基于ARM的單片機(jī)應(yīng)用及實(shí)踐課件-第一章

基于ARM的單片機(jī)應(yīng)用及實(shí)踐——STM32案例式教學(xué)武奇生白璘惠萌巨永峰編著機(jī)械工業(yè)出版社第一章概述計(jì)算機(jī)發(fā)展史計(jì)算機(jī)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(tái)計(jì)算機(jī)——電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)ENIAC。ENIAC預(yù)示著科學(xué)家將從奴隸般的計(jì)算中解脫出來(lái)。但是ENIACA存在兩大缺點(diǎn)：一、沒(méi)有嚴(yán)格意義上的存儲(chǔ)器；二、用布線接板進(jìn)行控制。如何解決這些缺點(diǎn)呢？——我們將在以后的學(xué)習(xí)中來(lái)探討。早期計(jì)算機(jī)，用于科研、軍事等領(lǐng)域，主要完成數(shù)值計(jì)算任務(wù)伴隨電子技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)成本更低，性能更強(qiáng)，應(yīng)用范圍更廣，實(shí)現(xiàn)了通用信息處理如今，伴隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)能夠像人腦一樣處理數(shù)據(jù)成為智能計(jì)算機(jī)發(fā)展的終極目標(biāo)計(jì)算機(jī)理論界的先驅(qū)者阿蘭·圖靈（AlanTuring）提出了圖靈機(jī)理論模型。圖靈的基本思想是用機(jī)器來(lái)模擬人用紙筆進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算的過(guò)程：在紙上寫(xiě)或擦出某個(gè)符號(hào)；把注意力從紙上的一個(gè)方向移動(dòng)到另一個(gè)方向。1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展史圖靈計(jì)算機(jī)模型圖靈機(jī)模型的思想奠定了整個(gè)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)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(gè)方面：他回答了計(jì)算的能力范圍；符合圖靈機(jī)原理的不同技術(shù)實(shí)現(xiàn)在理論上具有相同的計(jì)算原理。它在理論山峰規(guī)范了計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)思路。計(jì)算機(jī)的發(fā)展計(jì)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(jì)算機(jī)的信息處理。大致可以概括為以下三個(gè)趨勢(shì)：從人主動(dòng)邁向機(jī)動(dòng)的計(jì)算——追求更快的計(jì)算；從科學(xué)計(jì)算邁向智能計(jì)算——追求最好的計(jì)算；從集中計(jì)算邁向普適計(jì)算——計(jì)算無(wú)處不在。計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)在馮·諾依曼架構(gòu)模型中，完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)被認(rèn)為包含五部分存儲(chǔ)器，運(yùn)算器，控制器，輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。其中，運(yùn)算器是計(jì)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(yùn)算器數(shù)據(jù)吞吐能力有限的缺點(diǎn)，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(gè)模塊的高速數(shù)據(jù)交換中心利用存儲(chǔ)器這個(gè)大容量中介，極大的提高了效率?，F(xiàn)代的嵌入式計(jì)算機(jī)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(kuò)展馮·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(kāi)，哈佛結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)空間和地址空間是分開(kāi)的。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(jì)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(shí)時(shí)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(jī)發(fā)展史單片機(jī)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(gè)基于IC的計(jì)算機(jī)；1965年，高登·摩爾提出了描述集成電路工業(yè)發(fā)展規(guī)律的摩爾定律；同年，中國(guó)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(jī)的發(fā)展趨勢(shì)——走向集成、嵌入式嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展主要來(lái)源于兩大動(dòng)力，即社會(huì)需求的拉動(dòng)和先進(jìn)技術(shù)的推動(dòng)，需求提供了市場(chǎng)，帶動(dòng)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(dòng)力示意圖ARM、Cortex和STM32簡(jiǎn)介ARM系列內(nèi)核ARM體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：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(gè)寄存器，分為若干個(gè)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(jiǎn)單，指令長(zhǎng)度固定，執(zhí)行效率高。ARM7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(diǎn)：具有嵌入式ICE－RT邏輯，無(wú)論調(diào)試還是開(kāi)發(fā)都很方便。能夠提供0.9MIPS/MHz的三級(jí)流水線結(jié)構(gòu)。代碼密度高并兼容16位的Thumb指令集。支持WindowsCE、Linux、PalmOS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(jí)和產(chǎn)品的更新?lián)Q代。主頻最高可達(dá)130MIPS。ARM9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(diǎn)：5級(jí)整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高。提供1.1MIPS/MHz的運(yùn)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。支持?jǐn)?shù)據(jù)Cache和指令Cache。ARM9E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(diǎn)：支持DSP指令集。5級(jí)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指令集。支持32位的高速AMBA總線接口。支持VFP9浮點(diǎn)處理協(xié)處理器。內(nèi)含全性能MMU。內(nèi)含MPU，支持實(shí)時(shí)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ARM1136J-S是第一個(gè)執(zhí)行ARMv6架構(gòu)指令的處理器。ARM1136J-S的主要特點(diǎn)如下：集成了具有獨(dú)立的load-sotore和算術(shù)流水線的8級(jí)流水線。ARMv6指令包含了針對(duì)媒體處理的單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）擴(kuò)展。采用特殊的設(shè)計(jì)，以改善視頻處理性能。為了進(jìn)行快速浮點(diǎn)運(yùn)算，增加了向量浮點(diǎn)單元。Cortex系列內(nèi)核Cortex系列內(nèi)核Cortex系列內(nèi)核Cortex系列內(nèi)核Cortex系列內(nèi)核Cortex系列內(nèi)核Cortex系列內(nèi)核1.25Thumb-20.74Thumb/0.93ARMDMIPS/MHzxPSR.2modes.Stackedregs(1bank)PSR.6modes.20Bankedregs系統(tǒng)狀態(tài)ArchitectureDefinedUndefined存儲(chǔ)器印射Three

