北邮国院物联网 Microprocessor 微处理器笔记

灰海宽松2023-07-19 11:20

Introduction-随便聊

嵌入式系统是什么？专用的计算机系统。为专门功能可能对计算机架构，外设等做出一些取舍。

通常的限制：Cost（比如大量部署传感器节点），Size and weight limits（特定应用场景，比如下水道流量检测系统，需要体积小的节点），Power and energy limits（比如部署在极端环境下，喜马拉雅山顶采集节点，不方便去充电），Environment（防水，防高温等）

MCU MPU两种嵌入式系统区别：focus on 控制 还是 处理。控制比如点灯，机械臂，电机这些都是。处理比如摄像头采集到的数据进行图像处理。

编程语言：靠近计算机底层，主要使用汇编和c。

OS：嵌入式系统里不一定有操作系统结构。操作系统这个东西说白了就是更好地帮助管理计算机资源调度用的。现在我们来分析一下我们lab2的代码主函数：

c 复制代码 
void main(){
    //background
    while(1){
        
    }
}

void IRQ_Handler(){
    //interrupt handler function, frontground
}

后台部分：一个循环，重复去执行要做的任务。

这种方法乍一看也没啥问题。但是想想这样的计算机能做什么，只能按顺序执行一遍又一遍所有任务，甚至没法变顺序。

前台部分：中断处理，我们lab2里的uart_rx_isr函数，一般也用IRQ_Handler（实际上如果对lab2里的uart_rx_isr溯源一下，就会发现其实他也是被IRQ_Handler调用的，这个方法在启动对应中断时，触发中断就会自动调用）。

前后台合起来的系统还是一个裸机无os系统，只不过加了中断之后允许我们用中断的任务去打断后台轮询，改变一下执行顺序。比如串口中断发个数过来，CPU把手头后台的事情放下，去处理一下前台中断，处理完了再回来。

我们课程仅限于裸机开发的内容。

计算机系统简要介绍

Von Neumann Architecture

运算器控制器 (合在CPU中) 存储器 main memory 输入设备输出设备 IO，以及三条传输总线：数据，控制，地址 data bus / control bus / address bus.

前面介绍过MPU重点在于数据计算处理，MCU则是控制，因此MPU不需要一些外设去控制外接的组件。

Harvard Architecture

和冯诺依曼区别就是在于指令和数据分开存储。这样寻指取指取数效率高。

Stored Program Concept

主要两个部分：RAM存储程序和数据，ROM存储不变只读的程序和数据。

cpu执行指令就是三个步骤的重复执行：fetch decode execute 取指解码执行

assembly

如果高级语言相当于人话翻译给计算机，汇编语言相当于计算机语言翻译给我们。更贴近底层，因此运行效率也更高，而且可以直接操作硬件。

assembly 复制代码 
ADD r3, r1, r2 	;r3 = r1 + r2
SUB r3, r0, r3 
MOV r2, r1 		;r2 = r1

; 是注释。变量r123是寄存器register，是可以操纵硬件的部分，我们可以通过对其赋值来操作硬件。

高级语言通过 compiler 翻译为汇编语言，汇编语言通过 assembler翻译为二进制机器语言。

ARM架构

ARM是一个指令集，前面讲的几个汇编指令这些都算做指令。

ARM公司有意思的地方是，他们不做ARM设备，他们只设计指令集架构，然后授权（知识产权核，IP核）给其他半导体厂商做。

A：application，主打高性能，手机电脑有许多就是ARM架构的。

R：realtime，主打实时，比如车联网对实时性要求很高。

M：microcontroller，应用于小型嵌入式系统，我们使用的板子。

m系列有m0到m7（简单说就是性能逐渐增加？），而且向下兼容即m7兼容m0~m6.

SoC

我们的板子上有一个黑色的小芯片，上面写着stm32blabla一串字符。这个就是整个板子的核心，相当于囊括了上文提到的计算机架构的芯片结构，system on chips。

设计soc规则：首先选用IP核，设计ARM处理器，外加一系列存储、IO外设结构，全部集成在黑芯片上。

ARM处理器 processor 是 architecture 的具体涵盖，多了很多新内容比如定时器。

我们主要学习m4架构。

只看非optional大概了解即可，处理器核访问代码，数据接口。

register

前面我们已经简单介绍了register。事实上如果想对内存中数据做处理，也要先拿到处理器核中的寄存器里做运算，然后返回回去。

arm register 如下：

通用寄存器：临时变量，可以存储计算数据之类的。

SP：栈顶指针寄存器，指向栈顶。

LR：函数返回用，保存返回地址。比如要调用函数了，把PC的值存入LR，然后PC跳转到函数起始位置；函数返回的时候LR的值还给PC。

PC：指向程序当前执行到的位置（下一个要执行的指令的地址）程序计数器。每条指令取了之后PC自动加一条指令，比如32位指令集PC+=4B。

PSR系列是状态寄存器，指明当前程序状态。比如当前是用户模式还是内核模式？IPSR指明当前是否允许中断？等。

xPSR包括：

  • APSR：计算用，如标志是否进位，结果是否为0，是否为负，是否溢出等。
  • IPSR：中断处理相关。
  • EPSR：执行相关，指明指令集，中断是否继续等信息。

