嵌入式系统原理

第一章 导论

嵌入式系统是一切非PC和大型计算机系统。

第二章 Cortex-M3 微处理器

1. 内核结构

• 核心架构：Cortex-M3 是基于 ARMv7-M 架构的 32 位处理器内核，采用高性能的哈佛结构，寻址能力为4GB。

• 设计模式：ARM 公司设计内核，芯片制造商（如 ATMEL、NXP、TI）在此基础上添加不同的外设、存储器和 I/O，形成各类微控制器 (MCU)。

2. 流水线技术

• 定义：将指令分解为多步并重叠执行，以实现并行处理。

• 流水线技术三大指标：吞吐率、加速比、效率

（1）吞吐率

• 单位时间内完成的指令条数
  
• $流水时间 = 三个阶段总时间 + （指令条数 -1）\times 时间最长的阶段$

例题：

（2）加速比

• 不使用流水线时间和使用流水线时间之比

若流水线各段时间均为 $\Delta t$，流水线级数 $m$，指令数为 $n$：
分子：$nm\Delta t$
分母：$m\Delta t + (n-1)\Delta t$ （流水线计算公式）
则加速比为：

$$S_p = \frac{nm\Delta t}{m\Delta t + (n-1)\Delta t}$$

注意：平衡的流水线效率更优

3. 系统总线

• 总线：计算机中，各个部件之间传送信息的公共通路
• 分类：数据总线、地址总线、控制总线

AMBA

• AMBA 是一种高级微控制器总线架构
  主要包含以下两种不同的标准：

1. AHB（Advanced High-performance Bus）：高级高性能总线
   • 多个主机和多个从机的连接
     
   • AHB-lite：单个主机和多个从机
2. APB（Advanced Peripheral Bus）：高级外设总线
   • 低成本、低功耗、结构简单
     

Cortex-M3 总线结构

4. 寄存器与储存结构

• 堆栈：先进后出，由一块连续内存、一个栈顶指针组成
• 储存结构：Crtex-M3与外设统一编址，这种方式称为储存器地址映射

5. 工作模态

（1）两种模式与特权等级

（2）三种模态

6. 中断与异常

$$保存现场（压栈）\rightarrow 取向量（查找 ISR 地址）\rightarrow 更新寄存器（跳入 ISR 执行）$$

（1）中断悬起

• 如果中断发生时，正在处理更高优先级异常/中断被屏蔽，此时中断被悬起
  

（2）中断活跃

（3）中断请求信号保持

7. 调试与跟踪

• 基于CoreSight架构实现以下两种模式
  
• 调试访问端口：DAP
• 调试接口：DP（一端连接 DAP，一端连接到调试器）
• 跟踪接口：CoreSight 架构还可以用于数据跟踪

8. Cortex-M3 实用功能

（1）SysTick 定时器

SysTick 是集成在内核中的 24 位系统节拍定时器，对实时操作系统（RTOS）至关重要

• 基本机制：它是一个 24 位的倒计数定时器，当计数减到 0 时，会自动从 RELOAD 寄存器中重装定时初值
• 运行状态：只要不清除 SysTick 控制及状态寄存器中的使能位，定时器就会持续运行
• 核心寄存器：
  • CTRL (0xE000E010)：控制和状态寄存器，用于设置时钟源、使能中断及查询计数标志
  • RELOAD (0xE000E014)：重装载值寄存器，存储定时器溢出后自动加载的初值
  • CURRENT (0xE000E018)：当前值寄存器，反映当前的计数值
  • CALIB (0xE000E01C)：校准值寄存器，提供硬件参考时钟信息
• 主要用途：常用于产生操作系统所需的“滴答”中断，或作为基本的定时/计数工具

