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1、退出,嵌入式单片机原理及应用,1 ARM嵌入式系统概述2 STM32单片机结构和最小系统 3 基于标准外设库的C语言程序设计基础 4 STM32通用输入输出GPIO5 STM32外部中断6 STM32通用定时器7 STM32通用同步/异步收发器USART8 直接存储器存取DMA9 STM32的模数转换器ADC10 STM32的集成电路总线I2C11 STM32的串行外设接口SPI,第1章 ARM嵌入式系统概述,1.1 嵌入式系统简介嵌入式系统定义及特征、发展、应用1.2 ARM处理器ARM处理器分类、ARM-Cortex处理器、ARM-Cortex-M3处理器1.3 STM32F10 x系列微
2、控制器STM32微控制器分类、内部结构、优点、开发工具,退出,嵌入式系统的定义,国际电气与电子工程师协会（IEEE）的定义：嵌入式系统是用来控制、监视或辅助设备、机器或工厂操作的装置。,一、嵌入式系统简介,目前嵌入式系统国内普遍认同的定义是：以计算机技术为基础，以应用为中心，软件硬件可剪裁，适合应用系统对功能可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专业计算机系统。为了方便区分，在实际应用中，嵌入式系统还应该具备下述三个特征：1、嵌入式系统的微处理器通常是由32位及以上的RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机处理器）处理器组成，例如ARM、MIPS
3、等。2、嵌入式系统的软件系统通常是以嵌入式操作系统为核心，外加用户应用程序。3、嵌入式系统在特征上具有明显的可嵌入性。,1.1 嵌入式系统简介,1.1 嵌入式系统简介,嵌入式系统发展历程,CPU,显示器,键盘,鼠标,存储器,Windows XPWindows 7,游戏软件,多媒体软件,文字处理软件,I/O(输入输出)接口设备(外设),操作系统,应用软件,CPU,存储器,硬件,软件,计算机基本组成分为硬件和软件两大部分，主要由CPU、存储器、外部设备和操作系统、用户应用软件构成。,嵌入式系统是将计算机嵌入到另外的系统中，另外的系统可能是家电行业、工业控制、玩具等方面的产品。日常见到的计算机体积这
4、么大？怎么嵌入？解决办法：将计算机小型化、专用化。嵌入之后的主体的情况有无变化？1，计算机嵌入到冰箱：智能冰箱2，计算机嵌入到摩托车、赛车结论：嵌入之后，维持被嵌入对象的主体性不变思考：举例说明嵌入式系统有哪些产品?,1.1 嵌入式系统简介,嵌入式系统发展,从单片机到嵌入式系统从芯片级设计到系统级设计从单处理器设计到多处理器设计,1.1 嵌入式系统简介,嵌入式系统应用,检测、控制 数控机床、单机电、仪表 小型化、微型化设备 通讯、医疗、移动办公大吞吐量信号处理 视频流处理移动媒体信息处理 DC、MP3、MP4多机电协同工作 汽车电子、航空电子,1.1 嵌入式系统简介,1.1.3 嵌入式系统的应
5、用,嵌入式系统应用及其广泛，只要是用电的设备，都可以有嵌入式系统，对于日常生活用品，甚至于不用电的设备也可能有嵌入式系统。一、嵌入式技术无处不在 办公设备：复印机、传真机，PC机外围设备，键盘、鼠标、U盘、显示器、Modem、打印机、扫描仪等，含有数个甚至十数个嵌入式系统。消费类产品：如MP3、照相机、摄像机、PDA、智能玩具，游戏机、学习机、网络家电、智能家电、便携视频机、导航仪、车载视频音响、竞赛设备、主持人设备等。,嵌入式系统的应用,消费电子,嵌入式应用,信息家电,智能玩具,军事电子,通信设备,移动存贮,工控设备,智能仪表,汽车电子,网络设备,工 业,军事国防,电子商务,网 络,嵌入式系