Memory Map

m4有4g的内存空间默认映射到一片空间中，用户也可以根据自己喜好修改。有存储代码的code region，存储数据的sram region，存储外设的peripheral region，external ram region，external device region，Internal Private Peripheral Bus (PPB)。

Bit-band Operations

位带操作。

如果我们要读写32位数据中的某一位，比如第三位（从左往右是31:0，第三位是右边第4个），有的寄存器允许我们直接获取r[3]，但是大多数是不允许直接获取的。

如何处理？如果写入1，那么r|0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1000.

如果写入0，那么 r & 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0111.

读取：看 r & 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1000 结果是否为0.

这样很麻烦，比如我们要给0x2000 0000处的数据第3位写1，详细汇编代码：

LDR是把后面的数据加载到前面的寄存器中，[R1]是把R1的值当做一个地址，取得其中存储的数据。

这样挺麻烦的，但是因为有内存映射我们可以直接写入和获取"位带别名地址"中的数据。

0x2000 0000处的第0位到第31位分别是：

0x2200 0000

0x2200 0004

0x2200 0008

0x2200 000c......

0x2200 007c

所以直接获取，修改0x2200 000c的数据即可。

0x2000 0000映射到0x2200 0000是 sram 区域映射，0x4000 0000映射到0x4200 0000是外设 peripheral 区域映射。

操作更快，指令更少，而且只访问一位更安全，比如刚取出0x2000 0000的32位数据，这时候中断修改了0x2000 0000的数据，这时我们取得的数据就是旧的错误数据了，修改完第3位再写回去，相当于中断白改了。

Program Image

vector：向量表，存储比如main堆栈的地址（MSP），异常的地址等信息。

start-up：板子上电或rst时的启动代码。

program code：我们烧进去的程序代码。

c lib code：库函数代码。

复位时，先读取 msp 地址找到 main 在哪。然后读取 reset vector 执行 BIOS 初始化代码，再开始读取第一条，第二条指令......

Endianness

两种存储规范。

比如十进制数字，1234，一千二百三十四。然后我们记录到数据库中，地址从低到高存储为4321，权值大的位1存在地址最高处，这就是大端存储 Big endian。否则，权值大的位存在地址低处，1234地址从低到高，就是小端存储 Little endian。m4两种方法都支持。

术语"little endian(小端)"和"big endian(大端)"出自Jonathan Swift的《格列佛游记》（Gulliver's Trabels）一书，其中交战的两个派别无法就应该从哪一端（小端还是大端）打开一个半熟的鸡蛋达成一致。

一下是Jonathan Swift在1726年关于大小端之争历史的描述：

"...下面要告诉你的是，Lilliput和Blefuscu这两大强国在过去36个月里一直在苦战。战争开始是由于以下的原因：我们大家都认为，吃鸡蛋前，原始的方法是打破鸡蛋较大的一端，可是当今皇帝的祖父小时候吃鸡蛋，一次按古法打鸡蛋是碰巧将一个手指弄破了，因此他的父亲，当时的皇帝，就下了一道敕令，命令全体臣民吃鸡蛋时打破鸡蛋较小的一端，违令者重罚。老百姓们对这项命令极为反感。历史告诉我们，由此曾发生过六次叛乱，其中一个皇帝送了命，另一个丢了王位。这些叛乱大多都是由Blefuscu的国王大臣们煽动起来的。叛乱平息后，流亡的人总是逃到那个帝国去寻救避难。据估计，先后几次有11000人情愿受死也不肯去打破鸡蛋较小的一端。关于这一争端，曾出版过几百本大部著作，不过大端派的书一直是受禁的，法律也规定该派的任何人不得做官。"（此段译文摘自网上蒋剑锋译的 《格列佛游记》第一卷第4章。）

在他那个时代，Swift是在讽刺英国（Lilliput）和法国（Blefuscu）之间的持续的冲突。Danny Cohen，一位网络协议的早期开创者，第一次使用这两个术语来指代字节顺序，后来这个术语被广泛接纳了.