（2）电源管理

Cortex-M3 在内核级别提供了功耗优化方案，支持两种主要的睡眠模式

• 睡眠模式 (Sleep)：由内核的 SLEEPING 信号指示
• 深度睡眠模式 (Deep Sleep)：由内核的 SLEEPDEEP 信号指示，用于更大幅度降低功耗
• 唤醒机制：在睡眠状态下，系统时钟可以停止，但通常保持 FCLK 运行，以确保处理器能被 SysTick 异常或外部中断唤醒
• 状态判定：开发者可以通过读取 NVIC（嵌套向量中断控制器）的相关系统控制寄存器来判定当前的睡眠模式及上下文

（3）复位序列

复位是处理器通电或重启后的起始动作，Cortex-M3 有一套固定的操作流程来定栈和定位代码入口

• 读取 MSP：处理器首先从地址 0x00000000 处读取 32 位整数，作为 主堆栈指针 (MSP) 的初始值，从而完成“定栈”
• 读取 PC：随后从地址 0x00000004 处读取 32 位整数，作为 程序计数器 (PC) 的初始值，即复位向量，决定代码执行的入口地址
• 堆栈模型：在 Cortex-M3 中，堆栈是向下生长的（即从高地址向低地址方向压栈）
• 内存布局示例：例如复位向量指向地址 0x00000101，则处理器将从该处的启动引导代码开始运行

第三章 STM32 最小系统及开发环境

1. 系统组成

• 最小系统：用最少的元件组成微控制器可以工作的系统。

  （1）微控制器

• 核心芯片工作电压通常为 2.0V～3.6V
  

（2）电源电路

• 常用 AMS1117 稳压芯片将 5V 电压降至 3.3V 供 VDD 使用。
• STM32 内部的电压调节器将外部 3.3V 的电压转化为 1.8V 提供给 Cortex-M3、内存以及外设使用。
• C1、C2 是输入电容，防止断电后电压倒置。
• C3、C4 是输出滤波电容，抑制自激振章 & 稳定输出电压。

（3）时钟电路

• 时钟频率越高，单片机运行速度越快，功耗越大。
  
• 高速外部时钟 (HSE)：通常外接 8MHz 晶振，通过 PLL 倍频最高可达 72MHz 作为系统主时钟。
• 低速外部时钟 (LSE)：外接 32.768kHz 晶振，主要用于 RTC模块（实时时钟） 精准计时。

（4）复位电路

• 低电平复位
  • 引脚：NRST
  • 依靠 RC 电路产生的 ~1ms 延迟。
  • 上电瞬间电容两端电压不能突变，Reset 出现短暂低电平。之后芯片复位，进入充电时间：
    $t=1.1R\times C$（电阻、电容）

• 手动按键复位
  • 按键按下时，Reset 短暂接地，产生低电平

（5）调试和下载电路

调试接口：JTAG（5引脚）、SWD（2引脚，更常用）
Cortex-M3 的三种启动方式，主要依靠不同电平组合：

BOOT0	BOOT1	启动模式	说明
0	任意	用户闪存 (Flash)	最常用的正常运行模式，又叫只读储存器（从 0x08000000 启动）
1	0	系统存储器	用于串口下载程序（ISP）
1	1	内置 SRAM	用于在内存中调试代码

2. 开发环境 & 基础配置

HAL库开发： STM32CubeMX+Keil 5

• 下载工具：
  J-Link：通用型，支持多种内核及 IDE 。
  ST-Link：ST 公司专用于 STM8/STM32，支持全速运行和单步调试 。

第四章 嵌入式C语言

C语言的优势：汇编语言操作底层、功能性强
外设功能模块化设计：包含一个源文件（.c文件）和一个头文件（.h文件）

1. 数据类型 & 运算符

（1）数据类型

• STM32 是32位处理器，与一般64位电脑不同。

数据类型	字节数
char	1
short	2
int/long/float/指针	4
double	8

• 1字节 = 8 bit

（2）运算符

• 三大战术 (背下来)：
  1. 置1 (Set)：用 |。 例如 Reg |= (1 << 3); (第3位置1)
  2. 清0 (Clear)：用 & ~。 例如 Reg &= ~(1 << 3); (第3位清0)
  3. 翻转 (Toggle)：用 ^。 例如 Reg ^= (1 << 3); (第3位翻转)

