現函數的嵌套調用，就會要求有多個返回地址寄存器，那麼問題就出現了，寄存器不能無限制的加下去，這就出現了一種新機制-------------->堆棧

 3.2.1堆（heap）棧（stack）的概念

上面文章的中文翻譯版

 

 堆棧多數時候指的只是棧

定義：

做用：

堆棧的運行機制：

堆和棧是有很大區別的，但在嵌入式系統中一般不使用堆。

堆棧溢出（難點）

sp指針寄存器，pc指針寄存器，數據寄存器，標誌位寄存器。。。稱爲register file（寄存器組）or programmer‘s model（編程模型） 。

學習一種cpu時：

1. 瞭解其可編程的寄存器組
2. 瞭解其指令集

 

兩種常見的mcu模型：

 

 3.2.2堆棧的概念  頭腦體操

下面經過一個小程序來理解堆棧的運行機理

程序跑在一個如上圖所示的12系列的mcu中

其寄存器組分別爲：一個16位的D寄存器（可分爲兩個8位的數據寄存器A B），兩個尋址寄存器X Y，一個棧指針寄存器，一個程序計數器，一個狀態位寄存器。

 

 初始狀態

 

完成堆棧初始化

 

a值入棧

 

b值入棧

 

調用子函數，pc發生跳轉，在棧中保存子函數執行完後要執行的代碼的地址，sp發生跳轉

 

執行子函數

 

子函數執行返回語句，將棧中的0x30，0x0c的值賦給pc指針寄存器，sp指針寄存器返回到子函數執行前的位置，以前的0x30,0x0c依然在棧中只是不被棧所認可（注意並非清空只是能夠被心之所覆蓋）。

 

 

 這個程序實現了a b值交換

3.3.1 ARM的體系結構

 進入ARM Cotex M的32位微處理器

常見的微處理器架構：powerpc       coldfire      arm

 

如下是對xPSR這個32位寄存器地詳細分析：

xPSR的每一位都會有其對應的功能，咱們經過其別名（APSR(應用程序狀態寄存器)   IPSR （中斷程序寄存器）  EPSR(程序運行狀態寄存器)）來訪問其特定位；

APSR：訪問最高四位，來判斷是否有溢出，是否進位。。。

IPSR：訪問低位，保存中斷號

EPSR：訪問中間的T，是否有中斷髮生

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優先級屏蔽寄存器（PRIMASK  register）在這裏開關總中斷

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cpu狀態寄存器(用戶態(輔堆棧)or特權態(主堆棧))

 

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thread mode :(進程模式)簡單理解爲運行main和main調用

handler mode:(句柄模式)發生中斷和響應中斷

 

 

 

 

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 3.3.2ARM體系結構----頭腦體操

 

 

 

 

以上和16位cpu類似

 

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函數調用有不一樣之處：

• 函數調用指令結束後的指令的地址被記錄在LR寄存器而不是壓入堆棧（armcpu在發生一級調用時會這樣作）
• ARM體系結構向下兼容（thumb and arm ）的特性：在將地址賦給LR寄存器時將最低位置1，在將地址值值賦給pc指針寄存器時將值再恢復爲0；

 

 

 

 

總結：

• 完成了兩個內存中值的交換
• 堆棧先入後出的性質    

 

3.4中斷的概念和機制

一、走近中斷

 

 二、定義中斷

 三、中斷的使用（只是中斷髮生時可以讓CPU響應的條件，具體使用方式在下節給出）

（1）打開/關閉總的控制中斷的開關

 

（2）設置某一中斷髮生的標誌

（3）中斷的工做流程

 

3.5中斷子程的概念和編程

 

3.6 復位、時鐘、存儲器和總線

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3.7 小結：MCU的整體結構和程序運行機制

第四章  ARM微控制器的開發

4.1 第一種外設：io

 

 

 

 

 

 

4.2 IO外設的編程實操-點亮LED