基于arm的单片机应用及实践第1章概述

1、基于ARM的单片机应用及实践STM32案例式教学武奇生 白璘 惠萌 巨永峰 编著机械工业出版社第一章 概述计算机的体系结构在冯诺依曼架构模型中，完整的计算机系统被认为包含五部分存储器，运算器，控制器，输入设备和输出设备。其中，运算器是计算环节需要处理好操作数的输入和输出的整体系统的中心。早期的冯诺依曼架构为了克服运算器数据吞吐能力有限的缺点，演化出了改进型冯诺依曼架构。改进型冯诺依曼架构改进型构架的各个模块的高速数据交换中心利用存储器这个大容量中介，极大的提高了效率。现代的嵌入式计算机往往在改进型冯诺依曼架构的基础上做进一步的改进。冯诺依曼架构的扩展冯诺依曼架构和哈佛结构比较二者的区别就是程序

2、空间和数据空间是否是一体的。冯诺依曼结构数据空间和地址空间不分开，哈佛结构数据空间和地址空间是分开的。面向嵌入式应用的架构改进 从冯诺依曼架构到其改进型再到哈佛结构、流水线技术、并行处理、硬件加速、之领域去和推断执行、层次设计和缓存、总线和交换式部件互连、虚拟化技术、寄存器窗口和实时技术等。以上看出，早期的架构技术更重于硬件改进，而现代则更偏向于软件和应用需求。单片机发展史单片机发展史1958年，TI公司的杰克基尔比发明了第一块集成电路；1961年，TI公司研发出第一个基于IC的计算机；1965年，高登摩尔提出了描述集成电路工业发展规律的摩尔定律；同年，中国第一块集成电路诞生；1968年，In

3、tel公司诞生，推出第一片1K字节的RAM;1981年，Intel公司推出了8位微控制器8051。单片机的发展趋势走向集成、嵌入式嵌入式系统的发展主要来源于两大动力，即社会需求的拉动和先进技术的推动，需求提供了市场，带动了新技术的产生，刺激了新技术的推广。嵌入式系统的发展动力示意图ARM、Cortex和STM32简介ARM体系结构的特点：1.体积小、低功耗、低成本、高性能。2.支持 Thumb(16 位)/ARM(32 位)双指令集，能很好的兼容8/16 位器件。3.大量使用寄存器，指令执行速度更快。大多数数据操作都在寄存器中完成。4.ARM处理器共有37个寄存器，分为若干个组（BANK）。A

4、RM处理器有7种不同的处理器模式。5.寻址方式灵活简单，指令长度固定，执行效率高。ARM7微处理器 ARM7为低功耗的32位RISC处理器，采用冯诺依曼体系结构。 ARM7微处理器系列具有如下特点： 具有嵌入式ICERT逻辑，无论调试还是开发都很方便。能够提供0.9MIPS/MHz的三级流水线结构。代码密度高并兼容16位的Thumb指令集。支持Windows CE、Linux、Palm OS等嵌入式操作系统。指令系统与ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容，便于用户程序的升级和产品的更新换代。主频最高可达130MIPS。 ARM9微处理器ARM9内核为32位RISC处理器，采用哈佛

5、结构 。 ARM9内核微处理器具有以下特点： 5级整数流水线，指令执行效率更高。提供1.1MIPS/MHz的运行速率。支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。支持32位的高速AMBA总线接口。内含全性能的MMU。内含MPU，支持实时操作系统。支持数据Cache和指令Cache。 ARM9E微处理器ARM9E内核为综合处理器。 ARM9E内核微处理器具有以下特点： 支持 DSP 指令集。5 级整数流水线，指令执行效率更高。支持32 位ARM 指令集和16 位Thumb 指令集。支持32 位的高速AMBA 总线接口。支持VFP9 浮点处理协处理器。内含全性能 MMU。内含MPU，支持实时操

6、作系统。支持数据 Cache 和指令Cache。主频最高可达300MIPS。 ARM11微处理器ARM1136J-S是第一个执行ARMv6架构指令的处理器 。 ARM1136J-S的主要特点如下： 集成了具有独立的load-sotore和算术流水线的8级流水线。ARMv6指令包含了针对媒体处理的单指令流多数据流（SIMD）扩展。采用特殊的设计，以改善视频处理性能。为了进行快速浮点运算，增加了向量浮点单元。 Cortex系列内核Cortex系列内核Cortex系列内核Cortex系列内核Cortex系列内核Cortex系列内核Cortex系列内核1.25 Thumb-20.74 Thumb /

7、0.93 ARMDMIPS/MHzxPSR. 2 modes. Stacked regs (1 bank)PSR. 6 modes. 20 Banked regs系统状态Architecture DefinedUndefined存储器印射Three No睡眠模式12 Cycles (6 when Tail Chaining)24-42 Cycles (Depending on LSM)中断响应时间NMI, SysTick and up to 240 interrupts. Integrated NVIC Interrupt Controller up to 1-255 PrioritiesFI

