微型電腦原理及應用 — 基於 Arm 微處理器

王宜懷

博士，蘇州大學計算機科學與技術學院教授、博士生導師；
蘇州大學嵌入式系統與物聯網研究所所長；蘇州市政協常委；
江蘇省計算機學會嵌入式系統與物聯網專業委員會主任。
長期從事嵌入式系統、實時操作系統、微型計算機原理、
物聯網應用技術等方面的課程教學。
主要研究方向為嵌入式系統與物聯網、嵌入式人工智能係統。  

目錄：  
第1章微型計算機基本結構及信息表示.............2  
1.1微型計算機概述.................... ...........2  
1.1.1初識微型計算機............................2  
1.1.2微型計算機發展簡史...... ............3  
1.1.3微型計算機的馮·諾依曼結構框圖............ 4  
1.1.4微型計算機中的三總線.. ..........5  
1.1.5計算機執行指令的簡明過程.....................7  
1.2微機原理的實踐選型. ...........................7  
1.2.1微機原理實踐選型的困惑.......8  
1.2.2微機原理實踐選型的基本原則...................8  
1.2.3 AHL-MCP微機原理實踐平台概述............ .............9  
1.3數制及數制之間的轉換方法.......10  
1.3.1數制............ ........................................10  
1.3.2數制之間的轉換方法...............12  
1.4計算機中信息的基本表示方式......................... .........14  
1.4.1計算機中信息表示的相關基本概念.......... 14  
1.4.2整數在計算機中的補碼表示方法...... .............15  
1.4.3實數在計算機中的浮點數表示方法..............19  
1.5文字在計算機中的存儲方式——字符編碼........... .........20  
1.5.1英文編碼—ASCII.....................21  
1.5.2中文編碼—GB2312及GBK.. ..................22  
1.6習題.....................23  

第2章微型計算機的硬件系統.....25  
2.1微型計算機的硬件共性結構及基本性能指標................26  
2.1.1微型計算機的硬件共性結構...... ............26  
2.1.2微型計算機基本性能指標....27  
2.2 Arm Cortex-M微處理器概述............... 28  
2.2.1 Arm Cortex系列微處理器系列概述..........28  
2.2.2 Arm Cortex-M4微處理器................. .............29  
2.3 CPU內部寄存器與存儲器映像............................31  
2.3.1寄存器基礎知識及相關基本概念.........31  
2.3.2 Arm Cortex-M4內部寄存器.................32  
2.3.3 Arm Cortex-M4存儲器映像....................36  
2.4 Arm Cortex-M4內核的微型計算機芯片實例......... 37  
2.4.1 STM32L4系列MCU簡介...................37  
2.4.2 STM32L4存儲映像與中斷源............. .....37  
2.4.3 STM32L4的引腳功能...........41  
2.4.4 STM32L4硬件*小系統原理圖.............. ......42  
2.5由STM32L431構建的通用嵌入式計算機..........45  
2.6習題..................... ....49  

第3章指令系統........................51  
3.1指令保留字與尋址方式....... ............52  
3.1.1指令保留字簡表.........................52  
3.1.2尋址方式..........................................53  
3.2基本指令系統..........................................54  
3.2.1數據傳送類指令.........................54  
3.2.2數據操作類指令..........................57  
3.2.3跳轉控制類指令........ ..................60  
3.2.4其他基本指令......................... ......61  
3.3指令集與機器碼對應表..................62  
3.4 GUN彙編器的基本語法......... ....65  
3.4.1彙編語言概述...............................65  
3.4.2 GUN彙編書寫格式..................65  
3.4.3 GUN彙編常用偽指令............67  
3.5習題........ .................70  

