MCU程序的编写方式，以及各型号单片机的区别和用途

MCU程序的编写方式，以及各型号单片机的区别和用途

单片机的程序编写

MCU的程序的编写与PC下的程序的编写存在很大的区别，虽然现在基于C的MCU开发工具越来越流行，但对于一个高效的程序代码和喜欢使用汇编的设计者来讲，汇编语言仍然是最简洁、最有效的编程语言。

对于MCU的程序编写，其基本的框架可以说是大体一致的，一般分为初始化部分(这是MCU程序设计与PC最大的不同)，主程序循环体和中断处理程序三大部分，其分别说明如下：

初始化：对于所有的MCU程序的设计来讲，出世化是最基本也是最重要的一步，一般包括如下内容：

屏蔽所有中断并初始化堆栈指针：初始化部分一般不希望有任何中断发生。

清除系统的RAM区域和显示Memory：虽然有时可能没有完全的必要，但从可靠性及一致性的角度出发，特别是对于防止意外的错误，还是建议养成良好的编程习惯。

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IO口的初始化：根据项目的应用的要求，设定相关IO口的输入输出方式，对与输入口，需要设定其上拉或下拉电阻;对于输出口，则必须设定其出世的电平输出，以防出现不必要的错误。

中断的设置：对于所有项目需要用到的中断源，应该给予开启并设定中断的触发条件，而对于不使用的多余的中断，则必须给予关闭。

其他功能模块的初始化：对于所有需要用到的MCU的外围功能模块，必须按项目的应用的要求进行相应的设置，如UART的通讯，需要设定Baud Rate，数据长度，校验方式和Stop Bit的长度等，而对于Programmer Timer，则必须设置其时钟源，分频数及Reload Data等。

参数的出世化：完成了MCU的硬件和资源的出世化后，接下来就是对程序中使用到的一些变量和数据的初始化设置，这一部分的初始化需要根据具体的项目及程序的总体安排来设计。对于一些用EEPROM来保存项目预制数的应用来讲，建议在初始化时将相关的数据拷贝到MCU的RAM，以提高程序对数据的访问速度，同时降低系统的功耗（原则上，访问外部EEPROM都会增加电源的功耗）。

主程序循环体：大多数MCU是属于长时间不间断运行的，因此其主程序体基本上都是以循环的方式来设计，对于存在多种工作模式的应用来讲，则可能存在多个循环体，相互之间通过状态标志来进行转换。对于主程序体，一般情况下主要安排如下的模块：

计算程序：计算程序一般比较耗时，因此坚决反对放在任何中断中处理，特别是乘除法运算。

显示传输程序：主要针对存在外部LED、LCD Driver的应用。

中断处理程序：中断程序主要用于处理实时性要求较高的任务和事件，如，外部突发性信号的检测，按键的检测和处理，定时计数，LED显示扫描等。

一般情况下，中断程序应尽可能保证代码的简洁和短小，对于不需要实时去处理的功能，可以在中断中设置触发的标志，然后由主程序来执行具体的事务――这一点非常重要，特别是对于低功耗、低速的MCU来讲，必须保证所有中断的及时响应。

对于不同任务体的安排，不同的MCU其处理的方法也有所不同。

例如，对于低速、低功耗的MCU(Fosc=32768Hz)应用，考虑到此类项目均为手持式设备和采用普通的LCD显示，对按键的反应和显示的反应要求实时性较高，应此一般采用定时中断的方式来处理按键的动作和数据的显示；而对于高速的MCU，如Fosc》1MHz的应用，由于此时MCU有足够的时间来执行主程序循环体，因此可以只在相应的中断中设置各种触发标志，并将所有的任务放在主程序体中来执行。

在MCU的程序设计中，还需要特别注意的一点就是：要防止在中断和主程序体中同时访问或设置同一个变量或数据的情况。有效的预防方法是，将此类数据的处理安排在一个模块中，通过判断触发标志来决定是否执行该数据的相关操作；而在其他的程序体中(主要是中断)，对需要进行该数据的处理的地方只设置触发的标志。――这可以保证数据的执行是可预知和唯一的。