6、统的应用,嵌入式系统的应用领域工业控制仪器仪表日常生活科学研究军事国防航空航天医疗卫生文化教育,广播电视电信网络交通运输水利电力农业气象 等,嵌入式系统的应用,当前我国的主要应用领域客户分布：主要在电信、医疗、汽车、安全、工业控制和消费类等行业。产品分布：主要在消费类电子、通信、医疗、安全等行业。其中在消费类电子领域占最大的市场份额。发展重点：移动多媒体、数字娱乐、手机终端、汽车电子、医疗产品等，成为嵌入式系统应用市场的发展重点。,计算机应用领域的划分,桌面通用型,高端服务型,小型专用型,嵌入式Internet应用,后PC时代产品的蓬勃发展,嵌入式系统的应用(5),嵌入式技术的应用手机,韩国电
7、信手机/电视遥控器二合一产品,Sony Ericsson超小型手机电脑手机放在底座上成为电脑,Nokia手机户外音响,内置 DVB-H 移动电视手机,普通手机智能手机与PDA结合,智能家居智能家电,Roto-Rooter公司马桶组合笔记本/ipod/冰箱/Xbox360/健身,高科技的捕鼠器遮断红外线光束掉下笼子,DangerBomb 闹钟 不起床就爆炸啰,配备电子食谱的锅铲coo.boo,智能型垃圾桶 i.Master,浙江大学智能割草机,浙江大学显示营养智能果汁机,嵌入式技术的应用智能家居,嵌入式技术的应用PDA,个人信息助理掌上电脑,PDA 手机+GPS 导航 Dopod U1000，且
8、支持SkyPE,Map-Star的GPS定位设备,华硕GPS导航器,GPS导航器,Nokia 6110 四频 HSDPA/GPS 导航器,嵌入式技术的应用PMP,iLuv可即时将视频录制到iPod/闪存卡上，与以前技术相反,Sony家用影音综合设备,XtremeMac开发的iPod音箱,IPEVO支持Skype电话,Nike的 iPod 帽,Meizu M8,Ipod nano,Archos带Wifi的704,Portable Media Player,录音笔FLY数字笔能“看懂”在专用纸上所写的内容能“阅读”写作和纠正语法错误完成简单的算术运算将英文互相翻译成西班牙文等Genius数字便笺存
9、储100页便笺 2000LPI分辨率32MB板载内存可通过USB连接电脑笔迹识别软件Polymer Vision手机书,嵌入式技术的应用办公用品,嵌入式技术的应用手表,Martin Frey手表日程表、和手机联动获取网络连接和GPS定位信息手表手机：M3001英寸的显示屏、USB接口可播放音乐、支持蓝牙Nike的Speed+手表结合 iPod 和运动计测韩国防性罪犯的电子手镯可追踪罪犯的定位和坐标爱国者视频MP4手表,嵌入式技术的应用运动玩具游戏,GTX公司定位的运动跑鞋内置的GPS接收器和可充电电池遥控蜻蜓次世代三大主流三款主机Xbox 360，WII，PS3,GameCube,XboX36
10、0,PS3,Wii,手柄,手套,枪,嵌入式技术的应用摄像器材,数码相机DV,嵌入式技术的应用多媒体终端,IP电话视频会议可视电话,视频电话,语音识别电话,网络视频电话,IP电话,嵌入式技术的应用家庭音响,引入计算机技术的音响,配备B&O与Core 2 Duo的P.Guerra家庭影院,Sonos ZP80无线音响,LG HD DVD/蓝光播放器,Motorola支持M卡的 HD DVR 录像机,iPhone,嵌入式技术的应用电视,高清电视数字电视立体显示技术,LG内置数字录像机的 LCD TV,能输出 1080p 高画质影像的 iPod Dock,数字电视机顶盒,投影机，家庭影院、教学,嵌入式
11、技术的应用通讯设备,有计算机能力的各种通讯设备路由器/交换机/防火墙等,Buffalo 路由器/USB 网卡套装,VPN产品,千兆网关防火墙,嵌入式技术的应用仪器仪表,DCG(动态心电图仪)便携式多参数监护仪中医指套传感器脉象虚拟仪器推拿手法测试仪电动机故障状态监测保护系统,监控仪,手持仪,嵌入式技术的应用交通相关,汽车电子处理器个数可达三位数车载：娱乐，定位等车控：ABS、EBD等其他,中国版月球车,汽车立体声音响HD Radio扩展包,改装遮阳板 DVD/TV/MP3,嵌入式技术的应用新兴硬件,GPS/蓝牙双拼模块芯片,龙芯2号增强型处理器芯片,Intel进入二十倍数时代，五年后给我们八十