第4章彙編語言框架...............71  
4.1初識程序運行..... ...............72  
4.2彙編工程框架及執行工程分析.........................79  
4.2.1彙編工程框架的基本內容....79  
4.2.2鏈接腳本文件的作用...............81  
4.2.3機器碼解析...... ......82  
4.2.4執行過程分析..............83  
4.3認識工程框架中的GPIO構件...........84  
4.3.1通常I/O接口基本概念及連接方法.............84  
4.3.2 GPIO構件知識要素分析.....86  
4.3.3 GPIO構件的使用方法. ..........87  
4.4實驗一：理解彙編程序框架及運行.................88  
4.5習題......... .....................90  

第5章基於構件的彙編程序設計方法.................. ............93  
5.1構件及其設計方法............................... 94  
5.1.1軟件構件基本概念....................94  
5.1.2構件設計基本原則.............. ......95  
5.1.3三類構件..................................... .....96  
5.1.4基於構件的軟件設計步驟....97  
5.2程序流程控制.......................... ................98  
5.2.1順序結構............................ ..............98  
5.2.2分支結構.............................. ........ 100  
5.2.3循環結構.......................................102  
5.3彙編程序設計實例...........................105  
5.3.1數制轉換程序設計.............. ...105  
5.3.2冒泡排序程序設計.................110  
5.4實驗二：基於構件方法的彙編程序設計......... ..114  
5.5習題..................................115  

第6章存儲器...... ..............117  
6.1存儲器的功能與分類......................118  
6.1.1按存儲介質分類......................118  
6.1.2按功能分類.................... .............118  
6.1.3按存取方式分類......................119  
6.2隨機存儲器與只讀存儲器.........119  
6.2.1 RAM.................................. ............119  
6.2.2 ROM................................. ..............121  
6.3 SD卡與高速緩存............................122  
6.3.1 SD卡............................................. .122  
6.3.2高速緩存.......................................124  
6.4 Flash存儲器.....................................128  
6.4.1 Flash在線編程的通用基礎知識.. ...................128  
6.4.2 Flash驅動構件知識要素分析....................128  
6.4.3 Flash驅動構件的使用方法.....................129  
6.5存儲器實驗設計舉例.............. .......131  
6.6實驗三：存儲器實驗.....................135  
6.7習題............ .................136  

第7章串行通信接口..................137  
7.1串行通信的基礎知識......................138  
7.1.1串行通信的基本概念............138  
7.1.2串行通信編程模型.................139  
7.1.3 RS232、RS485總線標準................ 140  
7.1.4 TTL電平到RS232電平轉換電路..................141  
7.2 UART驅動構件及使用方法............ ...................142  
7.2.1 UART驅動構件要素分析..................142  
7.2.2 UART驅動構件使用方法................143  
7.3串行通信的編程舉例..................... 145  
7.3.1例1：發送和接收一個字節的數據...........145  
7.3.2例2：發送和接收一幀數據........... .......147  
7.4實驗四：基於串行通信構件的彙編程序設計............151  
7.5習題.............. ................153  

第8章中斷系統及定時器...................155  
8.1中斷系統.. ......................156  
8.1.1中斷的基本概念.................... ..156  
8.1.2中斷處理的基本過程............158  
8.1.3 Arm Cortex-M4F非內核模塊中斷..........158  
8.2定時器. .................................................. ......160  
8.2.1定時器的基本含義.................160  
8.2.2 Arm Cortex-M4F內核定時器.............. 161  
8.3基於定時器的中斷編程舉例...164  
8.4實驗五：理解中斷與定時器.......................168  
8.5習題.. ...........................169  

第9章模數轉換與數模轉換........171  
9.1模數轉換器的基礎知識................172  
9.1.1與AD轉換編程直接相關的基本概念................ ......172  
9.1.2與AD轉換編程關聯度較弱的基本概念......................174  
9.1.3 *簡單的AD轉換採樣電路舉例...................175  
9.2 ADC驅動構件及使用方法.....176  
9.2.1 ADC驅動構件要素分析.... 176  
9.2.2 ADC驅動構件使用方法....178  
9.2.3 ADC驅動構件使用舉例....179  
9.3數模轉換................... 181  
9.3.1 DAC的通用基本結構.........181  
9.3.2 DAC的主要技術指標.........182  
9.4 DAC驅動構件及使用方法要素分析...................183  
9.4.1 DAC驅動構件要素分析....183  
9.4.2 DAC驅動構件使用方法....184  
9.4.3 DAC驅動構件使用舉例....184  
9.5實驗六：AD轉換模塊實驗....186  
9.6習題................. ...............188  

