基于ARM的單片機應(yīng)用及實踐課件-第一章

1、基于基于ARMARM的的單片機應(yīng)用及實踐單片機應(yīng)用及實踐STM32案例式教學(xué)武奇生 白璘 惠萌 巨永峰 編著機械工業(yè)出版社第一章第一章 概述概述 計算機發(fā)展史計算機發(fā)展史1946年2月賓夕法尼亞大學(xué)的莫奇利和艾克特研制成功世界上第一臺計算機電子數(shù)字積分計算機ENIAC。ENIAC預(yù)示著科學(xué)家將從奴隸般的計算中解脫出來。但是ENIACA存在兩大缺點：一、沒有嚴(yán)格意義上的存儲器；二、用布線接板進(jìn)行控制。如何解決這些缺點呢？我們將在以后的學(xué)習(xí)中來探討。早期計算機，用于科研、軍事等領(lǐng)域，主要完成數(shù)值計算任務(wù)伴隨電子技術(shù)的發(fā)展，計算機成本更低，性能更強，應(yīng)用范圍更廣，實現(xiàn)了通用信息處理如今，伴隨科學(xué)技術(shù)

2、的發(fā)展，計算機能夠像人腦一樣處理數(shù)據(jù)成為智能計算機發(fā)展的終極目標(biāo)計算機理論界的先驅(qū)者阿蘭圖靈（Alan Turing）提出了圖靈機理論模型。圖靈的基本思想是用機器來模擬人用紙筆進(jìn)行數(shù)學(xué)運算的過程： 在紙上寫或擦出某個符號； 把注意力從紙上的一個方向移動到另一個方向。圖靈計算機模型圖靈機模型的思想奠定了整個現(xiàn)代計算機發(fā)展的理論基礎(chǔ)。其突出貢獻(xiàn)突出表現(xiàn)在以下幾個方面： 他回答了計算的能力范圍； 符合圖靈機原理的不同技術(shù)實現(xiàn)在理論上具有相同的計算原理。 它在理論山峰規(guī)范了計算機的實現(xiàn)思路。計算機的發(fā)展計算機的發(fā)展計算的本質(zhì)就是信息處理，而現(xiàn)代意義上的信息處理，主要是指基于電子計算機的信息處理。大致可

3、以概括為以下三個趨勢： 從人主動邁向機動的計算追求更快的計算； 從科學(xué)計算邁向智能計算追求最好的計算；從集中計算邁向普適計算計算無處不在。計算機的體系結(jié)構(gòu)在馮諾依曼架構(gòu)模型中，完整的計算機系統(tǒng)被認(rèn)為包含五部分存儲器，運算器，控制器，輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。其中，運算器是計算環(huán)節(jié)需要處理好操作數(shù)的輸入和輸出的整體系統(tǒng)的中心。早期的馮諾依曼架構(gòu)為了克服運算器數(shù)據(jù)吞吐能力有限的缺點，演化出了改進(jìn)型馮諾依曼架構(gòu)。改進(jìn)型馮諾依曼架構(gòu)改進(jìn)型構(gòu)架的各個模塊的高速數(shù)據(jù)交換中心利用存儲器這個大容量中介，極大的提高了效率。現(xiàn)代的嵌入式計算機往往在改進(jìn)型馮諾依曼架構(gòu)的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的改進(jìn)。馮諾依曼架構(gòu)的擴展馮馮諾依曼架

4、構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)比較諾依曼架構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)比較二者的區(qū)別就是程序空間和數(shù)據(jù)空間是否是一體的。馮諾依曼結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)空間和地址空間不分開，哈佛結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)空間和地址空間是分開的。面向嵌入式應(yīng)用的架構(gòu)改進(jìn)面向嵌入式應(yīng)用的架構(gòu)改進(jìn)從馮諾依曼架構(gòu)到其改進(jìn)型再到哈佛結(jié)構(gòu)、流水線技術(shù)、并行處理、硬件加速、之領(lǐng)域去和推斷執(zhí)行、層次設(shè)計和緩存、總線和交換式部件互連、虛擬化技術(shù)、寄存器窗口和實時技術(shù)等。以上看出，早期的架構(gòu)技術(shù)更重于硬件改進(jìn)，而現(xiàn)代則更偏向于軟件和應(yīng)用需求。單片機發(fā)展史單片機發(fā)展史1958年，TI公司的杰克基爾比發(fā)明了第一塊集成電路；1961年，TI公司研發(fā)出第一個基于IC的計算機；1965年，高登摩爾提出了描

5、述集成電路工業(yè)發(fā)展規(guī)律的摩爾定律；同年，中國第一塊集成電路誕生；1968年，Intel公司誕生，推出第一片1K字節(jié)的RAM;1981年，Intel公司推出了8位微控制器8051。單片機的發(fā)展趨勢單片機的發(fā)展趨勢走向集成、嵌入式走向集成、嵌入式嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展主要來源于兩大動力，即社會需求的拉動和先進(jìn)技術(shù)的推動，需求提供了市場，帶動了新技術(shù)的產(chǎn)生，刺激了新技術(shù)的推廣。嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展動力示意圖ARM系列內(nèi)核系列內(nèi)核ARM體系結(jié)構(gòu)的特點：1.體積小、低功耗、低成本、高性能。2.支持 Thumb(16 位)/ARM(32 位)雙指令集，能很好的兼容8/16 位器件。3.大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更

