嵌入式系统基础

嵌入式系统学习的3条路线

路线差别

单片机入门（HAL）
简单、快速，实际上工作中涉及单片机编程时，也提倡使用HAL库。对于学习来说，HAL库封装了很多技术细节，对技术成长帮助不大。

比如，可能接触不到这些知识：
重定位、代码段数据段BSS段、位置无关码、相对跳转、绝对跳转、
设置栈、中断上下文、保存/恢复中断现场、ARM架构

这些知识，是单片机的核心，学习了它，有助于在RTOS领域发展。

单片机深入（基于寄存器）
抛开HAL库，从芯片手册开始，自己写出一切代码。
注意：工作中绝对不建议这样做，但是学习时，这才能学到更深刻的知识。
这些知识，也是后续学习RTOS、学习Linux的u-boot的必备知识。

不学单片机，直接上手Linux
如果有一定的硬件基础，或者对硬件操作不敢兴起，那么可以不学习单片机。
Linux驱动 = 面向对象的编程思想 + 良好的程序框架 + 硬件操作（这就跟单片机类似）

如果你要学习Linux驱动开发，单片机虽然是基础，但是也可以在学习驱动过程中掌握。

XIP的概念

XIP：eXecute In Place，本地执行。可以不将代码拷贝到内存，而直接在代码的存储空间运行。

嵌入式系统：支持多种设备启动

系统支持SPI FLASH启动，意味着可以运行SPI FLASH上的代码。
但是SPI FLASH不是XIP设备，CPU无法直接执行里面的代码。

所以，CPU如何执行SPI FLASH上的代码？
一上电，CPU执行的第1个程序、第1条指令在哪里？

ARM板子支持多种启动方式：XIP设备启动、非XIP设备启动等等。
比如：Nor Flash、SD卡、SPI Flash, 甚至支持UART、USB、网卡启动。
这些设备中，很多都不是XIP设备。

CPU无法直接运行非XIP设备的代码，为何可以从非XIP设备启动呢？
上电后，CPU运行的第1条指令、第1个程序，位于片内ROM中，它是XIP设备。
这个程序会执行必要的初始化，比如设置时钟，设置内存；
再从“非XIP设备”中把程序读到内存
最后启动这个程序

ARM芯片内部有很多部件，这是一个片上系统（System On Chip）
比如有：

• cpu
• rom
• ram
• memory controller ---- ddr
• sd/mmc controller ---- sd card
• spi controller ----- spi flash
• usb controller ----- usb storage device
• uart controller
• interrupt controller

b. 跟PC的类比
CPU ---- 单独的芯片
启动设备 ---- BIOS芯片
DDR ---- 单独的可拔插式模块
存储设备 ---- SATA硬盘，可拔插
usb controller …

嵌入式系统启动流程概述

主芯片内部有ROM，ROM程序协助从非XIP设备启动。
以SD卡启动为例。
而CPU只能运行XIP设备中的程序，ROM程序做什么？
ROM需要把SF卡上的程序读到内存里（片内RAM或是片外的DDR）。

ROM程序要做的事情：
a. 初始化硬件
初始化时钟，提高CPU、外设速度
初始化内存：DDR需要初始化才能使用
初始化其他硬件，比如看门狗、SD卡等

b. 从外设把程序复制到内存
b.1
支持那么多的启动方式，SD卡、SPI FLASH、USB DISK，
怎么选择？
通过跳线，选择某个设备；
或
通过跳线，选择一个设备列表，按列表顺序逐个尝试
或
不让客户选择，按固定顺序逐个尝试

Cortex-M3内核 & 芯片

MCU厂商，经ARM公司授权，添加不同的外设=各种xx32芯片

F1系统架构

4个主动单元（主动发起通信）+4个被动单元

1. Cortex M3内核 DCode总线（D-Bus）
2. Cortex M3内核 系统总线（S-Bus）
3. 通用DMA1
4. 通用DMA2
5. 内部FLASH
6. 内部SRAM
7. FSMC
8. AHB到APB的桥，它连接的所有APB外设

AHB：高级高性能总线
APB：高级外围总线

ICode总线直接连接Flash接口，不需要经过总线矩阵。
总线时钟频率：

• AHB：72MHz
• APB1：36MHz
• APB2：72MHz

STM32的寻址范围

32位的单片机可以有32根地址线（每根地址线有两种状态：导通或不导通）。
单片机内存地址访问的存储单元是按字节编址的（而不是bit）。

STM32寻址大小：2³²=4G（字节）
0x00000000 ~ 0xFFFFFFFF

存储器映射

存储器指可以存储数据的设备，本身没有地址信息，对存储器分配地址的过程称为存储器映射。

存储器功能划分

ST将4GB地址空间分成8个块。

寄存器映射

寄存器是单片机内部一种特殊的内存，可以实现对单片机各个功能的控制。

寄存器就是单片机内部的控制机构

寄存器是特殊的存储器，给寄存器地址命名的过程，就叫寄存器映射

直接操作寄存器地址
*(unsigned int *)(0x4001 0x080C) = 0XFFFF;

定义一个名字后再操作
#define GPIOA_ODR *(unsigned int *)(0x4001 080C)
GPIOA_ODR = 0XFFFF;

为了方便编写代码及使用，将寄存器地址分为三个部分：

1. 总线基地址（BUS_BASE_ADDR）
2. 外设基于总线基地址的偏移量（PERIPH_OFFSET）
3. 寄存器相对于外设基地址的偏移量（REG_OFFSET）

寄存器地址 = 以上三个相加

使用结构体，可以很方便的完成对寄存器的映射

typedef struct
{
	__IO uint32_t CRL;
	__IO uint32_t CRH;
	...
}GPIO_TypeDef;

GPIOA_BASE 0X4001 0800 
#define GPIOA ((GPIO_TypeDef *)GPIOA_BASE)

GPIOA->ODR = 0xFFFF;

STM32寄存器分类

内核寄存器

• 内核相关寄存器：包含R0~R15，xPSR、特殊功能寄存器等。
• 中断控制寄存器：包含NVIC和SCB相关寄存器
• SysTick寄存器：包含CTRL、LOAD、VAL和CALIB四个寄存器
• 内存保护寄存器：可选功能，STM32F103没有。
• 调试系统寄存器

外设寄存器

• 包含GPIO、UART、IIC等寄存器

stm32f103xe.h主要组成部分

• 中断编号定义：定义IRQn_Type枚举类型，包含STM32F103内部所有中断编号（中断号），方便后续编写代码。
• 外设寄存器结构体类型定义：以外设为单位，使用结构体类型定义每个外设所有寄存器，方便寄存器映射。
• 寄存器映射：1.定义总线地址和外设基地址。2.使用外设结构体类型定义将外设基地址强制转换成结构体指针，完成寄存器映射。
• 寄存器位定义：定义外设寄存器每个功能位的位置及掩码。
• 外设判定：判断某个外设是否合法（即是否存在该外设）。

typedef struct
{
	__IO uint32_t CRL;
	__IO uint32_t CRH;
	...
}GPIO_TypeDef;

#define GPIOA (GPIO_TypeDef *)(GPIOA_BASE)

GPIOA->ODR = 0xFFFF;