ARM微控制器与嵌入式系统基础知识

学习地址

2.1 基础概念

机械计算
图灵：一个计算的问题一定可以拆解为有限个计算的集合（可计算性） 01
冯诺依曼结构：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备
模拟信号连续数字信号离散量化成若干个值也会失真
一般通过电压高低标识01
ascll 在计算机中，所有的数据在存储和运算时都要使用二进制数表示（因为计算机用高电平和低电平分别表示1和0）
学习氛围->认知不清

2.2 基础概念从晶体管到CPU

所有的东西都数字化
电压幅值代表0和1 逻辑晶体管

逻辑->加法加法本身就是减法（补码）

计算机中的记忆元件由触发器组成，而触发器只有两个状态。即“0”态和“1”态，所以每条信号线上只能传送一个触发器的信息。如果要在一条信号线上连接多个触发器，而每个触发器可以根据需要与信号线连通或断开，当连通时可以传送“0”或“1”,断开时对信号线上的信息不产生影响，就需要一个特殊的电路加以控制，此电路即为三态输出电路，又称为三态门。
加一个三态门做成取地址的操作

控制流量

组合逻辑时序逻辑

锁存器存储串联移位乘除法

边沿触发器

概念CPU：16条指令 4bit位宽的CPU原型

助记符（mnemonic）是便于人们记忆、并能描述指令功能和指令操作数的符号，助记符是表明指令功能的英语单词或其缩写。汇编语言由于采用了助记符号来编写程序，比用机器语言的二进制代码编程要方便些，在一定程度上简化了编程过程。汇编语言的特点是用符号代替了机器指令代码，而且助记符与指令代码一一对应，基本保留了机器语言的灵活性。使用汇编语言能面向机器并较好地发挥机器的特性，得到质量较高的程序。

编程的本质：指令集的集合

2.3 概念CPU、微控制MCU和嵌入式系统

2.4 八卦计算机史和创新

摩托罗拉
6502 乔布斯任天堂 CPU 指令集
68001 32位
C80

2.5不同领域不同系列的嵌入式

2.6 ARM的历史与MKL25Z128MCU

powerPC IBM 摩托罗拉苹果联合设计的高性能特别是高网络吞吐量和高性能汽车主控设备
6800后代 coldfire 军工电表

苹果飞机单片机

3.1 CPU的基本结构和运行

ALU的四要素

flag标志位在哪里？

操作数哪里来

操作数在哪里？

运算结果放在哪里？

运算结果存在哪里？

谁掌控这一切的运行？

获取指令：一个完整的CPU

存储在存储器时钟时序电路的驱动下挨个将指令放在控制单元
PC 程序计数器保持下一条将要执行指令的地址

这些任然是图灵机的高度抽象

3.2.1 堆栈的概念

堆栈指针寄存器

C语言的编译器会帮我们使用堆栈

a completely cpu

数：寄存器片外存储器
指令解析产生逻辑控单元
PC指针的指引下从程序的存储地址空间一条一条拿来解析控制数据的流向和来源以及要做的运算内容
函数调用嵌套调用跳转堆栈

堆栈溢出

用户程序进入内核火获得不应该有的权限

指令集寄存器

总线

3.2.2 头脑体操

NOP 汇编语言的助记符
SP 堆栈指针寄存器
PC pc指针寄存器读取下一条指令的地址
AB 片内的数据寄存器组

堆栈的初始化

压栈

JSR 跳转到一个子函数SubFunc

跳转下一条指令的地址

堆栈会覆盖，不会销毁

RTS从子函数返回

交换 1微妙不到就可以完成

3.3.1 ARM的体系架构

R0-R12 通用
R13 堆栈
R14 函数调用子函数返回地址
R15 PC 程序指令地址

xPSR 保持各种CPU的设置状态便于读写
PRIMASK 中断的开和关的
CONTROL CPU的工作模式
FAULTMASK 不可屏蔽中断的开和关 BASEPRI 按优先级关闭中断(M3 M4才有)

32bit 程序状态寄存器各种状态指令跳转的依据

优先级控制寄存器

CPU的状态用户态还是特权态

堆栈寄存器指向两个区域：操作系统内核用户程序任务跑飞的时候不会使操作系统崩溃

进程模式：mian函数
句柄模式：进中断出中断
M3/M4 分用户态内核态

3.3.2 头脑体操

32bit

movs r4,#18 把18存到r4寄存器 #代表十进制

一级调用堆栈没有用 LR：末位为0 切换到38指令集末位为1切换到arm指令集返回0810（偶数有效）及下一位指令所在地址

pop 弹出一个置给r4寄存器
堆栈的特性用来做数据交换

3.4.1 中断的概念和机制

中断和轮询

什么是中断

中断的允许/禁止控制

中断的标志位 IF

控制中断的开关

汇编语言（Assembly Language）是任何一种用于电子计算机、微处理器、微控制器或其他可编程器件的低级语言，亦称为符号语言。在汇编语言中，用助记符代替机器指令的操作码，用地址符号或标号代替指令或操作数的地址。在不同的设备中，汇编语言对应着不同的机器语言指令集，通过汇编过程转换成机器指令。特定的汇编语言和特定的机器语言指令集是一一对应的，不同平台之间不可直接移植。

中断的工作流程

中断的堆栈占用

中断来后，CPU自动将这些寄存器压入堆栈
效率的平衡可以手动压

3.4.2中断子程的概念和编程

中断向量表

中断优先级

中断嵌套

中断嵌套时的堆栈

对内存比较大的开销，又可能发生堆栈溢出，嵌套有限。

中断的潜在风险

中断是独立的，为外部元素所触发的函数，快速实时响应一些事情，并且可能由硬件的通知打断任意位置的main函数，依赖堆栈保留现场，但内存里面全局变量是不会被改写的。

3.5 复位、时钟、存储器和总线

中断向量表

0000：堆栈指针向量 ARM厂商堆栈指针CPU内部寄存器初始地址 SP
0004：开发工具的入口地址填写在这，上电后CPU自动从这里加载，入口函数最后一条指令就是main PC

RAM堆栈返回地址临时变量

内部总线接口

CPU内部的寄存器通过指令就可以实现
CPU按地址看外面的

3.6 小结：MCU的总体架构

CPU除了独立的时钟和复位用电路连接外，通过总线以地址的视角看待

区别CPU内部寄存器通过指令访问，而是在外部寄存器通过地址访问，电路与编程的接口