嵌入式系统（基于STM32）期末复习笔记
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本文发布于 863 天前，最后更新于 553 天前，其内容可能已经过时，请以实际发展为准。如图片或链接失效，请留言说明。 你真的收不住你的洛阳铲了吗？

自己上个学期期末为了应付嵌入式考试而根据老师PPT总结的笔记，昨晚我看到Xiaomage也把自己的笔记发到博客上去了，所以我也把我这个发上来了，希望能帮到同道中人（喜）
KG yyds! KB yyds!

概论

微处理器结构

冯·诺依曼架构：程序和数据在同一个存储体中，共用一组地址和数据线。~ARM7

丹佛架构：程序和数据存储器分开组织和存储，分为两组的地址、指令/数据线。执行时可以预读下一段指令。ARM9至今

ARM架构版本

v5：提高ARM/Thumb切换效率；E：增强DSP指令集，全部算法操作和16位乘法；J：Java加速

v6：Thumb-2、SIMD、灵活的配置和裁剪

v7：A：高性能开放应用平台，支持大型OS；R：高性能硬实时；M：低成本低功耗快中断

ARM变种

Thumb (T)：更高密度代码

长乘法 (M)、增强DSP指令 (E)、Java加速 (J)、ARM媒体功能扩展 (SIMD)

体系结构

处理器内核系统：

  • 中断控制器NVIC（输入为外中断信号组）
  • 取指单元、指令解码器、寄存器组、ALU、存储器接口
  • NVIC让PC指针自动指向下一个位置，并把当前要执行的命令取到IR中放置；根据取到的指令解释后利用ALU、寄存器和内存完成该指令所规定的操作，并储存指令结果
  • 取指、译码、执行、存结果

ARM控制器：14个输入、40个输出，分散控制：寄存器、ALU、Load/Store、乘法器、移位寄存器、协处理器和地址

寄存器

Cortex-M3有2种模式：处理器模式handler（异常处理例程代码，只有特权级模式）和线程模式thread（一般程序代码，有特权级和用户级）

异常：内/外中断源产生并引起CPU处理一个事件

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想要控制特定的硬件时，它就会产生一个SVC异常，然后OS提供的SVC异常服务例程执行，它再调用相关的OS函数，后者完成用户程序请求的服务。提出要求-得到满足的模式。

好处：用户程序和硬件脱钩。

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Cortex-M3的寄存器

  • 通用寄存器R0-R15

    • 低组寄存器R0-R7，所有指令均可访问
    • 高组寄存器R8-R12，所有32位指令和极少数16位Thumb指令能访问
    • R13：分为主堆栈指针MSP（缺省SP，由OS内核、异常服务例程等需要特权访问的程序使用。支持线程和处理器模式）和进程堆栈指针PSP（只能用于常规代码和线程模式）
    • R14：连接寄存器LR，调用子程序时存储返回地址。BL FUNC1 => PC=FUNC1并且LR=主程序MAIN的下一条指令地址。BL：分支并连接Branch & Link
    • R15：程序计数器PC，总是指向“正在取指”的指令，而不是指向“正在执行”的指令或正在“译码”的指令。M3有3级指令流水线，所以读PC的返回值是当前指令地址+4。

  • 特殊功能寄存器，只能被专用MRS/MSR访问，没有存储器地址

    • MRS：状态寄存器传送到通用寄存器；MSR：通用到状态

    • 状态寄存器组：PSRs或xPSR（应用程序APSR、中断号IPSR、执行EPSR）

    • 中断屏蔽寄存器组：

    • PRIMASK（置1就屏蔽除NMI和硬Fault之外的其他中断）

    • FAULTMASK（置1就只响应NMI）

    • BASEPRI（最大9位，屏蔽所有数值上不小于它的优先级）

    • 控制寄存器CONTROL：

    • [1]选堆栈指针，0选MSP（初始值），1选PSP（handler下不能选1）

    • [0]特权级和用户级的切换，0为特权1为用户

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存储部件

支持的数据类型：8b有/无符号字节，16b有符号和无符号半字（以2字节的边界对齐），32位有/无符号字（以4字节边界对齐）

对于字对齐的地址A，地址空间规律为：

  • 地址位于A的字由地址为A、A＋1、A＋2和A＋3的字节组成
  • 地址位于A的半字由地址为A和A＋1的字节组成
  • 地址位于A＋2的半字由地址为A＋2和A＋3的字节组成
  • 地址位于A的字由地址为A和A＋2的半字组成

