单片机的基本构成及工作原理

有了电子电路和数字电路的基础知识，就可以开始学习嵌入式系统的核心元件-单片机。从本期开始我们将为大家介绍单片机的基础知识。

在单片机入门系列讲座中，首先学习单片机的基本构成和工作原理、以及外围功能电路，然后，挑战一个实际单片机的运行。

单片机是控制电子产品的大脑

现如今，我们生活中的许多电器都使用了单片机。例如：手机、电视机、冰箱、洗衣机、以及按下开关，LED就闪烁的儿童玩具。那么，单片机在这些电器中究竟做了些什么呢?

单片机是这些电器动作的关键，是指挥硬件运行的。例如：接收按钮或按键的输入信号，按照事先编好的程序，指挥马达和LCD的外围功能电路动作。

那么，单片机是如何构成的呢?

单片机是由CPU、内存、外围功能等部分组成的。如果将单片机比作人，那么CPU是负责思考的，内存是负责记忆的，外围功能相当于视觉的感官系统及控制手脚动作的神经系统。

尽管我们说CPU相当于人的大脑，但是它却不能像人的大脑一样，能有意识的、自发的思考。CPU只能依次读取并执行事先存储在内存中的指令组合(程序)。当然CPU执行的指令并不是“走路”、“讲话”等高难度命令，而是一些非常简单的指令，象从内存的某个地方“读取数据”或把某个数据“写入”内存的某个地方，或做加法、乘法和逻辑运算等等。然而这些简单指令的组合，却能实现许多复杂的功能。

CPU读取指令时需要知道要执行的指令保存在内存的什么位置，这个位置信息称为地址(相当于家庭住址)。程序计数器(PC)就是存储地址的寄存器。通常，PC是按1递增设计的，也就是说，当CPU执行了0000地址中的指令后，PC会自动加1，变成0001地址。每执行一条指令PC都会自动加1，指向下一条指令的地址。可以说，PC决定了程序执行的顺序。

◇指令解码电路

指令解码电路是解读从内存中读取的指令的含义。运算电路是根据解码结果操作的。确切地讲，指令解码电路就是我们在“数字电路入门(2)”中学过的解码电路，只不过电路结构稍微复杂些，所以，指令解码电路的工作原理就是从被符号化(被加密)的指令中，还原指令。

◇运算电路

运算电路也称为ALU(Arithmetic and Logic Unit)，是完成运算的电路。能进行加法、乘法等算术运算、也能进行AND、OR 、BIT-SHIFT等逻辑运算。运算是在指令解码电路的控制下进行的。通常运算电路的构成都比较复杂。

◇CPU内部寄存器

CPU内部寄存器是存储临时信息的场所。有存储运算值和运算结果的通用寄存器，也有一些特殊寄存器，比如存储运算标志的标志寄存器等。也就是说，运算电路进行运算时，并不是在内存中直接运算的，而是将内存中的数据复制到通用寄存器，在通用寄存器中进行运算的。

STM32新手入门-什么是寄存器

单片机的本质其实就是在操作寄存器，让单片机完成我们想要的动作例如点亮一个LED灯，stm32的库函数开发也不例外它只不过是将操作寄存器封装成一个个函数，我们只要配置指定函数的参数,再调用该函数自动把对应的寄存器配置好，其实本质还是操作寄存器，更加方便快捷，如果你只学库函数的话后期就有种空中阁楼的感觉，知其然不知其所以然。

二.STM32的系统架构

STM32 芯片是已经封装好的成品，主要由内核和片上外设组成。若与电脑类比，内核与外设就如同电脑上的 CPU 与主板、内存、显卡、硬盘的关系。

下面这张stm32系统结构的图非常重要，我们要理解stm32如何运作，以及各个外设挂载在哪条总线上，而我们主要学习的是挂载在 AHB系统总线上的外设

1.四个驱动单元(CUP)

Cortex™-M3内核DCode总线

Cortex™-M3内核系统总线System

通用DMA1

通用DMA2

2.四个被动单元(外设)

内部SRAM

内部闪存存储器FLASH

FSMC

AHB到APB的桥，它连接所有的APB外设

3.驱动单元

ICode 总线

ICode 中的 I 表示 Instruction，即指令。内核通过ICode 总线读取内部FLASH代码指令来执行程序.。

DCode 总线

DCode 中的 D 表示 Data，即数据，那说明这条总线是用来取数的。因为数据可以被 Dcode 总线和 DMA 总线访问（向flash，SRAM，或外设数据寄存器里面取数据），所以为了避免访问冲突，在取数的时候需要经过一个总线矩阵来仲裁，决定哪个总线在取数，取到的数据可以暂存在Cortex™-M3内核里面的寄存器在进行处理。