12、核心处理器,服用的 RFID 芯片,Intel Tolapai计划要把南北桥做在芯片中,汽车电子：18个嵌入式控制模块、CAN总线网络,军事国防领域,作战指挥系统：夜视扫描、全球定位、指挥通信,航天领域,火星探路者-基于VXworks,1.1.3 嵌入式系统的应用(6),二、从芯片和产品市场来看嵌入式系统的应用 用于嵌入式系统设计与制造的CPU，每年大概有10-20亿片。据统计，每年只有2%左右的计算机芯片用在台式PC或便携式电脑上的，而98%的CPU或微控制器用在了嵌入式系统上。每年大约有1万个新的嵌入式系统产品投入生产，而且越来越多的系统需要复杂的嵌入式操作系统。,1.2 ARM处理器,A
13、RM处理器的核心及构架如表1-1所示。表1-1 ARM处理器的核心及构架,1.2.1 ARM处理器分类,什么是ARM,ARM是一个公司的名字ARM代表一项技术，即Advanced RISC MachineARM是一个内核，而不是我们看到的具体的芯片,ARM发展的历程,第一片ARM处理器是1983年10月到1985年4月间 在位于英国剑桥的Acorn Computer公司开发 1990年，为广泛推广ARM技术而成立了独立的公司 Advance RISC Machine(ARM)主要设计ARM系列RISC处理器内核授权ARM内核给生产和销售半导体的合作伙伴ARM 公司不生产芯片IP(Intelli
14、gence Property)另外也提供基于ARM架构的开发设计技术软件工具,评估板,调试工具,应用软件,总线架构,外围设备单元，等等20世纪90年代，ARM快速进入世界市场。,ARM Offices Worldwide,800+雇员全球,EnglandCambridge,Maidenhead,Sheffield,BlackburnGermanyMunichFrance Paris,Sophia AntipolisKoreaSeoul,USSeattle,Los Gatos,Walnut Creek,Austin,Boston,San DiegoChinaTaiwan and Shanghai
15、JapanShin-Yokohama(Tokyo),ARM Partnership Model,2023/11/7,ARM的应用,2023/11/7,ARM分类,基于指令集体系结构（构架ISA）的分类ARM V1 体系是最初版本，只有26位的寻址空间，没有乘法指令，最终没有商业化ARM V2 体系与V1体系同为26位寻址空间，具有乘法和加法指令，支持协处理器ARM V3 体系的寻址范围扩展到32位，具有乘法和加法指令，支持协处理器ARM V4 体系增加了半字存储操作，对调试的支持以及支持嵌入的ICEARM V5 体系增加了DSP指令支持和对Java指令的支持ARM V6 体系增加了媒体指令，A
16、RMv6指令集合中加入了超过60条SIMD单指令多数据指令ARM V7 体系定义了三种独立的内核型A(应用领域)，R(实时领域)，M(控制领域),2023/11/7,ARM系列处理器,基于处理器内核的分类ARM7 系列ARM9 系列ARM9E 系列ARM10E 系列SecurCore 系列StrongARM/Xscale（Intel）ARM11,2023/11/7,ARM命名举例,2023/11/7,ARM体系的变种,1）Thumb指令集（T变种）Thumb指令集是把32位的ARM指令集的一个子集重新编码后而形成的一个特殊的16位的指令集 2）长乘指令（M变种）长乘指令是一种生成64位相乘结果
17、的乘法指令（此指令为ARM指令），M变种增加了两条长乘指令3）增强型DSP指令（E变种）E变种的ARM体系增加了一些增强处理器对典型的DSP算法处理能力的附加指令。4）Java加速器Jazelle（J变种）ARM的Jazelle技术是Java语言和先进的32位RISC芯片完美结合的产物。5）ARM媒体功能扩展（SIMD变种）,2023/11/7,ARM的命名规则,ARM的命名分成两类：基于ARM Architecture的版本命名规则；基于ARM Architecture版本的处理器系列命名规则。举个例子，s3c2410采用ARMv4T架构版本，ARM920T处理器系列，其中处理器核为ARM9
