《ARM Cortex-M3与Cortex-M4权威指南》第2章嵌入式软件开发简介

标签：LED TIM CMSIS M4 嵌入式软件 Cortex GPIO void 微控制器

2.1 ARM微控制器是怎样构成的

ARM微控制器通常由处理器内核（如Cortex - M3或Cortex - M4）、片上外设（如定时器、串口、ADC等）、内存（包括Flash用于存储程序代码，SRAM用于数据存储）以及总线系统组成。处理器内核负责执行指令，片上外设实现与外部设备的交互，内存用于存储程序和数据，总线系统则负责在各个组件之间传输数据和控制信号。

2.2 开始时需要准备什么

2.2.1 开发组件

开发ARM微控制器通常需要以下组件：

编译器：将高级语言（如C）编写的代码转换为微控制器能够执行的机器语言。例如GCC（GNU Compiler Collection），它是一款常用的开源编译器。
调试器：用于查找和修复代码中的错误。例如OpenOCD，它支持多种调试接口（如JTAG、SWD）。

2.2.2 开发板

开发板是进行开发的硬件平台，它集成了ARM微控制器以及相关的外围电路，如电源电路、通信接口等。常见的开发板有STMicroelectronics的STM32系列开发板，方便开发者快速搭建开发环境。

2.2.3 调试适配器

调试适配器用于连接开发板和调试主机（如PC），实现调试器与微控制器之间的通信。例如，ST - Link就是STMicroelectronics为其STM32系列微控制器提供的调试适配器，支持JTAG和SWD调试接口。

2.2.4 软件设备驱动

软件设备驱动是控制微控制器片上外设的程序代码。例如，UART驱动程序用于实现串口通信，它负责配置UART外设的寄存器，实现数据的发送和接收。

2.2.5 例子

以一个简单的LED闪烁程序为例，假设使用STM32开发板：

#include "stm32f10x.h" // 包含对应芯片的头文件，定义了寄存器等

// 初始化LED GPIO口
void LED_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; // 定义GPIO初始化结构体

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); // 使能GPIOA时钟

    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; // 选择PA5引脚
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; // 设置为推挽输出模式
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; // 设置输出速度
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct); // 初始化GPIOA
}

int main(void) {
    LED_Init(); // 初始化LED

    while (1) {
        GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5); // 点亮LED
        for (volatile int i = 0; i < 500000; i++); // 简单延时
        GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5); // 熄灭LED
        for (volatile int i = 0; i < 500000; i++); // 简单延时
    }
}

在这个例子中，LED_Init函数用于初始化LED连接的GPIO口，这里体现了初始化模式，即将特定的GPIO口配置为所需的输出模式。main函数中通过循环点亮和熄灭LED，使用了简单的轮询模式来控制LED闪烁。

2.2.6 文档和其他资源

开发过程中需要参考多种文档和资源：

芯片数据手册：详细描述微控制器的硬件特性，如引脚功能、寄存器配置等。
参考手册：提供更深入的技术细节，如指令集、系统架构等。
应用笔记：由芯片厂商提供，介绍如何在特定应用场景下使用微控制器。

2.2.7 其他设备

根据具体应用需求，可能还需要其他设备，如传感器用于数据采集，执行器用于控制外部设备等。

2.3 软件开发流程

需求分析：明确应用的功能需求，例如设计一个温度监测系统，需要确定测量范围、精度要求等。
设计：包括硬件设计（选择合适的微控制器和外围电路）和软件设计（确定软件架构、模块划分等）。例如，在温度监测系统中，选择带有ADC外设的微控制器用于采集温度传感器数据，软件设计上划分温度采集、数据处理和显示等模块。
编码：使用编程语言（如C）编写代码实现设计的功能。
调试：使用调试器查找和修复代码中的错误，确保程序按预期运行。
测试：对软件进行功能和性能测试，验证是否满足需求。