系统总线System

系统总线主要是访问外设的寄存器，我们通常说的寄存器编程，即读写寄存器都是通过这根系统总线来完成的。

DMA 总线

DMA 总线与DCode总线一样主要是用来传输数据，但Dcode总线传输数据要占用内核（cpu）的资源，而DMA总线相当于独立于内核cpu但帮助内核cpu传输数据而不用占用内核（cpu）的资源，就是在DMA传输数据的同时内核cpu可以干别的事情比如点亮一个LED灯

总线矩阵

总线矩阵协调内核系统总线和DMA主控总线之间的访问仲裁，仲裁利用轮换算法。因为数据可以被 Dcode 总线和 DMA 总线访问，数据可以是在某个外设的数据寄存器，可以在SRAM，可以在内部的 FLASH。所以为了避免访问冲突，在取数的时候需要经过一个总线矩阵来仲裁，决定哪个总线在取数

4. 被动单元

内部FLASH

简单介绍在flash存储内容：我们写好的程序编译之后都是一条条指令(二进制代码)，存放在 FLASH 中，我们常量或常变量C 语言中的 const 关键字修饰也存放在FLASH

内部SRAM

就是我们常说的电脑内存条，程序函数内部的局部变量和全局变量，堆（malloc分配）栈(局部变量）等的开销都是基于内部的SRAM。内核通过 DCode 总线来访问它

FSMC

FSMC 的英文全称是 Flexible static memory controller，叫灵活的静的存储器控制器，是 STM32F10xx 中一个很有特色的外设通过FSMC我们可以扩展内存，如外部的SRAM，NANDFLASH 和 NORFLASH。但有一点我们要注意的是，FSMC 只能扩展静态的内存，即名称里面的 S：static，不能是动态的内存，比如 SDRAM 就不能扩展。

AHB 到 APB 的桥

两个AHB/APB桥在AHB和2个APB总线间提供同步连接。APB1操作速度限于36MHz，APB2操作于全速(最高72MHz)，上面挂载着 STM32 各种各样的特色外设。我们经常说的 GPIO、串口、I2C、SPI 这些外设就挂载在这两条总线上，这个是我们学习 STM32 的重点，就是要学会编程这些外设去驱动外部的各种设备。

三.存储器映射

存储器本身不具有地址信息，它的地址是由芯片厂商或用户分配，给存储器分配地址的过程就称为存储器映射,如果给存储器再分配一个地址就叫存储器重映射。

程序存储器、数据存储器、寄存器和输入输出端口被组织在同一个4GB的线性地址空间内。数据字节以小端格式存放在存储器中。一个字里的最低地址字节被认为是该字的最低有效字节，而最高地址字节是最高有效字节。

1. STM32的存储空间

上面说的4GB但为什么是4GB，存储空间的大小是由芯片内CPU内的地址总线的数量来决定，而stm32芯片内部的总线为32根

内存被划分为一个个的内存单元，每个内存单元的大小是一个字节，为了能有效的访问到内存的每个单元就给内存单元进行编号，编号就被称为该内存单元的地址

怎样产生地址

32根地址线每根线 可以输出正电和负电（1 或 0）

分配好地址后，被控单元的 FLASH，RAM，FSMC 和 AHB 到 APB 的桥（即片上外设），这些功能部件共同排列在一个 4GB 的地址空间内。我们在编程的时候，可以通过他们的地址找到他们，然后来操作他们（ C语言里的将地址解引用操作 * 取出内容对他们进行数据的读和写）。

2. 存储器区域功能划分

在这 4GB 的地址空间中，ARM 已经粗线条的平均分成了 8 个块，每块 512MB，每个块也都规定了用途每个块的大小都有512MB，显然这是非常大的，

在这 8 个 Block 里面，有 3 个块非常重要，也是我们最关心的三个块。Block0 用来设计成内部 FLASH，Block1 用来设计成内部 RAM，Block2 用来设计成片上的外设，下面我们简单的介绍下这三个 Block 里面的具体区域的功能划分。

存储器 Block0 内部区域功能划分

储存器 Block1 内部区域功能划分

储存器 Block2 内部区域功能划分

Block2 用于设计片内的外设，根据外设的总线速度不同，Block 被分成了 APB 和 AHB两部分，其中 APB 又被分为 APB1 和 APB2

解释一下预留地址，这些地址没有给他分配存储单元，理论是4GB但实际并没有这么多，只是给了你指标而并没有全用

三.什么是寄存器

1. 寄存器映射

在存储器 Block2 这块区域，设计的是片上外设，它们以四个字节为一个单元，共32bit，每一个单元对应不同的功能，当我们控制这些单元时就可以驱动外设工作。我们可以找到每个单元的起始地址，然后通过 C 语言指针的操作方式 (既然一个单元是四个字节那我们就用一次取四个字节的指针（int * ）来操作这些功能单元) 来访问这些单元，如果每次都是通过这种地址的方式来访问，不仅不好记忆还容易出错，这时我们可以根据每个单元功能的不同，以功能为名给这个内存单元取一个别名，这个给已经分配好地址的有特定功能的内存单元取别名的过程就叫寄存器映射。

2. 什么是寄存器

寄存器：给特定功能的的单元取的别名这个别名就叫做寄存器，所以寄存器只是特定功能的的单元的名字而已

比如，我们找到 GPIOB 端口的输出数据寄存器 ODR 的地址是 0x4001 0C0C（至于这个地址如何找到可以先跳过，后面我们会有详细的讲解），ODR 寄存器(就是4字节的功能单元)是 32bit，低 16bit有效，对应着 16 个外部 IO，写 0/1 对应的的 IO 则输出低/高电平。现在我们通过 C 语言指针的操作方式，让 GPIOB 的 16 个 IO 都输出高电平.