第10章直接存儲器存取DMA.......................... ....189  
10.1 DMA的基本概念.........................190  
10.1.1 DMA的含義........ ..................190  
10.1.2 DMA控制器......................... .190  
10.2 DMA的一般操作流程............190  
10.3 DMA構件頭文件及使用方法...................191  
10.4 DMA驅動構件要素分析......193  
10.5 DMA驅動構件的使用方法...........................193  
10.6實驗七：通過DMA實現內存間數據的搬運...............194  
10.7習題....................... ........194  

第11章外接組件綜合實踐...................195  
11.1開關量輸出類實踐................. .........196  
11.1.1彩燈................................... ...........196  
11.1.2蜂鳴器................................ .........198  
11.1.3馬達.................................... ..........202  
11.1.4 LED................................... ...........205  
11.2開關量輸入類實踐.........................208  
11.2.1紅外尋跡傳感器....................208  
11.2.2人體紅外傳感器....................211  
11.2 .3按鈕..............................................214  
11.3聲音與加速度傳感器實踐.......220  
11.3.1聲音傳感器..............................220  
11.3.2加速度傳感器.........................223  
11.4習題................. ...........226  

第12章通用計算機的基本結構及啟動過程......................227  
12.1 PC系統的基本結構.......... ..........228  
12.1.1 PC的基本硬件組成...........228  
12.1.2 USB設備.............. ....................231  
12.2 PC系統的啟動流程...................233  
12.2.1啟動固件....................................233  
12.2.2 PC系統中的硬盤... ..............236  
12.2.3從固件到硬盤的啟動流程.....................241  
12.3 PC的操作系統...............................242  
12.4習題.............. ................................245  

第13章微型計算機的發展方向......... ...................247  
13.1 CPU的結構與速度....................248  
13.1.1通用計算機..............................248  
13.1.2嵌入式計算機........... ..............249  
13.2存儲器的容量與速度..................249  
13.2.1磁存儲器.................... ................250  
13.2.2阻變存儲器........................... ...250  
13.2.3相變存儲器..............................251  
13.3指令系統的發展方向... ...............252  
13.4編譯技術的發展............................. .253  
13.4.1並行編譯技術.........................253  
13.4.2交叉編譯技術.......... ...............253  
13.4.3動態編譯技術.........................253  
13.5微型計算機其他新技術............254  
13.5.1納米計算機............................ ..254  
13.5.2激光計算機..............................254  
13.5.3量子計算機...... ........................254  
13.6習題....................... .........255  

附錄A： AHL-MCP微機原理實踐平台硬件資源...........257  
A.1概述...................... ..................258  
A.2電子資源內容列表........................ ..258  
A.3硬件清單.......................................... ........258  
A.4實驗列表.................................... ..............259  
A.5硬件快速測試方法..........................260  

附錄B： AHL-GEC-IDE安裝及基本使用指南..................261  
B.1安裝AHL-GEC-IDE集成開發環境....... ................262  
B.2編譯下載運行第一個程序.........264  
B.3外接軟件功能的使用方法.... ....265  
B.4常見錯誤及解決方法....................267  
B.5卸載AHL-GEC-IDE集成開發環境.... .................272  
B.6技術諮詢........................... ...........273  

附錄C：串行通信構件設計方法......................275  
C.1 UART模塊編程結構..................276  
C.2 UART驅動構件彙編語言源碼............... ............278  
C.3 UART驅動構件C語言源碼..........................282  

參考文獻...........................288