注意：“异或”是不同取1，相同取0。

2. 四大核心修饰符

（1）const（只读）

• 作用：定义只读变量，保证其值在编译时不能改变。
• 目的：防止变量的值被误改。
• 要求：const关键词修饰的变量在声明时必须初始化。
• 属性：变量是全局定义的，储存在Flash（只读储存器）。
• 格式：` const uint32_t(此处为初始化) a = 0xffff1111;

（2）static（静态）

修饰局部变量：修饰后的变量称为静态变量，存储在静态区，函数结束后不销毁，下次调用保留上次的值。
修饰全局变量/函数：限制作用域，只在当前.c文件中可见（私有化），其它源文件不能引用，避免了相同变量名而引发的错误。

（3）volatile（易变）

• 作用：每次读取或者修改变量值的时候，必须从内存中重新读取，而不是使用保存在寄存器里的备份。

三个应用场景要背下来：

• 多任务共享的变量
• 硬件寄存器映射地址
• 中断程序修改的主程序变量

（4）extern（外部）

注意：extern是一个重新声明，而不是定义。

• 含义：声明变量/函数是在别的文件定义的。例如：main.c要调用led.c里的变量，必须在main.c里用extern声明。

3. struct结构体

第五章 GPIO

• GPIO ：General-Purpose Input/Output，即通用输入/输出模块。
• 实现与外部设备的数字信号交互，可以通过软件配置输入/输出模式。

1. GPIO 内部结构

2. 四种输入模式

（1）上拉输入（Pull-up）

• 内部接一个上拉电阻到VDD。外部悬空（I/O引脚无信号）时，默认输入高电平。

（2）下拉输入（Pull-down）

• 接一个下拉电阻。外部悬空时，默认输入低电平。
• 应用：接按键（按键另一端接地）

（3）浮空输入（Floating）

• 浮空输入模式下引脚内部既不接上拉电阻也不连接下拉电阻（但是不关闭施密特触发器），直接经施密特触发器输入I/O引脚的信号。
• 即：电平完全由外部电路决定，如果外部悬空，读到电平会乱跳。
• 应用：通信协议的接收端（如UART_RX），或者按键检测（外部有电阻时）

（4）模拟输入（Analog）

• 模拟输入模式下，施密特触发器关闭，既不接上拉电阻也不连接下拉电阻，引脚信号连接到芯片内部的片上外设，其典型应用是A/D模拟输入，对外部信号进行采集。
• 应用：ADC采集电压（生物传感器那道大题就用这个！）

3. 四种输出模式

（1）推挽输出（PP）

• 两个MOS管按互补对称的方式连接。
• 目的：增大输出电流，输出能力强；提高电路负载能力和开关速度
• 高电平3.3V，低电平0V。
• 应用：点亮LED，驱动蜂鸣器

（2）开漏输出（OD）

• 只有下拉MOS管，没有上拉MOS管。
• 不与电源连接，处于悬空状态，只能输出低电平。
• 目的：减少芯片内部驱动。
• 特点：想输出高电平，只能外接上拉电阻。
• 重点：方便实现“逻辑与”功能。I2C总线（必考关联点）
• 应用：I2C总线 (必考关联点)

（3）复用推挽输出（AF_PP）

• GPIO引脚除了作为通用IO引脚外，还可作为片上外设的I/O引脚，即一个引脚可以作为多个外设引脚使用，称为复用I/O端口 AFIO。
• 一个引脚某一时刻只能使用复用功能中的一个。