在学校里学了这些知识，并没有时间思考这些之间概念之间的区别，一直注重渴望技术的提升，却忘了这些基础才是根本。蹭着在家的这一段时间，准备好好梳理一下之间的关系，这是一个宏大的框架，写下这些，也是因为在求职的时候对于这些涉及到了，加深一下自己的印象吧。不说了，直接入主题吧。

ARM

在嵌入式领域里，ARM本意是微处理器行业的一家知名企业，英国ARM公司是全球领先的半导体知识产权提供商。全球超过95%的智能手机采用ARM架构，ARM设计了大量的高性价比、耗能低的精简指令集计算（RISC）处理器。这里的ARM指的是处理器。处理器也是CPU的意思，所以ARM处理器就是CPU的意思。ARM公司不生产芯片、生产CPU.是一个32位精简指令集处理器架构，ARM处理器包含以下几个系列的处理器产品以及其它厂商实现的基于ARM体系结构的处理器。如ARM7 系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10E系列等等。这些处理器广泛应用于实时嵌入式应用，如存储设备、汽车、工业和网络设备。

STM32

上面说了ARM处理器核当前ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、SecurCore以及最新的ARM11系列。而STM32使用的其中的Cortex-M3内核。当时由于arm7能效低，arm9的硬件和编程过于复杂。为了满足消费电子的需求而改进arm7，代号为cortex -m，这样st或nxp等产家以这个新的核心来加自己的外设就得到了stm32或lpc系列的单片机了。可以清楚得到stm32是基于ARM Cortex-M3内核的，但不属于ARM。因为ARM公司只提供了处理器，st（意法半导体）还有nxp（恩智浦半导体）厂家以此内核为核心添加外设得到了stm32或lpc系列单片机。只能说stm32是基于ARM Cortex -M3内核的，但是不属于ARM。ARM Cortex-M3内核具有高性能、低成本、低功耗等特点，属于ARM7架构中的一员。

51单片机

谈谈51单片机与stm32单片机的区别，先介绍一下，什么是单片机。单片机全称单片微型计算机，简单来说就是集CPU(运算、控制)、RAM(数据存储-内存)、ROM(程序存储)、输入输出设备（串口、并口等）和中断系统处于同一芯片的器件。在我们个人电脑中CPU、RAM、ROM、I/O这些都是单独的芯片，然后这个芯片被安装一个主板上，这样就构成了我们的PC主板，进而组装成电脑，而单片机只是将这所有的集中在一个芯片上而已。

51单片机是对所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称，这一系列的单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着flash ROM技术的发展，8031单片机取得了长足的进展成为了应用最广泛的8bit单片机之一，他的代表型号是ATMEL公司的AT89系列。STM32单片机则是ST(意法半导体)公司使用arm公司的cortex-M为核心生产的32bit系列的单片机，它的内部资源（寄存器和外设功能）较8051、AVR和PIC都要多的多，基本接近于计算机的CPU了，适用于手机、路由器等等。

开发板与单片机的区别

经过之前的总结，ARM处理器内核加上外设模块（如UART、IIC）组成了芯片（如STM32），也就是单片机，单片机芯片再加上

一些常用的电子器件构成的电路板便是开发板。方便初学者使用，上面常用的外设有led灯、数码管、独立按键、矩阵按键、液晶显示屏、红外线接收头等。而单片机只是上面的核心芯片。

从单片机转ARM，ARM架构基础知识小结

从单片机转到ARM，主要需要学习ARM的架构，ARM相比单片机多了一些外设和总线。在仅仅是裸奔的情况下，如果熟悉了ARM架构，那么我认为使用任何ARM架构的芯片和用单片机将没有区别。ARM架构之所以更复杂，当然是为了跑更快以及更好地支持片上系统，所以在某种程度上来说对片上系统不是很了解的话那对于ARM架构的理解也不会那么深。

