微型計算機原理及應用（基于Arm微處理器）

第 1章 微型計算機基本結(jié)構(gòu)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(fā)展簡史．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
1．1．3 微型計算機的馮·諾依曼結(jié)構(gòu)框圖．．．．．．．．．．．． 4
1．1．4 微型計算機中的三總線．．．．．．．．．．．．5
1．1．5 計算機執(zhí)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 微機原理實踐平臺概述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
1．3 數(shù)制及數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換方法．．．．．．．10
1．3．1 數(shù)制．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10
1．3．2 數(shù)制之間的轉(zhuǎn)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(guān)基本概念．．．．．．．．．． 14
1．4．2 整數(shù)在計算機中的補碼表示方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
1．4．3 實數(shù)在計算機中的浮點數(shù)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(tǒng)．．．．．25
2．1 微型計算機的硬件共性結(jié)構(gòu)及基本性能指標．．．．．．．．．．．．．．．．26
2．1．1 微型計算機的硬件共性結(jié)構(gòu)．．．．．．．．．．．．．．．．．．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(nèi)部寄存器與存儲器映像．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31
2．3．1 寄存器基礎知識及相關(guān)基本概念．．．．．．．．．31
2．3．2 Arm Cortex-M4 內(nèi)部寄存器．．．．．．．．．．．．．．．．．32
2．3．3 Arm Cortex-M4 存儲器映像 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．36
2．4 Arm Cortex-M4 內(nèi)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 硬件最小系統(tǒng)原理圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．42
2．5 由 STM32L431 構(gòu)建的通用嵌入式計算機．．．．．．．．．．45
2．6 習題．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．49
第3章 指令系統(tǒng)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．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(tǒng)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．54
3．2．1 數(shù)據(jù)傳送類指令 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．54
3．2．2 數(shù)據(jù)操作類指令．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．57
3．2．3 跳轉(zhuǎn)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 匯編器的基本語法．．．．．．．．．．．．．65
3．4．1 匯編語言概述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．65
3．4．2 GUN 匯編書寫格式．．．．．．．．．．．．．．．．．．65
3．4．3 GUN 匯編常用偽指令．．．．．．．．．．．．67
3．5 習題．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．70
第4章 匯編語言框架．．．．．．．．．．．．．．．71
4．1 初識程序運行．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．72
4．2 匯編工程框架及執(zhí)行工程分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．79
4．2．1 匯編工程框架的基本內(nèi)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(zhí)行過程分析．．．．．．．．．．．．．．83
4．3 認識工程框架中的 GPIO 構(gòu)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(gòu)件知識要素分析 ．．．．．86
4．3．3 GPIO 構(gòu)件的使用方法．．．．．．．．．．．87
4．4 實驗一：理解匯編程序框架及運行．．．．．．．．．．．．．．．．．88
4．5 習題．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．90
第5章 基于構(gòu)件的匯編程序設計方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．93
5．1 構(gòu)件及其設計方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．94
5．1．1 軟件構(gòu)件基本概念．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．94
5．1．2 構(gòu)件設計基本原則．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．95
5．1．3 三類構(gòu)件．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．96
5．1．4 基于構(gòu)件的軟件設計步驟．．．．97
5．2 程序流程控制．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．98
5．2．1 順序結(jié)構(gòu)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．98
5．2．2 分支結(jié)構(gòu)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 100
5．2．3 循環(huán)結(jié)構(gòu)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．102
5．3 匯編程序設計實例．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．105
5．3．1 數(shù)制轉(zhuǎn)換程序設計．．．．．．．．．．．．．．．．．105
5．3．2 冒泡排序程序設計．．．．．．．．．．．．．．．．．110
5．4 實驗二：基于構(gòu)件方法的匯編程序設計．．．．．．．．．．．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(zhì)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(qū)動構(gòu)件知識要素分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．128
6．4．3 Flash 驅(qū)動構(gòu)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(zhuǎn)換電路 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．141
7．2 UART 驅(qū)動構(gòu)件及使用方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．142