大端、小端基础知识 - 知乎 (zhihu.com)

Instruction Set

指令集。早期arm指令集32位，性能好能实现的功能强大。但是太长了处理效率低。

thumb-1 指令集16位，处理效率高了，性能也降了。早期arm架构如果是支持两种指令集的，就要频繁切换模式，效率低。

后来thumb-2指令集包含早期16位和新的32位，和arm指令集的混合指令集性能没减太多，代码量和处理效率还高了。

Assembly

汇编语法。

顺序结构

assembly 复制代码 
label							; 可省略，用于跳转到此位置
	助记符 operand1, operand2, ... ; Comments
	
MOV r1, #0x01					; 数据0x01放入r1
MOV r1, #'A'					; 数据A的ascii码放入r1
MOV R0, R1 						; move R1 into R0
MOVS R0, R1 					; move R1 into R0, 并且更新APSR的状态

LDR R1, [R0]					; R0存的是一个地址值如0x2000 0000, 这个指令是取出R0代表的地址中的数据存入R1
STR R1, [R0]					; 写回去
LDR R0, =0x12345678 			; Set R0 to 0x12345678
; 等效于：
; LDR R0, [PC, #offset] 
; ...
; DCD 0x12345678
; 也就是先在文档末尾的一条指令里写入数据0x12345678，然后编译器自动计算PC+多少offset到达DCD的位置，把其值返给R0
; DCD是声明一个字 32bit，DCB是声明一个Byte
; 如果多个数值的声明可以用标签声明
LDR R3, =MY_NUMBER

ALIGN 4 ; 字要先用这个声明，代表停止长度
MY_NUMBER DCD 0x2000ABCC
HELLO_TEXT DCB "Hello\n", 0 ; Null terminated string


LDRB R1, [R0]					; B: 只写8位，就是说R0地址处的数据写入R1后，R1高24位清零
SDRH R1, [R0]					; H: 只写16位

LDRSH R1, [R0]					; 视作signed有符号数，写16位

LDRB R0, [R1, #0x3]				; 从R1+3读取一个字节给R0
LDR R3, [R0, R2, LSL #2]		; 从R0+（R2<<2)读取一个字节给R3
LDR R0, [R1], #4				; 赋完值后，令R1=R1+4

ADD R0, R0, R1
ADDS R0, R0, R1					; 加完更新APSR状态，比如有溢出或者进位则更新
ADC R0, R1, R2					; R1+R2还要+APSR的carry位

; SUB SBC类似

MUL R0, R1, R2
UDIV R0, R1, R2
SDIV R0, R1, R2					; signed

例题：应该是因为有可能减成负的所以signed

指令有1字长，半字长的。hw1是指明功能用的，hw2是一些拓展比如立即数。

地址从低到高分别是：4F F0 0A 00 0A 68 10 44......

PC每次取到半个字 hw，就+2B跳转到下一个hw。

选择结构

assembly 复制代码 
	CMP R0, R1						; 相当于if，比较后更新APSR。EQ= LT< GT> LE<= GE >=
	BEQ BRANCH_1					; B是跳转，BL是跳转到函数执行完后返回，BX是根据地址最低位判断目标地址是arm还是thumb在决定跳转到整字还是半字。bx操作数不能是立即数，必须是寄存器
	B BRANCH_2
	
BRANCH_1
	...
	B IFEND							; 不写这个就继续执行BRANCH_2了，像switch的break
BRANCH_2
	...
B IFEND

循环结构

assembly 复制代码 
WHILE_BEGIN 
	UDIV R2, R0, R1 ; R2 = n / x
	MUL R3, R2, R1 ; R3 = R2 * x
	CMP R0, R3 ; n == (n / x) * x
	BEQ WHILE_END
	SUBS R1, R1, #1 ; x--
	B WHILE_BEGIN ; loop back
WHILE_END

Stack

内存中有一片内存空间类似栈的数据结构。SP指针指向栈顶。

这个栈地址是从高到低的，也就是存入数据 SP--，取出数据 SP++，类似一个翻转过来的，倒着的书堆。

满堆栈：sp指针指向最后一个栈顶数据。

空堆栈：指向最后一个数据的下一个要放入数据的空位置。

我们的课程中使用空堆栈，指向下一个空位置，存数据就先存入再SP-4，取数据就先SP+4再出栈。不过这两条指令都不需要我们手动执行，有专门的指令：

assembly 复制代码 
PUSH {R0, R4-R7} 	; Push r0, r4, r5, r6, r7
POP {R2-R3, R5} 	; Pop to r2, r3, r5。入栈出栈顺序不是按照书写顺序而是自动根据寄存器地址，高地址值给高地址寄存器