R13通常被用作栈指针，进入异常模式时，可以将需要使用的寄存器保存在R13所指的栈中;当退出异常吹程序时，将保存在R13所指的栈中的寄存器值弹出。

R14又被称为连接寄存器(LinkRegister，LR)，即PC的返回值。

R15又被记作PC。ARM指令是字对齐的，PC的值的第0位和第1位总为0。也就是说是32位对齐。

就Cortex-M3来说，拥有R0-R15的寄存器组。其中R13作为堆栈指针SP。SP有两个，分别为R13(MSP)和R13(PSP)即主堆栈指针(MSP)和进程堆栈指针(PSP)，但在同一时刻只能有一个可以看到，这也就是所谓的“banked”寄存器。这些寄存器都是32位的。

ARM的各个模式

ARM有以下7种模式：

用户模式(User，usr) 正常程序执行的模式

快速中断模式(FIQ，fiq) 用于高速数据传输和通道处理

外部中断模式(IRQ，irq) 用于通常的中断处理

特权模式(Supervisor，svc) 供操作系统使用的一种保护模式

数据访问中止模式(Abort，abt) 用于虚拟存储及存储保护

未定义指令中止模式(Undefined，und) 用于支持通过软件方针硬件的协处理器

系统模式(System，sys) 用于运行特权级的操作系统任务

其中除了用户模式之外都称之为特权模式(privileged modes)，而在privileged modes中除了系统模式其它都称为异常模式，即exception mode。起初关于异常这个词我的理解有些偏差，我认为异常模式就是这个系统出错了，而实际上不是。exception mode的意思是例外，意思是“这模式什么时候会发生不好说……”，比如说来了个外部中断也会进入异常模式，但是此时系统是运行完好的。

其中SVC用于在系统刚启动的启动文件BOOT程序中，跳转到kernel之前必须为SVC，SVC具有最高权限，可以对任何寄存器进行操作。在裸机程序中我们有时候会一直处于SVC模式下。

关于什么时候会进入用户模式或者系统模式，以下是我的猜测，比如进入linux kernel之后会设置成sys模式，比如任务调度等等都会在sys模式中，而执行用户编写的应用程序时，系统是处于usr模式中。以上猜测需要在linux中找出证据验证。

其中FIQ,IRQ为中断模式，有中断发生时会进入FIQ模式或者IRQ模式，至于到底是进入哪个模式是由开发者设定的。理论上FIQ模式的响应速度比IRQ模式要快。

其中abt模式通常发生于在访问地址没有对齐时的情况，此时会跳转到abt所属的中断向量地址中去。und模式应该是取到指令之后发现指令不能用，，此时会跳转到abt所属的中断向量地址中去。以上两种模式应该是开发过程中出现BUG才会进入的，也是一种调试手段，在版本发行之前应该消除这些错误(我猜= =)。

启动文件

这一部分只要了解一下协处理器CP15的相关作用以及ARM或者THUMB汇编再看一下网上的例程以及解释应该不难理解。

在启动文件中我们可以做任何事情，但是通常我们可以做这些：改变程序大小端排序，关闭看门狗，屏蔽中断，设置各个时钟，设置从SLEEP或者IDLE启动时的程序，初始化SDRAM，设置各模式指向的堆栈，设置好中断向量表，判断是从NOR还是NAND FLASH启动，将文件拷到SDRAM中，运行Main。

以上也说明了为什么需要一个汇编写的启动文件，设置各个模式下的SP指针以及初始化中断向量的跳转(ARM的中断较多设置也较灵活)也只有汇编干比较合适了。甚至在SOC(片上系统)中每个任务都有自己的堆栈，所以改变堆栈指针的那一部分程序也是放在汇编里做的。总之了解启动文件是一个非常好的切入点。

MMU相关地址基本概念

关于MMU，因为多种存储设备的物理地址不同以及不连贯性，将其地址安放在合理的连续虚拟地址上是很必要的，所以MMU出现了。MMU即将不同的地址放在合适的虚拟地址中，以便调度。比如要跑LINUX必须要有MMU的支持才行。