（4）复用开漏输出（AF_OD）

同上。

第六章 中断和异常

本质：改变处理器执行指令的顺序。

• 区别：
  • 中断：响应外部事件
  • 异常：内部程序错误

目的：

1. 提高cpu效率
2. 实时处理
3. 异常处理
4. 数据传输
5. 不占用cpu资源

1. 中断处理流程

Cortex-M3 内嵌中断控制器——NVIC

（1）中断优先级

• 抢占优先级 > 响应优先级
• 数值越小，优先级别越高
• Reset，NMI（不可屏蔽中断 ） ， Hard Fault 的优先级为负，且不可修改，高于普通的中断优先级

中断优先级判断：

1. 先判断抢占优先级的大小
2. 如果抢占优先级相同，则比较响应优先级的大小
3. 若抢占优先级和响应优先级均相同，则根据中断向量表中的顺序来决定
   

（2）外部中断EXTI

• 映射关系：STM32的引脚很多，但中断线只有 16+N 条。
  规则：所有 Pin x （序号相同）共用一条中断线 EXTI x
  • PA0, PB0, PC0 … -> EXTI0
  • PA5, PB5, PC5 … -> EXTI5

考点：不能同时开启 PA0 和 PB0 的中断！因为它们都要抢 EXTI0 这条线（同时只能选一个引脚）。

• 触发方式
  • 上升沿触发：电平 0 -> 1 瞬间触发（如按键松开）。
  • 下降沿触发：电平 1 -> 0 瞬间触发（如按键按下）。
  • 双边沿触发：变高变低都触发。

第七章 定时器

定时器主要功能
定时：时钟脉冲计数
计数：固定周期的脉冲信号
输入捕获：对脉冲信号宽度测量
输出比较：控制输出波形

第一部分：STM32定时器模块

注意分辨不同定时器的功能、引脚

• 基本定时器 (TIM6, TIM7)

  • 能力：只能用来定时（数数），没有 GPIO 引脚，不能 产生 PWM。
  • 就像个纯粹的闹钟。

• 通用定时器 (TIM2 ~ TIM5)

  • 能力：定时 + 输入捕获 (测脉宽) + 输出比较 (PWM)。
  • 这是最常用的主力。

• 高级定时器 (TIM1, TIM8)

  • 能力：通用功能 + 死区控制 (Dead-time) + 互补输出。
  • 这是给电机控制专用的。

1. 定时时间计算

$$时钟源+预分频器PSC+计数器CNT+自动装载寄存器ARR$$

核心公式：

$$定时时间 =\frac{(ARR+1)\times(PSC+1)}{时钟频率}$$

• 注意：PSC 和 ARR 的输入范围为（1，65536），因为最高16位。

例题：

2. PWM 相关分析题

$$占空比 =\frac{CCR}{ARR+1}\times 100\%$$

• 只要 CNT>CCR ，就输出高电平。
• ARR 是阈值，达到后重新计数。
• ARR 决定PWM的周期，CCR 决定占空比。

第二部分：SysTick定时器

1. 基础属性 (填空/判断题核心)

• 归属：属于 Cortex-M3 内核 (Core)，不属于 片上外设 (Peripheral)。
• 位数：24位 (注意：通用定时器通常是 16 位)。
• 计数方式：向下计数 (Down-counter)，从设定值 (LOAD) 减到 0。

2. 核心用途 (考干什么)

• 操作系统心跳：为 RTOS (如 FreeRTOS, uCOS) 提供任务调度的基准时钟。
• 精准延时：HAL_Delay() 函数就是基于 SysTick 实现的。
  • 注：如果不开启 SysTick 中断，HAL_Delay 函数将无法工作。

3. 关键寄存器 (眼熟即可)

• CTRL (Control)：控制寄存器，用于使能定时器、开启中断。
• LOAD (Reload)：重装载数值寄存器，决定了定时器的溢出周期。
• VAL (Value)：当前数值寄存器，实时显示当前的计数值。