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端序

  • 复位时决定使用大端序还是小端序，运行时无法更改，指令预取始终是小端
  • 配置控制存储空间的访问永远使用小端模式
  • 地址0xE0000000至0xE00FFFFF永远使用小端模式
  • REV/REVH指令完成端序转换

中断

执行过程：异常触发→查向量表→异常handler执行

特点：向量化中断。缩短了延迟，因为不需要软件判断中断源。进入异常handler时，自动压栈，结束时自动弹出

STM32的中断优先级分组：优先级越高，数值越低！抢占优先级相同的任务，响应优先级高的先响应，但不能互相抢占；抢占优先级不同的，可以抢占低优先级的CPU

总线

I-code是基于AHB-Lite协议的32位总线，用于取指，只读不写，一次取一个长字 (32bit)，也就是一两个Thumb指令，或者是一个或一部分的ARM/Thumb-2指令。

D-code是基于AHB-Lite的32位总线，用于数据传输，可读写，能单个读写也能顺序读写。

系统总线是内核访问数据、指令、调试模块的接口。优先级是数据访问>指令>中断向量>调试模块接口。

总线架构：AMBA

外部接口I/O

内核没有I/O部件和模块，通过AMBA总线扩充

存储器单元能重复读多次且结果一致，I/O设备的多次读取结果可能不同

流水线

效率可能变低，因为存在相关性问题和程序转移问题。

相关性问题：用乱序执行解决

程序转移问题：用分支预测解决

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3级流水线体现：M3有3级指令流水线，所以读PC的返回值是当前指令地址+4。例如当前是0x1000，此时流水线上有0x1000 - 0x1002，下一个要载入的是0x1003，执行MOV之后PC后移到0x1004。

MOV R0,PC       ; 0x1000
R0 = 0x1004

指令集

汇编代码：分号注释、标号顶格写、要声明文件结束

指令集背景

处理器包括指令集、微结构、工具链

指令集架构 (ISA)：指令和指令编码的列表。执行运算和处理功能、控制程序流、数据转移、辅助功能

指令分类和格式

是RISC，指令等长、内存管理简单、1周期执行、指令流水线化、硬连线控制、编译程序复杂度高

指令分类：数据处理（改变寄存器值）、数据传送（Load/Store)、子程序调用和跳转、饱和运算指令（多用于DSP）、隔离指令（主要是流水线和写缓冲）、标志位和条件转移

一般格式：opcode cond s Rd Rn operand2

指令操作符编码、执行条件编码、结果是否影响xPSR、目的寄存器编码、第一操作数寄存器编码、第二操作数

ANDNES R0,R1,#0x0F

状态寄存器xPSR：记录ALU 标志（0标志，进位标志，负数标志，溢出标志），执行状态，以及当前正服务的中断号。指令根据xPSR中的条件位自动判断是否执行指令，在条件满足时，指令执行，否则指令被忽略。

指令能带后缀：

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对条件后缀的使用有限制，只有转移指令（B 指令）才可随意使用。而对于其它指令，CM3 引入了 IF‐THEN 指令块，在这个块中才可以加后缀，且必须加以后缀。另外，S后缀可以和条件后缀在一起使用。共有 15 种不同的条件后缀。

第二操作数可以是立即数、寄存器、任意移位的寄存器。

操作数符号：立即数#、二进制2_和%、十六进制0x

逻辑移位操作（带在第二个操作数前面）：逻辑左移LSL（低位填0）、算术左移ASL（低位填0）、逻辑右移LSR（高位填0）、算术右移ASR（高位用第31位值填充）、循环右移ROR、扩展循环右移RRX（循环带C位）

指令关系：Thumb-2 (16/32位)>Cortex-M3>Thumb (16位)

ADD R0,R1           ; 使用传统的Thumb语法
ADD R0,R0,R1        ; UAL语法允许的等值写法R0=R0+R1

; 如果使用传统的Thumb语法，有些指令会默认地更新APSR，即使你没有加上S后缀。如果使用UAL语法，则必须指定S后缀才会更新。
ANDS R0,R0,R1       ; UAL下执行AND同时刷新APSR要加后缀S,而Thumb可能会默认的更新APSR

; Thumb-2下某些操作可以是16或32位操作,UAL下可以让汇编器选择用哪个,也可以手动确定
ADDS R0,#1          ; 汇编器为了省资源,自动选择16位
ADDS.N R0,#1        ; 强制16位(Narrow)
ADDS.W R0,#1        ; 强制32位(Wide)