18、TDMI。,2023/11/7,基于ARM Architecture的版本命名,规则：|ARMv|n|variants|x（variants）|分成四个组成部分：ARMv-固定字符，即ARM Version n-指令集版本号。迄今为之，ARM架构版本发布了7个系列，所以n=1:7。其中最新的版本是第7版variants-变种。x（variants）-排除x后指定的变种常见的变种有：T-Thumb指令集M-长乘法指令E-增强型DSP指令J-Java加速器JazelleSIMD-ARM媒体功能扩展例如，ARMv5TxM表示ARM指令集版本为5，支持T变种，不支持M变种,2023/11/7,基于AR
19、M Architecture版本的处理器系列命名,采用上述的架构，形成一系列的处理器。有时候还要区分处理器核和处理器系列。不过，在这里其实不用区分太细，毕竟这是功能的小部分的变化，核心是相同的。规则：ARMxyzTDMIEJF-Sx-处理器系列y-存储管理/保护单元z-cacheT-支持Thumb指令集D-支持片上调试M-支持快速乘法器I-支持Embedded ICE，支持嵌入式跟踪调试E-支持增强型DSP指令J-支持JazelleF-具备向量浮点单元VFP-S-可综合版本,Cortex-M3 处理器,集成了内核和高级系统外设的分级处理器 Cortex-M3 内核哈佛体系结构拥有分支预测功能的
20、三级流水线 Thumb-2 指令集和传统的 Thumb指令集带有 硬件除法和 单信号周期乘法的ALUCortex-M3 处理器Cortex-M3 内核可配置的中断控制器 总线矩阵先进的调试组件 可选择的 MPU&ETM,Cortex-M3 处理器概述,哈佛结构指令总线和数据总线分离，允许并行地取指和数据存储1.25DMIPS/MHz，0.19mW/MHzThumb-2指令集拥有32位的性能和16位的代码密度单周期乘法和硬件除法Cortex-M3核内部集成了嵌入式高速中断控制器：低中断响应时间，最低可达6个CPU周期（内部中断）从低功耗模式被唤醒也只需6个CPU 周期相比于ARM7TDMI，Co
21、rtex-M3内核要快35%且减少了45%的代码,Cortex-M3 处理器概述,三级流水线-取指，解码和执行单信号周期乘法硬件除法-UDIV&SDIV-指令执行需要2到12周期，取决与被除数与除数-两者越相近指令完成越快-指令可以被中断（丢弃/重启）,Cortex-M3 处理器概述,Cortex-M3 VS ARM7:主要参数比较,Cortex-M3 附加的特性简化了跟踪调试接口的管脚，从9脚减少到 2 或 3脚硬件中断处理不需要汇编代码综合的原子位操作改进了数据存储 扩展的数据观测点&Flash 保护技术嵌入式的睡眠控制和掉电模式可选择的小型的存储器保护单元(MPU)和 嵌入式跟踪宏单元(
22、ETM),出色的功耗表现,高性能并不等于高功耗，STM32提出3种主要的能耗方案：Run模式：高动态功效Standby模式：极低的功耗能够工作在由电池直接供电的低电压状态下在Run模式下，以最高的72MHz速度全速在FLASH中运行,STM32的功耗也只有36mA(0.5mA/MHz)。在Standby模式典型功耗值更是低到2uA。Battery能够提供2.0到3.6V的电源电压,出色的功耗表现,STM32拥有三种不同的低功耗模式和一个通用的超频方案使用户可以相对于性能优化功耗。STM32内部嵌入了一个实时时钟（RTC），它可以由一个32KHz的石英晶振或内部RC提供。实时时钟拥有自己独立的供
23、电部分，可以由一个专门的纽扣电池或主电源相互交替供电。它的典型功耗值在3.3V时为1.5uA。且带有20B的数据备份区。从低功耗模式启动的启动时间典型值比从Stop模式启动的启动时间短10us，而从Standby模式重启时间典型值为40us。,可以在2.0-3.6V的低电压运行Run模式运行在FLASH中功效为0.5mA/MHz从Stop启动10us从Standby启动为40us复位电路始终有效,出色的功耗表现,STM32F10 x:Low power,内置式的管理单元减少了对外部器件的需求：上电复位，低电压检测，掉电检测，带有独立时钟的看门狗计时器一个主晶振驱动整个系统,高集成度,廉价的4-