2.4 编译应用程序

以GCC编译器为例，编译过程通常包括以下步骤：

预处理：处理源代码中的预处理指令（如#include、#define）。例如，#include "stm32f10x.h"指令会将指定的头文件内容插入到源文件中。
编译：将预处理后的代码转换为汇编代码。编译器会对C语言代码进行语法和语义分析，生成对应的汇编指令。
汇编：将汇编代码转换为目标文件（.o文件），目标文件包含机器语言指令，但还未进行链接。
链接：将多个目标文件以及所需的库文件链接成可执行文件。链接过程会解决函数和变量的引用问题，将各个模块组合成一个完整的可执行程序。

2.5 软件流程

2.5.1 轮询

轮询是一种简单的软件流程，程序通过不断查询某个条件或状态来执行相应操作。例如，查询按键状态：

#include "stm32f10x.h"

void Button_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; // 设置为浮空输入
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

int main(void) {
    Button_Init();

    while (1) {
        if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_0) == 0) { // 查询按键是否按下
            // 执行按键按下后的操作
        }
    }
}

这里体现了轮询设计模式，程序不断检查按键状态，一旦检测到按键按下，就执行相应操作。这种模式简单直接，但会占用较多CPU资源，适用于对实时性要求不高且任务相对简单的场景。

2.5.2 中断驱动

中断驱动方式下，当特定事件发生时（如外部中断、定时器中断等），微控制器会暂停当前执行的任务，转而执行中断服务程序。例如，使用定时器中断实现定时功能：

#include "stm32f10x.h"

// 定时器初始化函数
void TIM3_Init(void) {
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE); // 使能TIM3时钟

    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 9999; // 设置自动重装载值
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 7199; // 设置预分频器
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; // 向上计数模式
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);

    TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_Update, ENABLE); // 使能更新中断

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn; // 选择TIM3中断通道
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x00; // 设置抢占优先级
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x00; // 设置子优先级
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; // 使能中断通道
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

    TIM_Cmd(TIM3, ENABLE); // 使能定时器
}

// 定时器3中断服务函数
void TIM3_IRQHandler(void) {
    if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update)!= RESET) {
        // 执行定时任务
        TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update); // 清除中断标志位
    }
}

int main(void) {
    TIM3_Init();

    while (1) {
        // 主循环可以执行其他任务
    }
}

这里体现了中断驱动设计模式。通过定时器中断，在设定的时间间隔触发中断服务程序，执行定时任务。主循环可以继续执行其他任务，提高了CPU的利用率，适用于对实时性要求较高的场景。

2.5.3 多任务系统

多任务系统允许在一个微控制器上同时运行多个任务，每个任务可以看作是一个独立的程序。例如，使用FreeRTOS实时操作系统实现多任务：

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"

// 任务1函数
void Task1(void *pvParameters) {
    while (1) {
        // 任务1的代码
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 任务1延时1秒
    }
}

// 任务2函数
void Task2(void *pvParameters) {
    while (1) {
        // 任务2的代码
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(2000)); // 任务2延时2秒
    }
}

int main(void) {
    xTaskCreate(Task1, "Task1", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 1, NULL); // 创建任务1
    xTaskCreate(Task2, "Task2", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 2, NULL); // 创建任务2

    vTaskStartScheduler(); // 启动任务调度器

    while (1) {
        // 正常情况下不会执行到这里
    }
}

这里体现了多任务设计模式。通过FreeRTOS，创建了两个任务Task1和Task2，每个任务有自己独立的执行逻辑和运行时间。任务调度器负责在不同任务之间进行切换，使得多个任务看似同时运行，提高了系统的并发处理能力，适用于复杂的应用场景。

2.6 C程序中的数据类型

在ARM微控制器开发中，常用的C数据类型包括：

基本数据类型：如char（字符型，通常占1字节）、short（短整型，通常占2字节）、int（整型，通常占4字节）、long（长整型，通常占4字节或8字节）、float（单精度浮点型，通常占4字节）、double（双精度浮点型，通常占8字节）。
派生数据类型：如数组、指针、结构体、联合体等。数组用于存储多个相同类型的数据，指针用于存储变量的地址，结构体用于将不同类型的数据组合在一起，联合体则允许不同数据类型共享同一内存空间。