存入5个数据和取出3个数据。

Functions

BL先保存当前PC值到LR，然后PC跳转到函数地址，

BX LR跳转到LR中的地址用于函数返回。

Architecture Procedure Call Standard (AAPCS) ：规范定义哪些寄存器主函数和函数通用，哪些是独有的。

arm AAPCS规定：r0-r3是通用寄存器（类似全局变量），但main和函数的R4 -- R8, R10-R11不通用（类似临时变量，到了函数里这些值就变了，不是原函数的），要压入栈保存。函数调用和返回的时候要保存和恢复通用寄存器值。这些由调用原函数的子函数 callee-procedure 执行。

简单的参数的函数调用：传参给R0-R3作为函数参数，R4-R11压入栈，然后跳转到函数处。

Program Memory Use

ROM里都是只读数据，比如常量常数。

const, static, volatile

貌似是不会过多涉及具体代码实现的部分，就先简单介绍一下了。

const 就是定义常量变量，定义后无法再次修改。

static 通常定义静态函数，静态函数里的值是通用的，也就是每次调用该函数其值都是接着上次调用该函数的值继续。

volatile：一个在嵌入式里挺重要的东西，软考题里出现过几次。大概就是禁止编译器优化该变量来防止不必要的错误。

比如编译器优化num变量，这样每次修改num变量的值的时候都不会立刻写入内存中，可能会先把修改时的值写入寄存器，函数返回时写回内存。

现在比如我们在main中num+=5, 修改值后的num暂时存在寄存器里。然后我们调用中断，从内存中读取当前num的值并+1.但是内存中值还没改，还是原值。返回后，main再把自己手中的num值写回内存，最后内存中num值只+5，而不是我们期望的+6.

volatile 声明后的变量不会做这样的优化，值改变了就立刻写回内存，虽然可能效率低但是安全。

Interrupts

比如我们程序的逻辑是按键按下的时候点亮小灯。第一种做法是 Polling 轮询，一直看：按键按下了吗？没有。按下了吗？没。按下了吗？......

这样主要是效率低浪费CPU资源，如果为了节约资源轮询间隔大了，又不能及时响应。

中断允许CPU专心处理background的事情，触发中断的时候先放下后台处理前台。对于无os的裸机也能实现简单的多线程切换。

异常处理流程

  1. 结束当前正在执行的指令。

  2. 当前模式寄存器值压栈保存。

  3. 切换模式。

  4. PC LR更新（根据异常处理器提供的值）。PC去查中断向量表，看要跳到哪里，EXC_RETURN Code赋值给LR。

  5. 更新IPSR状态。

  6. 开始执行异常代码。

  7. 退出，BX LR把 EXC_RETURN Code 值返回给PC。

  8. 出栈。

Timing

中断执行也是耗时的，需要一定的时间保存源程序状态，执行中断，恢复。

FMax_Int：最大中断执行频率，即：单位时间内最多执行几次中断。

F_CPU：CPU频率，即：单位时间内CPU有多少次指令周期。

C_ISR：执行中断内容需要多少周期。

C_Overhd：中断保存、恢复数据等准备工作用多少周期。

中断一次执行所需周期：C_Overhd+C_ISR

因此， F M a x _ I n t = F C P U / ( C I S R + C O v e r h d ) F_{Max\Int=}F{CPU}/(C_{ISR}+C_{Overhd}) FMax_Int=FCPU/(CISR+COverhd)

U_int：中断处理实际消耗的利用率，上面那个毕竟是最大值。

U i n t = F I n t / F M a x _ I n t U_{int}=F_{Int}/F_{Max\_Int} Uint=FInt/FMax_Int

中断执行速度（和频率一样）：F_Int

非中断执行速度：(1-U_Int)*F_Int

GPIO

General Purpose Input Output,

Memory-Mapped IO

把设备，控制等寄存器映射到内存里。好处就是访问设备方式和内存一样，也不用设计复杂的IO电路，便捷；缺点在于占用了内存空间。

Peripheral-Mapped IO

IO有一块专门的存储区域，和内存不一样，也有专门的不同的电路指令去访问IO。好处就是节省内存空间，也能清晰的知道什么时候发生IO了；缺点在于开发、设计上的造价增加。

GPIO

通用IO可以判断引脚高低电平，可以给引脚赋值高低电平进行控制。

stm32有几组GPIO，每个有16个Pin，可以配置为input output pullin pullup等模式，以及定时器、串口、中断等功能。

什么是上下拉模式？如果不设置为上下拉，引脚浮空的时候（没有设置输入为高或低电平的时候）浮空引脚可能收到电磁波干扰等等问题导致输入状态不确定，有0有1的，容易造成错误。