4. 考点辨析：SysTick vs 通用定时器

• 位置区别：SysTick 在内核；通用定时器在芯片外设区。
• 位数区别：SysTick 是 24 位；通用定时器通常是 16 位。
• 方向区别：SysTick 只能向下计数；通用定时器可以向上/向下/中心对齐。
• 功能区别：SysTick 专注延时/心跳；通用定时器专注 PWM、输入捕获、脉冲计数。

看门狗：确保系统可靠稳定运行，可使得应用程序脱离正常执行流程时复位。

第八章 USART通信协议技术

第一部分 基础概念

按传输格式划分：

• 并行：多条独立数据线同时传输。
• 串行：单条/两条数据线逐位传输。（最为流行，eg.U盘、USB接口设备、USART）

按同步方式划分：

• 异步：发送方&接收方 无统一时钟线。
• 同步：发送方&接收方 统一时钟线。

按传输方式划分：

• 单工通信：数据传输时单向的。（广播、电视、打印机、BB机）
• 半双工通信：可以双向，但不能同时。（对讲机）
• 全双工通信：可以同时双向传输。（电话、以太网、USART）

第二部分：波特率

波特率：每秒传输的二进制位数（bit/s），衡量传输速度快慢。

$$波特率 =字符速率（每秒传输字符数）\times 每个字符包含位数 =\frac{f_{PCLK}}{16\times 分频系数}$$

• 其中 $f_{PCLK}$为外设时钟频率。

例题：

常用波特率：

• 9600
• 115200（调试用、速度快）
  注意：异步通信双方波特率要一致

第三部分：异步串行通信协议（波形分析）

• 注意：数据位要从右向左读

UART：全双工、异步、串行。

第四部分：USART内部结构

1. 波特率发生器：提供同步时钟信号。
   $波特率时钟频率 =波特率\times 采样倍数$
2. 发送器：将并行数据转化为串行数据，并按照（起始位、数据位、校验位、停止位）发送到TX引脚。
3. 接收器：从RX引脚接收串行数据，转化为并行数据。

• USART1～3:全支持
• USART4～5:除去同步模式、硬件流控制、智能卡

第九章 DMA控制器

第一部分：基础概念

DMA（Direct Memory Access）：直接内存访问。

• 作用：允许外设设备直接与储存器进行数据交换，无需cpu介入。
• 优势：解放cpu、提高传输效率、降低功耗。

DMA适用场景
储存设备I/O：硬盘与内存间的大量数据交换
高速通信通道：网络接口、光纤通信
数据采集系统
图像处理
多处理机系统

第二部分：STM32的DMA架构

关键配置参数
传输方向	外设/内存之间相互传输（4种情况的排列组合）
数据宽度	8/16/32 （如果源和目标位数不匹配，DMA会自动帮你补位）
地址递增
传输模式	单次模式、循环模式
中断请求	传输完成、半传输、传输错误

传输模式：

• 单次模式：DMA传输结束后不再产生新的DMA操作。
• 循环模式：每轮传输结束时，要传输的数据数量将自动用设置的初始值进行加载，并继续响应DMA请求。（ADC扫描模式）

第三部分：通道映射

DMA优先级

DMA请求通道

DMA中断请求

第十章 同步串行通信协议

第一部分：SPI通信协议

1. 基础概念

• SPI（Serial Peripheral interface）：串行外围设备接口。

• 特点：

  • 高速、全双工、同步
  • 在芯片管脚上只占用四根线
  • 主要应用：EEPROM、FLASH、实时时钟、AD转换器、数字信号处理器

• 主从模式：

  • SPI通讯系统包含一个（只能一个）主设备、多个或一个从设备。
  • 主设备提供时钟，从设备接收时钟。
  • 多个从设备通过各自片选信号管理。
  • 读写操作都是由主设备发起。
  • 通信速度一般能达到10Mbps。