24、6MHz晶振驱动CPU，USB和所有外设嵌入式PLL生成各种频率可选择的为RTC提供的32KHz晶振嵌入式的8MHz RC可以被用作主时钟出厂前校正附加的可以为RTC或看门狗提供时钟的低频RC 在LQFP100封装芯片的基础系统上只需要7个外部无源器件,先进、创新的外设,STM32采用双APB（先进外设总线）结构，每条总线都是高速APB总线（最高可到CPU的频率）。外设通过连接到这种总线结构提高了外设的速度。,标准的 ARMTM 体系结构-成熟的体系，便于开发世界范围内有广泛的第三方支持-大量的开发工具以供选择（Keil,IAR,Raisonance,Hitex）许多工程师培训项目使用从ST获
25、得的免费的固件库,广泛的工具和固件库支持,最大减少你的设计时间,USB接口开发包,完整的有文档的源文件,全部经过测试的C源代码,与大多数ARM的IDE工具兼容支持所有USB传输模式:控制传输（通用器件管理任务），HID Mouse/操纵杆适用的中断转传输，大容量存储器适用的批量转输，Voice Speaker/micro适用的同步传输。DFU（通过USB固件升级），虚拟串行通信端口（CDC类，仿真的 RS232）,Free from ST web,什么是STM32?,新的基于ARM内核的32位MCU系列内核为ARM公司为要求高性能、低成本、低功 耗的嵌入式应用专门设计的Cortex-M3内核标
26、准的ARM架构超前的体系结构高性能低电压低功耗创新的内核以及外设简单易用/自由/低风险,管脚,软件和外设全线兼容FLASH32KB,64KB,128KBRAM6KB,10KB,20KB封装LQFP-48/LQFP-64/LQFP-100/BGA-100电压范围2.0到3.6VI/O电压容限为5V,STM32系列介绍,STM32系列介绍,72 MHz CORTEX-M3 CPUWide offer 32KB-512KB Flash 6Kb-64KB RAM,Flash Size(bytes),256 K,512K,100 pins LQFP(14x14)/BGA,32 K,64 K,64 pin
27、s LQFP(10 x10),48 pins LQFP(7x7),144 pins LQFP(20 x20)/BGA,0 K,未来发展方向,CORTEX M3,STM32Samples NOWProd Oct 07,STM32 prod Q2/08Samples Dec 07Prod Q2/08,STM32F10 x的两条产品线,STM32F101“基本型”系列,STM32F103“增强型”系列,在32位的FLASH MCU中性能最强整体信号处理方面胜过DSP解决方案出众的控制和连通性 非常适合低电压/低功耗的应用场合,16位处理器的价格却拥有32位的性能STM32系列中的入门级产品非常适合低
28、电压/低功耗的应用场合,STM32F10 x的两条产品线,Both lines have up to:,5 x USART,2 x SPI,2 x I2C,RTC,11+DMA,2xWDG,5 x 16-bit TIMERS,80%GPIO ratio,12b ADC(1s)Temp sensor,36MHz CPU,Up to 48KB SRAM,Up to 512KB FLASH,Up to 64KB SRAM,CAN,USB,ACtimer,EMI*,2x12b ADC(1s)Tempsensor,DAC*,72MHz CPU,Int 8 MHz RCInt 32 kHz RC,POR/