ARM920T中有三种类型的地址：

虚拟地址(VA)，变换后的虚拟地址(MVA)，物理地址(PA)。

以下是一个当一个指令被请求时地址所做操作的例子：

1、 指令VA(IVA)被ARM920T发出

2、 它被ProcID(当前进程所在的进程空间块的编号)转换成指令MVA(IMVA)，指令CACHE(ICACHE)和MMU看到的就是IMVA。

3、 如果在IMMU上的保护模块确认IMVA不会被中断，并且IMVA标签也在ICACHE中，指令数据会读出并返回到ARM920T内核中。

4、 如果IMVA tag并不在ICACHE中，那么IMMU会产生出一个指令PA(IPA)。地址会给AMBA总线接口以获取外部数据。

那么VA是如何被PID转换为MVA的呢?

这有关于CP15中的13,FCSE PID register

R13是fast context switch extension(FCSE 快速上下文切换扩展)processidentifier(PID 进程标识符)寄存器，此寄存器复位时为0。

读R13会得到FCSE PID的值，写R13会更新FCSE PID的值到[31:25]中，位[24:0]应该是零。

如何使用FCSE PID：

920T内核发出的地址都是0-32MB的范围，4GB的逆序空间被分成了1238个进程空间块，每个进程空间块大小为32MB。每个进程空间块中可以包含一个进程。系统128个进程空间块的编号0-127，编号为I的进程空间块中的进程实际使用的虚拟地址空间为(I*0x02000000)到(I*0x02000000+0x01FFFFFF)。

所以VA通常高7位都为0时 MVA = VA | (PID << 25)

当VA高7位不为0时 MVA = VA，这种VA是本进程用于访问别的进程中的数据和指令的虚拟地址，注意这时被访问的进程标识符不能为0。

注意：当FCSE_PID为0时，即当前复位，则当前920T和CACHES及MMU之间是平面映射的关系(很巧妙：))。

TLB是什么

TLB即translate look-aside buffer，快表就是存储几个常用的页表，以提高系统运行的速度。在更新页表之前要使其无效，其操作的寄存器为R8，R8为只写寄存器，如果读它则会造成不可估计的后果。

AP赋值表：

而DOMAIN的赋值则是在C3中的，32bit共有16个域，每个域分两个bit，这两个bit控制当前域的权限。而以上四个bit是为了选择0-15个域的其中一个。

关于C、B赋值：

以上有关于两种写缓存，写通以及写回。写回法是指CPU在执行写操作时，被写的数据只写入cache，不写入主存，仅当需要替换时，才把已经修改的cache块写回到主存中。写通法是指CPU在执行写操作时，必须把数据同时写入cache和主存。

时钟以及总线概念

FCLK, HCLK, andPCLK

FCLK is used byARM920T.

HCLK is used forAHB bus, which is used by the ARM920T, the memory controller, the interruptcontroller, the LCD controller, the DMA and USB host block.

PCLK is used forAPB bus, which is used by the peripherals such as WDT, IIS, I2C, PWM timer, MMCinterface,ADC, UART, GPIO, RTC and SPI.

What is AHB/APB?

InternalAdvanced Microcontroller Bus Architecture(AMBA)是一种总线标准，以下两项都符合此标准。

AHB(AdvancedHigh performance Bus),主要用于系统高性能、高时速速率模块间通信。

APB(AdvancedPeripheral Bus),主要用于慢速片上外设与ARM核的通讯。

AHB私有外设总线，只用于CM3内部的AHB外设，它们是：NVIC,FPB, DWT和ITM。

APB私有外设总线，既用于CM3内部的APB设备，也用于外部设备(这里的“外部”是对内核而言)。CM3允许器件制造商再添加一些片上APB外设到APB私有总线上，它们通过APB接口来访问。

四种耗电模式：

NORMAL,SLOW,IDLE,SLEEP

先配置主PLL MPLL给CPU用。在上电复位的时候PLL是不稳定的，所以在PLLCON在被软件配置之前Fin直接是跳过MPll给FCLK，所以不配置PLLCON也是可以正常工作。即使工作在正常状态下，也可以对MPLLCON进行配置，配置之后等待PLL Lock-time过后内部各模块的CLK才可以被正常供应。

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