6、快。大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成。4.ARM處理器共有37個寄存器，分為若干個組（BANK）。ARM處理器有7種不同的處理器模式。5.尋址方式靈活簡單，指令長度固定，執(zhí)行效率高。ARM7微處理器微處理器ARM7為低功耗的32位RISC處理器，采用馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)。 ARM7微處理器系列具有如下特點： 具有嵌入式ICERT邏輯，無論調(diào)試還是開發(fā)都很方便。能夠提供0.9MIPS/MHz的三級流水線結(jié)構(gòu)。代碼密度高并兼容16位的Thumb指令集。支持Windows CE、Linux、Palm OS等嵌入式操作系統(tǒng)。指令系統(tǒng)與ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容，便于用戶程序的升級和產(chǎn)

7、品的更新?lián)Q代。主頻最高可達(dá)130MIPS。 ARM9微處理器微處理器ARM9內(nèi)核為32位RISC處理器，采用哈佛結(jié)構(gòu) 。 ARM9內(nèi)核微處理器具有以下特點： 5級整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高。提供1.1MIPS/MHz的運行速率。支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。支持32位的高速AMBA總線接口。內(nèi)含全性能的MMU。內(nèi)含MPU，支持實時操作系統(tǒng)。支持?jǐn)?shù)據(jù)Cache和指令Cache。 ARM9E微處理器微處理器ARM9E內(nèi)核為綜合處理器。 ARM9E內(nèi)核微處理器具有以下特點： 支持 DSP 指令集。5 級整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高。支持32 位ARM 指令集和16 位Thumb

8、指令集。支持32 位的高速AMBA 總線接口。支持VFP9 浮點處理協(xié)處理器。內(nèi)含全性能 MMU。內(nèi)含MPU，支持實時操作系統(tǒng)。支持?jǐn)?shù)據(jù) Cache 和指令Cache。主頻最高可達(dá)300MIPS。 ARM11微處理器微處理器ARM1136J-S是第一個執(zhí)行ARMv6架構(gòu)指令的處理器 。 ARM1136J-S的主要特點如下： 集成了具有獨立的load-sotore和算術(shù)流水線的8級流水線。ARMv6指令包含了針對媒體處理的單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）擴展。采用特殊的設(shè)計，以改善視頻處理性能。為了進(jìn)行快速浮點運算，增加了向量浮點單元。 Cortex系列內(nèi)核系列內(nèi)核Cortex系列內(nèi)核系列內(nèi)核Cor

9、tex系列內(nèi)核系列內(nèi)核Cortex系列內(nèi)核系列內(nèi)核Cortex系列內(nèi)核系列內(nèi)核Cortex系列內(nèi)核系列內(nèi)核Cortex系列內(nèi)核系列內(nèi)核1.25 Thumb-20.74 Thumb / 0.93 ARMDMIPS/MHzxPSR. 2 modes. Stacked regs (1 bank)PSR. 6 modes. 20 Banked regs系統(tǒng)狀態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)Architecture DefinedUndefined存儲器印射存儲器印射Three No睡眠模式睡眠模式12 Cycles (6 when Tail Chaining)24-42 Cycles (Depending on LSM)中

10、斷響應(yīng)時間中斷響應(yīng)時間NMI, SysTick and up to 240 interrupts. Integrated NVIC Interrupt Controller up to 1-255 PrioritiesFIQ / IRQ中斷中斷3-Stage + Branch Speculation3-Stage流水線流水線Thumb-2 (Merged 32/16-bit)ARM (32-bit) & Thumb (16-bit)指令集指令集v7Mv4T體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)Cortex-M3ARM7TDMI-SSTM32系列微控制器系列微控制器 新的基于ARM內(nèi)核的32位MCU系列 內(nèi)核

11、為ARM公司為要求高性能、低成本、低功 耗的嵌入式應(yīng) 用專門設(shè)計的Cortex-M3內(nèi)核 超前的體系結(jié)構(gòu) 高性能，低電壓，低功耗，創(chuàng)新的內(nèi)核以及外設(shè) 簡單易用/自由/低風(fēng)險STM32系列微控制器系列微控制器 管腳,軟件和外設(shè)全線兼容 FLASH32KB,64KB,128KB RAM6KB,10KB,20KB 封裝LQFP-48/LQFP-64/LQFP-100/BGA-100 電壓范圍2.0到3.6V I/O電壓容限為5VBoth lines have up to:5 x USART2 x SPI2 x I2CRTC11+ DMA2xWDG5 x 16-bit TIMERS 80% GPIO