下拉：三极管控制默认接地，无输入的时候默认低电平。

上拉：三极管控制默认接Vdd 芯片工作电压。

大多数引脚是这两个功能都有的，我们初始化GPIO的时候选用一个，寄存器根据值控制接通相应电路。

输入输出信号真的可以被称为"信号"。输入规定为0-0.5视作低电平，0.5-Vdd视作高电平，范围以外的值无效。输出电流也只有5mA左右是没有能力直接驱动一些设备的，我们可以通过一些电路比如三极管，放大器等，电路接收到信号得知"需要输出驱动电流了"然后输出大电流。

Control

每个GPIO口有：

4 * 32bit configuration registers: 配置相关信息，比如in/out，上啦下拉，开漏输出或推挽输出，输出频率等。

  • 推挽输出 push-pull：能输出高低电平。
  • 开漏输出 open-drain：没有能力输出高电平，想输出高电平需要设置上拉电路来输出。

2 * 32bit data registers: 输入输出数据寄存器。

1 * 32bit set/reset registers: 设置或复位寄存器。

1 * 32bit locking registers: 锁定寄存器。

2 * 32bit alternate function selection register.

Mode

如图，32个Pin，每个两位来设置4种模式（in out 可选 模拟）。

Pull

只有3种模式（无pull，上拉，下拉）。

data

输入输出数据寄存器分开的。

CMSIS

先说一下考试定义：

CMSIS transforms memory mapped registers into C structs

c 复制代码 
#define PORT0 ((struct PORT*)0x2000030)

再说一下和一些嵌入式前辈讨论的理解，以下内容不许考试写：

李肯老师：arm-M推出的一系列API和软件组件，包括核心功能、DSP库、RTOS支持和调试接口等。

李肯老师：如果芯片厂不想再多一层，CMSIS就够用；但有的厂商会再在上面封一层，可能叫driver层。

李肯老师：另外CMSIS有个限定，就是ARM的ARM Cortex-M处理器；虽然它很常见，但并不是所有的处理器都是这个内核；这个需要注意。

榊：这种与内核相关的文件，比如启动文件，内核文件是CMSIS规定。

榊：对比STM32F103和GD32E23的启动文件，我们会发现是一样的：

榊：而芯片厂商要做的是根据这个arm规定的接口二次开发库函数。

李肯老师c站账号：架构师李肯的博客_CSDN博客-程序人生,粉丝福利领域博主

榊老师c站账号：风正豪的博客_CSDN博客-C语言,MSP430F5529,Linux领域博主

平时李肯老师的交流群会讨论很多嵌入式相关问题，欢迎有兴趣的同学来学习[Doge]

以上内容感兴趣的看个乐呵。

例：

c 复制代码 
typedef enum {
Reset, //!< Resets the pin-mode to the default value.
Input, //!< Sets the pin as an input with no pull-up or pull-down.
Output, //!< Sets the pin as a low impedance output.
PullUp, //!< Enables the internal pull-up resistor and sets as input.
PullDown //!< Enables the internal pull-down resistor and sets as input.
} PinMode;

gpio_set_mode(P1_10, Input);
gpio_set_mode(P2_8, Output);
int PBstatus=gpio_get(P1_10); 
gpio_set(P2_8, 1);

以上代码是老师提供的driver，大意就是选定pin，传入特定参数，即可设置模式，设置输出。

感兴趣可以看看我的这篇文章，如果使用arm定义的cmsis直接去开发也是可以的：

STM32 学习笔记_4 GPIO：LED，蜂鸣器，按键，传感器的使用_灰海宽松的博客-CSDN博客

c 复制代码 
#include "stm32f10x.h"
int main(void){
    /* 控制gpio需要三个步骤：开启rcc时钟，初始化，输入输出函数控制 */
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
    
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0);
    while(1){}
}

drivers二次开发，可以帮助简化。

当然这一段都是题外话了。考试就理解为"cmsis是变量宏定义直接映射到寄存器上；drivers是对其添加进一步行为"即可。

Serial Communication

串口通信，一种发送消息的通信方式。

串，指的是发数据的方式：一位一位串行发，并行是可能有多路通道，每路同时发一个数据，多路同时到达。

串口通信有单工 Simplex，半双工 Half Duplex，全双工 Full Duplex。

两种传输方式：同步 Synchronous，共用一个时钟；异步 Asynchronous，有各自的时钟。

同步很简单，发送方接收方比如都规定时钟信号下降沿收发。

异步：需要通过异步通讯协议 Asynchronous Comm. Protocol 来协调。

1位起始位标志开始传输，7/8/9位数据位，1位可选奇偶校验位，1位停止位。

RT两方需要有相同的波特率。

当然这只是最简单的串口通信因为只有双方。如果更多方通信我们需要校验地址来判断是哪个发给哪个；数据需要更复杂的校验方式。

异步通信不需要同步时钟之类电路，开销小，但是开发起来难度大一些因为需要起始结束位啥的。

RS232

异步通信，Reversed Polarity 标准电压（-3~-15是1,3~15是0.还有一些其他标准比如TTL是+5为1，-5为0.）

发送数据有两种类型，ascii码和二进制，都得转化为二进制传输。

uart

针对stm32f401.