7．2．1 UART 驅(qū)動構(gòu)件要素分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．142
7．2．2 UART 驅(qū)動構(gòu)件使用方法．．．．．．．．．．．．．．．．143
7．3 串行通信的編程舉例．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．145
7．3．1 例 1：發(fā)送和接收一個字節(jié)的數(shù)據(jù)．．．．．．．．．．．145
7．3．2 例 2：發(fā)送和接收一幀數(shù)據(jù)．．．．．．．．．．．．．．．．．．147
7．4 實驗四：基于串行通信構(gòu)件的匯編程序設計．．．．．．．．．．．．151
7．5 習題．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．153
第8章 中斷系統(tǒng)及定時器．．．．．．．．．．．．．．．．．．．155
8．1 中斷系統(tǒng)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．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(nèi)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(nèi)核定時器 ．．．．．．．．．．．．．．161
8．3 基于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(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)模轉(zhuǎn)換．．．．．．．．171
9．1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基礎知識．．．．．．．．．．．．．．．．172
9．1．1 與 AD 轉(zhuǎn)換編程直接相關(guān)的基本概念．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．172
9．1．2 與 AD 轉(zhuǎn)換編程關(guān)聯(lián)度較弱的基本概念．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．174
9．1．3 最簡單的 AD 轉(zhuǎn)換采樣電路舉例 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．175
9．2 ADC 驅(qū)動構(gòu)件及使用方法．．．．．176
9．2．1 ADC 驅(qū)動構(gòu)件要素分析．．．．176
9．2．2 ADC 驅(qū)動構(gòu)件使用方法．．．．178
9．2．3 ADC 驅(qū)動構(gòu)件使用舉例．．．．179
9．3 數(shù)模轉(zhuǎn)換．．．．．．．．．．．．．．．．．．．181
9．3．1 DAC 的通用基本結(jié)構(gòu)．．．．．．．．．181
9．3．2 DAC 的主要技術(shù)指標．．．．．．．．．182
9．4 DAC 驅(qū)動構(gòu)件及使用方法要素分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．183
9．4．1 DAC 驅(qū)動構(gòu)件要素分析．．．．183
9．4．2 DAC 驅(qū)動構(gòu)件使用方法．．．．184
9．4．3 DAC 驅(qū)動構(gòu)件使用舉例．．．．184
9．5 實驗六：AD 轉(zhuǎn)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(gòu)件頭文件及使用方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．191
10．4 DMA 驅(qū)動構(gòu)件要素分析．．．．．．193
10．5 DMA 驅(qū)動構(gòu)件的使用方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．193
10．6 實驗七：通過 DMA 實現(xiàn)內(nèi)存間數(shù)據(jù)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(guān)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(guān)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(jié)構(gòu)及啟動過程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．227
12．1 PC 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．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(tǒng)的啟動流程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．233
12．2．1 啟動固件．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．233
12．2．2 PC 系統(tǒng)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(tǒng)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．242
12．4 習題．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．245
第 13章 微型計算機的發(fā)展方向．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．247
13．1 CPU 的結(jié)構(gòu)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(tǒng)的發(fā)展方向．．．．．．．．．．．．．．．．．．252
13．4 編譯技術(shù)的發(fā)展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．253
13．4．1 并行編譯技術(shù)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．253
13．4．2 交叉編譯技術(shù)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．253
13．4．3 動態(tài)編譯技術(shù)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．253
13．5 微型計算機其他新技術(shù)．．．．．．．．．．．．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 微機原理實踐平臺硬件資源．．．．．．．．．．．257
A．1 概述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．258
A．2 電子資源內(nèi)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(fā)環(huán)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(fā)環(huán)境．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．272
B．6 技術(shù)咨詢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．273
附錄 C： 串行通信構(gòu)件設計方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．275
C．1 UART 模塊編程結(jié)構(gòu)．．．．．．．．．．．．．．．．．．276
C．2 UART 驅(qū)動構(gòu)件匯編語言源碼．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．278
C．3 UART 驅(qū)動構(gòu)件 C 語言源碼．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．282
參考文獻．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．288