2. 四根信号线

引脚名称	作用
MOSI（master output slave input）	主设备输出/从设备输入。即：在主模式下发送数据，从模式下接收数据
MISO（master input slave output）	主设备输入/从设备输出。即：在主模式下接收数据，从模式下发送数据
SCLK	主设备产生的串行时钟信号。
CS/SS	从设备的片选信号，低电平有效。让主设备可以单独与指定从设备通讯$\rightarrow$避免冲突。

3. 四种配置模式

• 通信双方必须在同一模式下才可以通信。
• 通过CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）来配置主设备的通信模式。

SPI模式	CPOL	CPHA	空闲时SCK时钟	采样时刻
0（最常用）	0	0	低电平	奇数边沿
1	0	1	低电平	偶数边沿
2	1	0	高电平	奇数边沿
3	1	1	高电平	偶数边沿

• CPOL（clock polarity）：=0:SLK低电平/=1:SLK高电平
• CPHA（clock phase）：=0:奇数沿采样/=1:偶数沿采样

• SCK刚开始是低电平$\rightarrow$CPOL=0
• 偶数沿采样（注意不要看图片里的数标）$\rightarrow$CPAL=1
• 得到$\longrightarrow$模式=1

第二部分：I2C通信协议

1. 基础概念

• 特点：

  • 低速、近距离、半双工、同步。
  • 结构简单、降低系统成本、提高了可靠性。
  • 总线具有极低的电流消耗，抗噪声能力强。

• 主从模式：

  • 多主机总线：每个器件都可以作为主机/从机，但同一时刻只能有一个主机。
  • 所有设备都接在一根总线上，所以只要有一个拉低，总线就是低电平。
  • 开漏输出：必须外接上拉电阻。
  • 每个连接到I2C总线的器件都有唯一地址（7bit）。
  • 总线上增加和删除器件不影响其它器件工作。
  • 从机只能被动呼叫。
  • 传输速率：100Kbps、400Kbps、3.4Mbps。

2. 两根信号线

• SDA（serial data）：收发数据。
• SCL（serial clock）：时钟信号同步。

3. 通信过程

先明确以下几点：

1. 主机发送起始信号后必须先发送一个字节的数据（高7位为从机地址，最后一位表示传输方向）。
   • 0 ：主机$\rightarrow$从机
   • 1 ：从机$\rightarrow$主机
2. 从机先比较地址是不是跟自己相同，若相同，再判断自己是发送器/接收器。
3. 发送完一个字节数据后，接收器会发送1bit的数据来应答发送器。
4. 所以I2C每次发送的数据必然是8bit。
5. 空闲时，SCL和SDA都是高电平。

起始信号	SCL=1时，SDA由高变低
停止信号	SCL=1时，SDA由低变高
应答信号	接收器在第9位拉低SDA，表示收到（若SDA没被拉低则表示没收到）

第十一章 数模转换

第一部分：基础概念

• ADC：数模转换器。
• 作用：将模拟信号转化为数字信号。

• 主要过程：采样、保持、量化、编码

  1. 采样：连续的模拟信号$\rightarrow$离散数据点（切片作用）。
  2. 保持：将采样值保持在一个稳定状态。
  3. 量化：连续的电压值映射到有限的数字。
  4. 编码：转化为二进制。

• Nyquist采样定理：采样频率 > $2\times$最高频率

• 主要参数：

  1. 参考电压：影响转换精度、对量化的映射也有影响。
  2. 分辨率：对输入模拟量微小变化的分辨能力，级数用2的次方（STM32是$2^{12}$
  3. 量化误差：分辨率不够精细就会引起量化误差。
  4. 转换时间 =采样保持时间+量化编码时间

第二部分：STM32的ADC架构

• 常用4种ADC：
  
• 逐位比较：内部 DAC 生成参考电压，与输入信号比较，确定每一位二进制值（从最高位到最低位）
• $\Delta-\Sigma$:过采样、噪声整形
• 流水线：多级量化，每级完成低精度量化
• FLASH：基于比较器和多个参考电压模拟信号转换

1. STM32的ADC

重点：规则组 & 注入组

2. ADC转换时间