全双工异步串口。

为了处理RT缓冲数据（因为发收数据需要时间）我们可以通过缓冲区数组，头指针表示已经发到的位置，尾指针表示要发的数据的结尾。增加新数据，尾指针++；发一个数据，头指针++直到碰到尾。

原来发送方一直是发高电平，start frame 起始帧是1帧低电平来表示开始发数据了。

如何判断是1帧低电平？通过在这一帧里多次采样判断是不是真的是一帧低电平。

为什么多次采样？因为异步两个信号有一定的偏移，多次采样准，能确定是不是真的一整帧都低电平。

采样是有一定采样率的，不是说真的能像模拟信号一样一直采。

采样率 oversampling=16: 这个是最大可以达到的采样频率而不是真的一帧采了16次。

接收方首先第一次检测到0位，开始怀疑：有可能是串口有消息。这是start frame的第一次采样。

然后每隔一帧检测一次，3 5 7检测3次，如果2个都是0，说明确实有可能。

然后连着检测8910，如果还是2个0，说明确实是start frame。

8采样率因为采样间隔长了，更容易碰到左右边界的高电平，所以容错率低。但是速度更快。

计算

波特率计算：

T x / R x ( b a u d ) = f P C L K 8 ∗ ( 2 − O V E R 8 ) ∗ U S A R T D I V T_x/R_x(baud)=\frac{f_{PCLK}}{8*(2-OVER8)*USARTDIV} Tx/Rx(baud)=8∗(2−OVER8)∗USARTDIVfPCLK

OVER8是过采样率，fPCLK是时钟频率。

USARTDIV是一个浮点数

USARTDIV浮点数怎么存储？通过算法转化为十六进制。

小数部分用一个16进制位表示，比如例1是C也就是12，转换后即为12/16也就是0.75.

例2转换为一位16进制，就是0.62*16约等于10也就是A。

整数部分直接转换十六进制即可，例2的25转为19，例1的27转为1B。

然后整数小数部分拼接起来（最多3个整数位，1个小数位，32位寄存器）。

Timer

想让程序定时运行，比如led 1s闪烁一次。如何做到？

第一种方法是愚蠢的delay延时，我自己估算一下：嗯，delay(2000)差不多1s。然后在程序中delay，点亮，delay，熄灭......

太浪费资源了。

第二种方法，32是有定时器中断的。

定时器中断大概原理是，32上有时钟晶振按固定频率周期输出0101010......定时器里有一个cnt，收到一个时钟晶振就++。

我们可以设置定时器溢出值，比如溢出值是1000，cnt加到1000会自动触发定时器中断。然后归0，继续++。

执行周期数量：1+1+1+1+(0xFFFFFFFF一直-1-1-1直到变为0x00FFFFFF的循环次数)+(r0+1的执行次数，1次)

定时器也有一些扩展方法，比如我们可以设定++还是--；可以设定信号源是时钟或者外部输入的方波信号；可以读取计数值......

我们课件常用方法好像是--到0触发中断，然后恢复初值。

PWM

PWM这个东西是什么？

PWM（Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制，在具有惯性的系统中，可以通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的模拟参量，常应用于电机控速等领域。

就好比说，你骑自行车速度只能是100和0，模拟电信号只能输出高低。

但是呢，你骑自行车是有惯性的，以100速度蹬一脚，以0速度蹬1脚，100速度蹬一脚......