8、Q / IRQ中断3-Stage + Branch Speculation3-Stage流水线Thumb-2 (Merged 32/16-bit)ARM (32-bit) & Thumb (16-bit)指令集v7Mv4T体系结构Cortex-M3ARM7TDMI-SSTM32系列微控制器新的基于ARM内核的32位MCU系列 内核为ARM公司为要求高性能、低成本、低功 耗的嵌入式应 用专门设计的Cortex-M3内核超前的体系结构 高性能，低电压，低功耗，创新的内核以及外设简单易用/自由/低风险STM32系列微控制器管脚,软件和外设全线兼容FLASH32KB,64KB,128KBRAM6KB,

9、10KB,20KB封装LQFP-48/LQFP-64/LQFP-100/BGA-100电压范围2.0到3.6VI/O电压容限为5VCortex系列内核1.25 Thumb-20.74 Thumb / 0.93 ARMDMIPS/MHzxPSR. 2 modes. Stacked regs (1 bank)PSR. 6 modes. 20 Banked regs系统状态Architecture DefinedUndefined存储器印射Three No睡眠模式12 Cycles (6 when Tail Chaining)24-42 Cycles (Depending on LSM)中断响应时间

10、NMI, SysTick and up to 240 interrupts. Integrated NVIC Interrupt Controller up to 1-255 PrioritiesFIQ / IRQ中断3-Stage + Branch Speculation3-Stage流水线Thumb-2 (Merged 32/16-bit)ARM (32-bit) & Thumb (16-bit)指令集v7Mv4T体系结构Cortex-M3ARM7TDMI-SBoth lines have up to:5 x USART2 x SPI2 x I2CRTC11+ DMA2xWDG5 x 16

11、-bit TIMERS 80% GPIO 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“增强型”系列 EMI* DAC*I2S* 只有在Flash大于256KB（包含）的芯片上才包括DAC, EMI (144 pins), I2S, SDIOSD

12、IO*STM32F10 x的两条产品线STM32F103 “增强型”系列2V-3.6V 供电电压5V I/O 电压容限出色的时钟安全模式带有唤醒的低功耗模式内部RC嵌入的RESET-40/+85C（工业级）CORTEXM3 CPU72 MHz6kB-64kB SRAMARM Peripheral Bus(max 72MHz)2x 12-bit ADC16 channels / 1Msps1/2x I2C0/1x SPI1/2/4x USART/LINSmartcard / IrDaModem Control32/49/80* I/OsUp to 16 Ext. ITsFlash I/F32kB

13、-512kBFlash MemoryTemp Sensor1x USB 2.0FS1x bxCAN 2.0B6x 16-bit PWM Synchronized AC Timer2x Watchdog(independent & window)2/3/5x 16-bit TimerExternal Memory Interface*JTAG/SW DebugXTAL oscillators32KHz + 416MHzPower SupplyReg 1.8VPOR/PDR/PVDDMA 3 to 11* ChannelsNested vect IT Ctrl2x SPI/I2S*2x DAC*1

14、x SDIO*Image Sensor*1x USART/LINSmartcard/IrDaModem-Ctrl1x SPIBridgeBridge1x Systic TimerARM Lite Hi-Speed BusMatrix / Arbiter (max 72MHz)Int. RC oscillators32KHz + 8MHzPLLClock ControlRTC / AWUARM Peripheral Bus(max 36MHz)20B Backup RegsSTM32F103 “增强型”系列6 KB RAM*6 KB RAM*Flash Size(bytes)128 K256 K

15、512 K100 pins LQFP/BGASTM32F103Rx20 KB RAMSTM32F103Rx20 KB RAMSTM32F103Cx20 KB RAM32 K64 KSTM32F103Rx64 KB RAMSTM32F103Vx20 KB RAMSTM32F103Vx64 KB RAMSTM32F103Vx20 KB RAMSTM32F103Vx64 KB RAM3xUSART3x16-bit timer2xSPI, 2XI2CUSB, CAN, PWM2xADC64 pins LQFP48 pinsLQFP2xUSART2x16-bit timer1xSPI, 1xI2CUSB

16、, CAN, PWM2xADC5xUSART5x16-bit timer2xSPI, 2XI2CUSB, CAN, PWM2xADC, 2xDAC, I2SEMI (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 KSample

17、s April 07Production Oct 07Samples Dec 07Production Q2 08STM32F103 “增强型”系列特点高性能并不等于高功耗，STM32提出3种主要的能耗方案：Run模式：高动态功效；Standby模式：极低的功耗；能够工作在由电池直接供电的低电压状态下在Run模式下，以最高的72MHz速度全速在FLASH中运行,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能够提供2.0到3.6V的电源电压STM32F103 “增强型”系列特点STM32拥有三种不同的低功耗模式和一个通用的超频

18、方案使用户可以相对于性能优化功耗。STM32内部嵌入了一个实时时钟（RTC），它可以由一个32KHz的石英晶振或内部RC提供。实时时钟拥有自己独立的供电部分，可以由一个专门的纽扣电池或主电源相互交替供电。它的典型功耗值在3.3V时为1.5uA。且带有20B的数据备份区。从低功耗模式启动的启动时间典型值比从Stop模式启动的启动时间短10us，而从Standby模式重启时间典型值为40us。计算机发展趋势计算机发展必须结合物联网，物联网体系结构大致被认为有三个层次：物联网体系结构嵌入式系统的工程设计和开发1. 需求分析：功能性需求；性能性需求；可靠性需求；成本。2. 架构和概要设计：系统层次、剖面或模块划分 ；系统软硬件交互界面布局；硬件和元