嵌入式开发系列教程（一） MCU和外设

MCU是什么

MCU即单片机指的是把中央处理器、存储器、定时器、各种输入输出接口都集成在一块集成电路芯片上的微型CPU。单片机与通用型CPU不同，通用型CPU如果要工作还需要内存、硬盘、输入输出设备等外接存储单元，而单片机只需要一个时钟发生电路便能正常工作了。

外设是什么

一般意义上的外设，指的是单片机的输入输出设备，例如模数转换器，定时器，串口，SPI，GPIO等。

MCU是怎么控制外设的

串口数据流

seriport-transfer

• PinRx检测输入的高低电平信号，交给RxControl模块处理
• RxControl模块根据已经设置好的波特率等参数，解析高低电平信号，解析到一个字节后，写入到RxBuf
• RxBuf模块负责和CPU通讯
• TxBuf模块负责和CPU通讯
• TxControl模块从TxBuf处拿到数据，根据已经设置好的波特率等参数，将字节数据转换为比特流
• PinTx 根据TxControl输出的比特流，进行高低电平变化

串口接收

seriport-work

• 串口先初始化，初始化参数从哪里获取？
• 循环接收数据，每接收到一个字节便将其写入Buf缓冲区，通知CPU来取，怎么通知？不取会如何？

可以把串口理解为一个单片机，运行的伪代码如下：

static int  BaudRate = 0;
static char Buf;
void Init(int baudrate)
{
    BaudRate = baudrate;
}

void Receive()
{
    if(BaudRate == 115200){
        ...
        Buf = xx;
    }
    else if(BaudRate == 19200){
       ...
       Buf = xx;
    }
    ...
}

void Notice() //通知CPU取数据
{
     ...
}

int main()
{
    Init(115200); 

    while(1){
        Receive();
        Notice(); //通知CPU拿走Buf中的数据
    }
}

我们来解答上边提出的问题

• 串口模块上也有RAM单元，只不过容量小，我们这里理解为是可以容纳BaudRate和Buf两个变量的RAM空间
• 串口上的RAM单元，CPU是可以访问的，CPU可以写BaudRate,但只能读Buf。
• 如果CPU不能及时读走Buf的数据，Buf会被覆盖，为了解决这个问题，有的单片机会把Buf做的比较大，做成一个循环缓冲区，stm32就是这么做的，您可以阅读其文档。
• 到这里我们应该明白，cpu核和外设是两个独立的东西，一般情况下CPU核和外设是不同厂家设计的。8051的核是intel设计的，但是at89C51芯片上的串口模块是atmel公司设计的。只不过atmel把CPU核和外设都集成到了一个集成电路上（相当于电脑主板商）。

外设的寄存器

外设的寄存器，相当于外设运行所必备的RAM单元。为了能够和CPU通讯，挂载到了CPU的总线上。我们来看一张stm32f103的内存映射图

memory-map

• 这是 ARM公司cortex-M3核心的CPU。
• 内存已经按照功能分区，block1上，芯片生产厂家只能放置SRAM，block2上只能放置外设，block7是CPU调试核心单元。
• block2 perpherals放置的是外设，我们可以看到，adc1和uart1所有的寄存器都落在了block的地址区间。
• block1 SRAM放置的是SRAM，我们可以看到，M3核心CPU的SRAM最大是512M，地址区间是0x2000 0000 - 0x3FFF FFFF，一般MCU的SRAM都小于512M，但都是低地址对齐（从0x2000 0000开始），访问不存在的内存时，会出现hard fault。

perpherals

• cpu你可以理解为cortex-m3核，整个图理解为stm32f103单片机。
• sram一般走高速总线，外设走低速总线，这里为了简便，省略了这些细节。
• sram一般走高速总线，外设走低速总线，这里为了简便，省略了这些细节。

总线

总线是指计算机组件间规范化的交换数据的方式，即以一种通用的方式为各组件提供数据传送和控制逻辑（维基-总线）。

cortexM3-Bus

• CM3 处理器的总线接口是基于 AHB-Lite 和 APB 协议的，它们的规格在 AMBA 规格书（第 4 版）
• I-Code总线是一条基于 AHB-Lite 总线协议的 32 位总线，负责在 0x0000_0000 – 0x1FFF_FFFF 之间的取指操作。
• D-code总线也是一条基于 AHB-Lite 总线协议的 32 位总线，负责在 0x0000_0000 – 0x1FFF_FFFF之间的数据访问操作。
• 系统总线也是一条基于 AHB-Lite 总线协议的 32 位总线，负责在 0x2000_0000 – 0xDFFF_FFFF 和0xE010_0000 – 0xFFFF_FFFF 之间的所有数据传送，取指和数据访问都算上。
• AHB和APB的转接桥是为了适应低速设备的。

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