29、PDR/PVD brown out,“基本型”系列,“增强型”系列,EMI*,DAC*,I2S*,*只有在Flash大于256KB（包含）的芯片上才包括DAC,EMI(144 pins),I2S,SDIO,SDIO*,STM32F103“增强型”系列,2V-3.6V 供电电压5V I/Os 电压容限出色的时钟安全模式带有唤醒功能的低功耗模式内部RC嵌入的RESET-40/+85C（工业级）,*仅限144脚的封装,*只有在Flash大于256KB（包含）的芯片上才包括DAC,EMI(144 pins),I2S,SDIO,图象传感器,STM32F101“基本型”系列,2V-3.6V 供电电压5V
30、I/Os 电压容限出色的时钟安全模式带有唤醒功能的低功耗模式内部RC嵌入的RESET-40/+85C（工业级）,*只有在Flash大于256KB（包含）的芯片上才包括DAC,EMI(144 pins),I2S,SDIO,图象传感器,6 KB RAM*,6 KB RAM*,STM32F103“增强型”系列,Flash Size(bytes),128 K,256 K,512 K,100 pins LQFP/BGA,STM32F103Rx20 KB RAM,STM32F103Rx20 KB RAM,STM32F103Cx20 KB RAM,32 K,64 K,STM32F103Rx64 KB RAM
31、,STM32F103Vx20 KB RAM,STM32F103Vx64 KB RAM,STM32F103Vx20 KB RAM,STM32F103Vx64 KB RAM,3xUSART3x16-bit timer2xSPI,2XI2CUSB,CAN,PWM2xADC,64 pins LQFP,48 pinsLQFP,2xUSART2x16-bit timer1xSPI,1xI2CUSB,CAN,PWM2xADC,5xUSART5x16-bit timer2xSPI,2XI2CUSB,CAN,PWM2xADC,2xDAC,I2SEMI(144 pins only),STM32F103Rx64 K
32、B RAM,144 pins LQFP/BGA,STM32F103Zx64 KB RAM,STM32F103Zx64 KB RAM,STM32R103Zx64 KB RAM,STM32F103Cx10 KB RAM,STM32F103Rx10 KB RAM,*32kB devices exist w/o the CAN and USB,with 6kB of RAM,0 K,Samples April 07Production Oct 07,Samples Dec 07Production Q2 08,STM32F101“基本型”系列,Flash Size(bytes),128 K,256 K
33、,512 K,100 pins LQFP,STM32F101Rx10 KB RAM,STM32F101Rx16 KB RAM,STM32F101Cx10 KB RAM,32 K,64 K,STM32F101Rx32 KB RAM,STM32F101Vx16 KB RAM,STM32F101Vx32 KB RAM,STM32F101Vx10 KB RAM,STM32F101Vx48 KB RAM,3xUSART3x16-bit timer2xSPI,2XI2C,64 pins LQFP,48 pins LQFP,2xUSART2x16-bit timer1xSPI,1xI2C,5xUSART5x
34、16-bit timer2xSPI,2XI2C,2xDAC,EMI(144 pins only),144 pins LQFP,STM32F101Zx32 KB RAM,STM32F101Zx48 KB RAM,STM32F101Cx6 KB RAM,STM32F101Rx6 KB RAM,Samples April 07Production Oct 07,Samples Dec 07Production Q2 08,STM32 通用平台,STM32 概念标准的 ARMTM Cortex-M3 内核高性能外设提供两个完整的产品系列开发工具以及软件支持,各系列产品全面兼容,Family,Tools,Periphs,Core,优点 可升级的体系结构 适用你所有的应用 给用户相同的“外观和感受”统一的软件和开发投入,