寻址方式

处理器根据指令中的地址信息寻找物理地址的方式

立即寻址、寄存器间接寻址、堆栈寻址、相对寻址、寄存器寻址、基址加偏址寻址、块拷贝寻址

堆栈寻址：

  • 满递增堆栈：堆栈指针指向最后压入的数据，且由低地址向高地址生成。
  • 满递减堆栈：堆栈指针指向最后压入的数据，且由高地址向低地址生成。
  • 空递增堆栈：堆栈指针指向下一个将要放入数据的空位置，且由低地址向高地址生成。
  • 空递减堆栈：堆栈指针指向下一个将要放入数据的空位置，且由高地址向低地址生成。

用PUSH和POP指令控制堆栈，简略来讲，堆栈操作就是地址受SP控制的内存读写操作

Cortex-M3使用的是“向下生长的满栈”模型。堆栈指针SP指向最后一个被压入堆栈的32位数值。在下一次压栈（PUSH）时，SP先自减4，再存入新的数值

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POP操作刚好相反：先从SP指针处读出上一次被压入的值，再把SP指针自增4

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带符号扩展指令
意义：在二进制补码表示法中，最高位是符号位，且所有负数的符号位都是1。但是负数还有另一个性质，就是不管在符号位的前面再添加多少个1，值都不变。于是，在把一个8位或16位负数扩展成32位时，欲使其数值不变，就必须把所有高位全填1。至于正数或无符号数，则只需简单地把高位清0。因此，必须给带符号数开小灶。

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; 记R0=0x55aa8765,则
SXTB R1,R0    ; R1=0x00000065,65最高位是0,因此R1高位填0
SXTH R1,R0    ; R1=0xffff8765,8765最高位是1,因此R1高位填1

STM32基本原理

定时器

  • 内核中的SysTick计时器：简单的周期定时器，一般在μC/OS下面用它做系统滴答服务。位于M3核心中的NVIC，定时结束时发SysTick异常 (序号15)
  • 常规定时器
    • 高级控制定时器TIM1、TIM8：1. 测量输入信号的脉冲宽度；2. 产生输出波形；3. 与RCC（复位与时钟控制）配合，可以实现脉冲宽度和波形周期的精确调节
    • 通用定时器TIM2-TIM5：与高级控制定时器类似，可同步操作。
    • 基本定时器TIM6、TIM7：主要用来触发DAC同步电路

区别：刹车信号管理，应该用高级

SPI

MISO：主设备输入、从设备输出脚

MOSI：主设备输出、从设备输入脚

SCK：串口时钟，主机输出从机输入

NSS：从设备选择 (可选)，主要是用来片选

每个时钟周期内，MISO和MOSI各走1位数据

(写入)发送缓冲区→(MISO & LSBFIRST控制位)→移位寄存器→接收缓冲区(读出)

I2C

起始条件：SCL为高电平时，SDA线由高到低切换。

终止条件：SCL为高电平时，SDA线由低到高切换。

FSMC

FSMC扩展存储器：扩展存储器时FSMC可以把外存划分为256MB的4个连续存储块

开发环境

J-Link

Description: STM32F2xx Flash

Device Type: On-Chip Flash

Device Size: 1M

SPI

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ADC

/* 电压转换函数 */
while(1)
{
    adc_data = AD_read_data(0x8c00);
    volat = (float)adc_data/4096*2.5;
    sprintf(temp,"%4.1f",volat);
    LCD_DisplayStringLargeFont(100,100,(uint8_t *)temp);
    DelayMs(1000);
}

将得到的AD采样值转换为实际电压值：

image-20210608232121958

GPIO

使用GPIO模拟I2C

void iic_Init()
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure. GPIO_Pin = iic_scl|iic_sda;
    GPIO_InitStructure. GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;     //推挽输出
    GPIO_InitStructure. GPIO_Speed= GPIO_Speed_50MHz;   //设置数据传输速率为50MHz
    GPIO_Init(iic_gpio, &GPIO_InitStructure);
    GPIO_SetBits(iic_gpio, iic_scl|iic_sda);
}

GPIO库函数

//清零指定端口的端口位GPIO_ResetBits： 
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_10 ｜ GPIO_Pin_15);
//向指定GPIO数据端口写入数据 GPIO_Write ：
GPIO_Write (GPIOA, 0xAAAA);
//设置指定端口的端口位GPIO_SetBits ：
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_10 ｜ GPIO_Pin_15);

μC/OS-II

可移植、可嵌入ROM、可裁剪、抢占式、实时多任务

只是个实时OS内核，只有任务调度、任务管理、时间管理、存储管理、任务间通信与同步等基本功能，没有I/O管理、文件管理、网络等附加功能

$ EOF.

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