整体来看你的自行车平均速度是50（我们假设加速度不需要时间哈）

这个应用场景有很多，比如设定led闪烁频率：高低高低高低......，因为频率极高，我们肉眼看不出来在闪，给我们呈现的视觉效果就是以一半的亮度在亮。高低低高低低就是1/3亮度。

比如电机通过这个方式调速度。

那么他有什么应用场景。第一，输入捕获 Input capture。

对于一个这种有惯性的系统，我们也可以反过来读取其波形来判断其速度。比如电机放一个转速检测传感器，把输入波形作为定时器的时钟源信号，定时器一直++：检测上升下降沿时记录cnt值，通过差值比较计算时间间隔。

第二，输出比较 output compare。

定时器一直++，与预先设定好的阈值比较，如果相等触发中断输出。

这就是PWM。占空比相当好算。

Low Power Timer

我们目前假设的是CPU一直运作的，只是在后台和前台之间切换。有一种低功耗定时器使得没有发生定时器中断的时候CPU被置为低功耗状态，只有发生定时器中断的时候才启动。（使用 __WFI() wait for instruction 指令）

SysTick

M系列自带的一个系统时钟，使用处理器时钟或者参考时钟作为时钟源。

有四位寄存器：

每次赋值是load，一直--到0时重新load赋值。ctrl是控制启用系统时钟。这个是CMSIS有提供的数据结构和相关操作函数的时钟处理部分。

init 参数是中断间隔的毫秒数。timer_set_callback() 里跟一个可以是自己定义的函数，使得触发定时器中断时该函数被执行。以上代码意思是每隔100ms LED灯翻转一次，且 CPU 常态下处于低功耗状态。

I2C

连接多个模块的传输方案：I2C，使用两根总线。

两根总线分别是时钟总线 SCL 和数据总线 SDA。

通信过程

现在我们串一遍I2C上一个模块（master）要给另一个模块（slave）发消息的过程。

  1. MCU 使用一定的方法标识自己开始传输了。
  2. MCU 发送 LCD slave 的地址+一位读写位，其他模块接收到发现地址不是自己的，就不做处理。
  3. LCD 接收到后知道目标是自己，于是返回 ack。
  4. MCU 收到 ACK 后发送一帧数据。
  5. 发送完 MCU 等着 ACK，收到 ACK 后继续发送下一帧数据。
  6. 一直发送到发送停止位 stop 结束。

数据长度可以设置，比如789.

总线上的器件是开漏输出的半双工通信。

默认总线是上拉电阻拉成高电平。

当器件输出 out 为低电平时，总线导通到接地，总线被拉低（整条总线都被拉低）。江协科技老师举的例子很好，就像公交车上的一根横杆，有人拉住横杆拽下来，整条横杆都被拉低了，其他人都知道"横杆被一个人拉低了，说明有人正在使用总线"。

然后是总线传输数据的方式，SCL SDA 两根总线在何种情况下表示 start stop 0 1 bit?

首先都是 SCL 为高电平时 SDA 的数值才有意义。

SDA 从高到低，表示 start 位。从低到高，表示 stop 位。

start 位后，SDA 高电平表示1，低电平表示0.

发送完 1byte 数据后，总线保持拉高状态。如果接收方把总线拉低了，发送方发现总线1→0了（不是发送方自己拉的，是接收方给他拉下来的，但是发送方能察觉到），说明接收方成功接收了并且拉了拉总线以示"收到"。如果 SDA 还是保持在高电平，说明接收方没有成功收到或者成功发送 ACK。

问题处理

I2C 是一种很简单的主从通信协议了，但是局限性也很多，比如7 bit 的地址线只允许 2^7 个设备；一次顶多两个设备主从通信；一个设备的快慢会影响到整条总线的通信等。

问题1：从设备处理速度太慢了，赶不及在下一个时钟周期接收新数据帧怎么办？

方法：clock stretching, 拉低一段时间 SCL 假装下一个时钟周期还没到。

问题2：多个设备同时发数据冲突了怎么办？

方法：Bus Aribitation，前面我们知道总线被一个设备拉低了，所有设备都能接收到总线拉低的信号。因此如果两个设备同时开始发信息，前面数据一致都无所谓，等到第一次数据不一致的时候，一个设备发送数据0，一个发送数据1，这时 SDA 总线被 DATA2 的0拉低了。

发送 DATA1 数据的设备就明白了：有人同时在和我一起发数据，因此总线不是我预期的1而是被他拉低为0了。那我 quit，你发吧。然后就只有 DATA2 发送的数据了。

问题3：以上发送的数据每次都是 1byte 8bits 很正好。那如果要发送的地址不是 8bits 呢？

方法：少于 8bits 用一些固定的额外的 start 位填充，多于 8bits 的地址用两个 bytes，不够的也是用额外的 start 位填充。

问题3：如果我 master 发完数据，想紧接着再收数据，变成 slave，可行吗？

方法：通过一个 sr 信号，也就是 repeat start 重发 start 位，来标识自己是 read 而不再是 write 了重新开始通信。

编址格式

slave 地址编址有一些固定格式。

0000 000 0：广播，对所有 slave 结点讲话。如果 slave 无视（NACK），就不会参与广播。如果返回 ACK 就参与进来了。不过多个 slave 都返回 ACK 的话 master 是不知道都有谁回应了的。