No睡眠模式12Cycles(6whenTailChaining)24-42Cycles(DependingonLSM)中斷響應(yīng)時(shí)間NMI,SysTickandupto240interrupts.IntegratedNVICInterruptControllerupto1-255PrioritiesFIQ/IRQ中斷3-Stage+BranchSpeculation3-Stage流水線Thumb-2(Merged32/16-bit)ARM(32-bit)&Thumb(16-bit)指令集v7Mv4T體系結(jié)構(gòu)Cortex-M3ARM7TDMI-SSTM32系列微控制器新的基于ARM內(nèi)核的32位MCU系列內(nèi)核為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(jì)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(jiǎn)單易用/自由/低風(fēng)險(xiǎn)STM32系列微控制器管腳,軟件和外設(shè)全線兼容FLASH——32KB,64KB,128KBRAM——6KB,10KB,20KB封裝——LQFP-48/LQFP-64/LQFP-100/BGA-100電壓范圍2.0到3.6VI/O電壓容限為5VBothlineshaveupto:5xUSART2xSPI2xI2CRTC11+DMA2xWDG5x16-bitTIMERS

80%GPIOratio

12bADC(1μs)Tempsensor

36MHzCPUUpto48KBSRAMUpto512KBFLASH

Upto64KBSRAM

CAN

USB

ACtimer

EMI*2x12bADC

(1μs)Temp

sensor

DAC*

72MHzCPUInt8MHzRC

Int32kHzRCPOR/PDR/

PVDbrownout“基本型”系列“增強(qiáng)型”系列

EMI*

DAC*I2S**只有在Flash大于256KB（包含）的芯片上才包括DAC,EMI(144pins),I2S,SDIOSDIO*STM32F10x的兩條產(chǎn)品線STM32F103“增強(qiáng)型”系列2V-3.6V供電電壓5VI/O電壓容限出色的時(shí)鐘安全模式帶有喚醒的低功耗模式內(nèi)部RC嵌入的RESET-40/+85°C（工業(yè)級(jí)）CORTEXM3CPU

72MHz6kB-64kBSRAMARMPeripheralBus(max72MHz)2x12-bitADC

16channels/1Msps1/2xI2C0/1xSPI1/2/4xUSART/LIN

Smartcard/IrDa

ModemControl32/49/80*I/OsUpto16Ext.ITsFlashI/F32kB-512kB

FlashMemoryTempSensor1xUSB2.0FS1xbxCAN2.0B6x16-bitPWM

SynchronizedACTimer2xWatchdog

(independent&window)2/3/5x16-bitTimerExternalMemoryInterface**JTAG/SWDebugXTALoscillators

32KHz+4~16MHzPowerSupply

Reg1.8V

POR/PDR/PVDDMA

3to11*ChannelsNestedvectITCtrl2xSPI/I2S**2xDAC**1xSDIO**ImageSensor**1xUSART/LIN

Smartcard/IrDa

Modem-Ctrl1xSPIBridgeBridge1xSysticTimerARMLiteHi-SpeedBus

Matrix/Arbiter(max72MHz)Int.RCoscillators

32KHz+8MHzPLLClockControlRTC/AWUARMPeripheralBus(max36MHz)20BBackupRegsSTM32F103“增強(qiáng)型”系列6KBRAM*6KBRAM*FlashSize(bytes)128K256K512K100pins

LQFP/BGASTM32F103Rx20KBRAMSTM32F103Rx20KBRAMSTM32F103Cx20KBRAM32K64KSTM32F103Rx64KBRAMSTM32F103Vx20KBRAMSTM32F103Vx64KBRAMSTM32F103Vx20KBRAMSTM32F103Vx64KBRAM3xUSART3x16-bittimer2xSPI,2XI2CUSB,CAN,PWM2xADC64pinsLQFP48pins

LQFP2xUSART2x16-bittimer1xSPI,1xI2CUSB,CAN,PWM2xADC5xUSART5x16-bittimer2xSPI,2XI2CUSB,CAN,PWM2xADC,2xDAC,I2SEMI(144pinsonly)STM32F103Rx64KBRAM144pinsLQFP/BGASTM32F103Zx64KBRAMSTM32F103Zx64KBRAMSTM32R103Zx64KBRAMSTM32F103Cx10KBRAMSTM32F103Rx10KBRAM*32kBdevicesexistw/otheCANandUSB,with6kBofRAM0KSamplesApril07ProductionOct07SamplesDec07ProductionQ208STM32F103“增強(qiáng)型”系列特點(diǎn)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(dòng)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(yùn)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“增強(qiáng)型”系列特點(diǎn)STM32擁有三種不同的低功耗模式和一