12、ratio 12b ADC (1s)Temp sensor 36MHz CPUUp to 48KB SRAMUp to 512KB FLASH Up to 64KB SRAM CAN USB ACtimer EMI*2x12b ADC(1s)Tempsensor DAC* 72MHz CPUInt 8 MHz RCInt 32 kHz RCPOR/PDR/PVD brown out“基本型”系列“增強型”系列 EMI* DAC*I2S* 只有在只有在Flash大于大于256KB（ （包含）的芯片上才包括包含）的芯片上才包括DAC, EMI (144 pins), I2S, SDIOSDIO*S

13、TM32F10 x的兩條產(chǎn)品線的兩條產(chǎn)品線STM32F103 “STM32F103 “增強型增強型”系列系列 2 2V-3.6V V-3.6V 供電電壓 5V I/O 5V I/O 電壓容限 出色的時鐘安全模式 帶有喚醒的低功耗模式 內(nèi)部RCRC 嵌入的RESETRESET -40/+85-40/+85C C（工業(yè)級）CORTEXM3 CPU6kB SRAMARM Peripheral Bus 12-bit ADC16 channels / 1Msps1/2x I2C0/1x SPI1/2/4x USART/LINSmartcard / IrDaModem Control32/49/80* I

14、/OsUp to 16 Ext. ITsFlash I/F32kB-512kBFlash MemoryTemp Sensor2x Watchdog(independent & window)2/3/5x 16-bit TimerJTAG/SW DebugXTAL oscillators32KHz + 416MHzPower SupplyReg 1.8VPOR/PDR/PVDDMA 3 to 11* ChannelsNested vect IT Ctrl1x USART/LINSmartcard/IrDaModem-Ctrl1x SPIBridgeBridge1x Systic Time

15、rARM Lite Hi-Speed BusMatrix / Arbiter Int. RC oscillators32KHz + 8MHzPLLClock ControlRTC / AWUARM Peripheral Bus(max 36MHz)20B Backup RegsSTM32F103 “STM32F103 “增強型增強型”系列系列6 KB RAM*6 KB RAM*Flash Size(bytes)128 K256 K512 K100 pins LQFP/BGASTM32F103Rx20 KB RAMSTM32F103Rx20 KB RAMSTM32F103Cx20 KB RAM3

16、2 K64 KSTM32F103Rx64 KB RAMSTM32F103Vx20 KB RAMSTM32F103Vx64 KB RAMSTM32F103Vx20 KB RAMSTM32F103Vx64 KB RAM3xUSART3x16-bit timer2xSPI, 2XI2CUSB, CAN, PWM2xADC64 pins LQFP48 pinsLQFP2xUSART2x16-bit timer1xSPI, 1xI2CUSB, CAN, PWM2xADC5xUSART5x16-bit timer2xSPI, 2XI2CUSB, CAN, PWM2xADC, 2xDAC, I2SEMI (

17、144 pins only)STM32F103Rx64 KB RAM144 pins LQFP/BGASTM32F103Zx64 KB RAMSTM32F103Zx64 KB RAMSTM32R103Zx64 KB RAMSTM32F103Cx10 KB RAMSTM32F103Rx10 KB RAM* 32kB devices exist w/o the CAN and USB, with 6kB of RAM0 KSamples April 07Production Oct 07Samples Dec 07Production Q2 08STM32F103 “STM32F103 “增強型增

18、強型”系列特點系列特點 高性能并不等于高功耗，STM32提出3種主要的能耗方案：Run模式：高動態(tài)功效；Standby模式：極低的功耗；能夠工作在由電池直接供電的低電壓狀態(tài)下 在Run模式下，以最高的72MHz速度全速在FLASH中運行,STM32的功耗也只有36mA(0.5mA/MHz)。 在Standby模式典型功耗值更是低到2uA。 Battery能夠提供2.0到3.6V的電源電壓STM32F103 “STM32F103 “增強型增強型”系列特點系列特點 STM32擁有三種不同的低功耗模式和一個通用的超頻方案使用戶可以相對于性能優(yōu)化功耗。 STM32內(nèi)部嵌入了一個實時時鐘（RTC），它可以由一個32KHz的石英晶振或內(nèi)部RC提供。實時時鐘擁有自己獨立的供電部分，可以由一個專門的紐扣電池或主電源相互交替供電。它的典型功耗值在3.3V時為1.5uA。且?guī)в?0B的數(shù)據(jù)備份區(qū)。 從低功耗模式啟動的啟動時間典型值比從Stop模式啟動的啟動時間短10us，而從Standby模式重啟時間典型值為40us。計算機發(fā)展趨勢計算機發(fā)展趨勢計算機發(fā)展必須結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)大致被認(rèn)為有三個層次：物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)的工程設(shè)計和開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的工程設(shè)計和開發(fā)1. 需求分析：功能性需求；性能性需求；可靠性需求；成本。2. 架構(gòu)和概要設(shè)計：系統(tǒng)層次、剖面或模塊劃分 ；系統(tǒng)軟硬