第二个 byte 发送一些行为相关，比如：start，clear，reset software

编程应用

slave mode:

  • I2C 设备默认工作在 slave mode。
  • 外设时钟在 I2C_CR2 寄存器中编程。频率介于 2kHz~100kHz。
  • 硬件自动等待发过来的 start 和 addr 信息。
  • 如果 addr 信息和 OAR1 中存储的地址相同，说明目标是自己。如果 ACK 位为1，则发送 ack pulse。
  • 设置 ADDR 位，1表示匹配。
  • 如果 ITEVFEN 就是中断事件 flag 为1，则生成中断。
  • TRA 位标明 slave 是 R 还是 T 模式（收 or 发）。
  • BTF 位标识收没收完。

这么说起来还是有点混乱 I2C 到底经历了哪些才顺利发送了数据？

首先，从主模式的概念。master 主模式驱动时钟信号，发起传输；slave 从模式响应传输。

主模式

发送：

所有 EV 事件都会拉低 SCL，直到相应软件序列执行完成。

S：start 事件。比如CR2 寄存器中设置外设时钟，配置时钟寄存器，上升时钟寄存器，使能 CR1 来启用时钟，CR1 中设置 start 位，等待总线被拉低表示就绪，发送启动信号，并切换为主模式。

EV5：启动事件成功进行，设置 SB 寄存器=1. SB 寄存器=1后才可以进行地址阶段，执行完地址阶段会自动清除 SB 和 EV5 事件。

Address：地址阶段。传输7位地址+1位读写位，然后等待从机的 ack。收到 ack 进入 EV6.

EV6：设置 addr 位=1代表地址阶段顺利执行， master 收到 ack了。清除 EV6 后自动进入 EV8.

EV8：设置 TxE ，准备写入主机要传入的数据。TxE 表示数据寄存器为空可以写入。每次数据写入 DR 都会清空 TxE 和 EV8 事件。写完数据数据传过去了，主机收到 ack 后继续传输。以 BTF=1 表示数据传输的结尾。

c 复制代码 
void i2c_write(uint8_t address, uint8_t *buffer, int buff_len) {
	int i = 0;
    // Send in sequence: Start bit, Contents of buffer 0..buff_len, Stop
    while (((I2C1->SR2>>1)&1)); // wait until I2C1 is not busy anymore
    I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE); // Send I2C1 START condition
    // wait for I2C1 EV5 --> Slave has acknowledged start condition
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));
    // Send slave Address for write then wait for EV6
    I2C_Send7bitAddress(I2C1, address, I2C_Direction_Transmitter);
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED));
    while (i < buff_len){
        I2C_SendData(I2C1, buffer[i]); // send data then wait for EV8_2
        while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));
        i++;
    }
    I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE); // send stop bit
}

接收：

前面和 master transmit 都一样。

TxE 改为 RxE 了，=1标识接收到了数据。

master 自己设置 stop 事件后（发送 NACK）停止接收。

c 复制代码 
void i2c_read(uint8_t address, uint8_t *buffer, int buff_len) {
    int i = 0;
    // Start bit, Contents of buffer from 0..buff_len, sending a NACK
    // for the last item and an ACK otherwise, Stop bit
    I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);
    while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT)); //EV5
    // Send slave Address for write then wait for EV6
    I2C_Send7bitAddress(I2C1, address, I2C_Direction_Receiver);
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED));
    I2C_AcknowledgeConfig(I2C1, ENABLE); // going to send ACK
    while (i < buff_len - 1){
        while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED)); //EV7
        buffer[i] = I2C_ReceiveData(I2C1); // get data byte
        i++;
    }
    I2C_AcknowledgeConfig(I2C1, DISABLE); // going to send NACK
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED)); //EV7
    buffer[i] = I2C_ReceiveData(I2C1); // get the last byte
    I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE); // send stop
}

从模式

发送：

start 启动事件由 master 发起。从机校验地址并决定是否发送 ack 位。

EV1：设置 addr 位表示地址匹配。

EV3-1：设置 TxE 位，开始传入数据。一直到主机返回 NACK 表示不想再要数据了，或者 AF=1 说明 ack 失败了为止。

接收：

前面到 EV1 和 slave transmit 都一样。

  1. 数据从 DR 寄存器中读。
  2. 读入一个 byte 后，如果 ack 位已经设置，则返回 ack 信息。
  3. RxE 位是接收数据的状态寄存器。
  4. 主机生成停止条件时停止。

异常情况：

总线错误，NACK，仲裁失败，时钟异常超时。

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