3. 如何给功能单元取个别名（寄存器）

我们利用C语言的#define 定义一个寄存器标识符

这样再操作一个功能单元就简单多了，而且更容易理解

接下来就是层层套娃找到GPIOB端口的所有功能单元地址，将他们分不同的功能改个别名变成寄存器，以后直接操作对应的寄存器就OK啦。

4. STM32的外设地址映射

片上外设区分为三条总线，根据外设速度的不同，不同总线挂载着不同的外设，APB1挂载低速外设，APB2和AHB挂载高速外设。相应总线的最低地址我们称为该总线的基地址，总线基地址也是挂载在该总线上的首个外设的地址。其中 APB1 总线的地址最低，片上外设从这里开始，也叫外设基地址。

列出了所用STM32F10xxx中内置外设的起始地址。

这里我截取一段教你们这么找总线基地址，外设基地址。

看上图就能一 一找到下面各个总线或各个外设的基地址

总线基地址

相对外设基地址偏移”即该总线地址与“片上外设”基地址 0x4000 0000的差值。

外设基地址

总线上挂载着各种外设，这些外设也有自己的地址范围，特定外设的首个地址称为“XX 外设基地址”。

这里以GPIO为例其他外设是一样的操作

这里相对APB2总线的地址偏移，外设基地址减去APB2总线基地址0X4001 0000 就是相对APB2总线的地址偏移，因为GPIO端口全是挂载在APB2总线。

外设寄存器

在 XX 外设的地址范围内，分布着的就是该外设的寄存器。以 GPIO 外设为例， - GPIO(general purpose input output)是通用输入输出端口的简称，简单来说就是 STM32 可控制的引脚 ，基本功能是控制引脚输出高电平或者低电平。最简单的应用就是把 GPIO 的引脚连接到 LED 灯的阴极，LED 灯的阳极接电源，然后通过 STM32 控制该引脚的电平，从而实现控制 LED 灯的亮灭。

这里我们以 GPIOB 端口为例，来说明 GPIO 都有哪些寄存器.

GPIO 有很多个寄存器，每一个都有特定的功能。每个寄存器32bit，占四个字节，在该外设的基地址上按照顺序排列，寄存器的位置都以相对该外设基地址的偏移地址来描述。

各个寄存器的地址=外设基地址+寄存器相对于外设基地址的偏移

这里我们按照地址偏移顺序看几个寄存器，理解寄存器的说明，具体见图

这里我就不一 一列举了，所有的外设基本都有自己的寄存器只不过功能不同名字不同都是按照此种模式来排列

四.C语言对寄存器的封装

上面方式还不够方便，接下来经过层层套娃，找到各个外设寄存器的地址再用C语言的结构体进行封装

1. 封装总线和外设基地址

在编程上为了方便理解和记忆，我们把总线基地址和外设基地址都以相应的宏定义起，总线或者外设都以他们的名字作为宏名

2. 封装寄存器列表

各个寄存器的地址=外设基地址+寄存器相对于外设基地址的偏移

到这里大家有没有发现一个特点寄存器的地址每次偏移4，如果定义一个寄存器的类型为（unsigned int）是不是正好在内存中占4个字节，而一个内存单元就是1个字节，分配一个地址，那4个字节不正好每次偏移4个地址，而且有符合结构体的内存对齐，关于结构体的内存对齐这里不细讲，以后会出有关结构体的文章详细阐述。

把寄存器封装成结构体后，接下来就是取出寄存器对寄存器进行操作以GPIOA为例，我们将GPIOA外设的基地址强制类型转化为该结构体的首地址不就完美解决了嘛

我们定义的这个 GPIO_TypeDef ，这个结构体的首地址就为 0x4001 0800（这也是第一个成员变量 CRL 的地址）， 那么结构体中第二个成员变量 CRH 的地址即为 0x4001 0800 +0x04 ，加上的这个 0x04 ，正是代表 CRL 所占用的 4 个字节地址的偏移量，其它成员变量相对于结构体首地址的偏移

3. 操作寄存器

最后我们就可以直接使用宏定义好 GPIO_TypeDef 类型的指针，而且指针指向各个 GPIO 端口的首地址，使用时我们直接用GPIOA这个指针对结构体成员寄存器进行访问

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