2.7 输入、输出和外设访问

通过微控制器的寄存器来访问外设。例如，访问GPIO口控制LED：

#include "stm32f10x.h"

int main(void) {
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); // 使能GPIOA时钟

    GPIOA->CRL &= ~(0x0F << (4 * 5)); // 清除PA5的配置位
    GPIOA->CRL |= (0x03 << (4 * 5)); // 设置PA5为推挽输出，50MHz

    while (1) {
        GPIOA->BSRR = GPIO_Pin_5; // 点亮LED
        for (volatile int i = 0; i < 500000; i++);
        GPIOA->BRR = GPIO_Pin_5; // 熄灭LED
        for (volatile int i = 0; i < 500000; i++);
    }
}

这里通过直接操作GPIO寄存器（如CRL、BSRR、BRR）来配置GPIO口的模式并控制LED的亮灭，实现了对外设的访问。

2.8 微控制器接口

微控制器常见的接口包括：

GPIO（通用输入输出口）：用于连接外部设备，如LED、按键等，通过配置GPIO寄存器可以设置其输入或输出模式。
UART（通用异步收发传输器）：用于串行通信，如与PC进行串口通信，需要配置波特率、数据位、停止位等参数。
SPI（串行外设接口）：用于高速同步串行通信，常用于连接Flash、传感器等设备。
I2C（集成电路总线）：用于低速同步串行通信，常用于连接多个IC设备，如EEPROM、传感器等。

2.9 Cortex微控制器软件接口标准(CMSIS)

2.9.1 CMSIS简介

CMSIS（Cortex Microcontroller Software Interface Standard）是ARM公司为Cortex - M系列微控制器制定的软件接口标准，旨在提供统一的软件编程接口，提高软件的可移植性和可重用性。

2.9.2 CMSIS - Core所做的标准化

内核寄存器访问：提供了一组标准的函数和宏，用于访问Cortex - M内核的寄存器，如NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller）寄存器，使不同厂商的微控制器在中断处理方面有统一的编程接口。
系统初始化：定义了系统初始化函数SystemInit，用于初始化微控制器的系统时钟、外设等，确保在不同微控制器上有一致的初始化流程。

2.9.3 CMSIS - Core的组织结构

CMSIS - Core主要包括以下几个部分：

内核头文件：定义了内核寄存器的结构体和访问函数，如core_cm3.h或core_cm4.h，针对Cortex - M3和Cortex - M4内核。
启动文件：包含启动代码，用于初始化堆栈、调用SystemInit函数等，不同厂商的微控制器可能有不同的启动文件，但都遵循CMSIS标准。
系统头文件：定义了系统相关的配置和函数，如system_stm32f10x.h，针对特定厂商的微控制器系列。

2.9.4 如何使用CMSIS - Core

包含头文件：在源文件中包含相应的CMSIS头文件，如#include "core_cm3.h"（对于Cortex - M3内核）。
调用初始化函数：在程序开始时调用SystemInit函数进行系统初始化。
使用寄存器访问函数：通过CMSIS提供的函数和宏访问内核寄存器，例如使用NVIC_SetPriority函数设置中断优先级。

2.9.5 CMSIS的优势

可移植性：基于CMSIS编写的代码可以在不同厂商的Cortex - M微控制器上轻松移植，减少了软件移植的工作量。
可重用性：CMSIS提供的标准接口和函数可以被多个项目重用，提高了开发效率。
代码一致性：不同厂商的微控制器在使用CMSIS后，软件编程风格更加一致，便于开发人员学习和维护代码。

2.9.6 CMSIS的多个版本

CMSIS有多个版本，随着Cortex - M系列处理器的发展和新特性的加入，CMSIS也不断更新。每个版本在功能和兼容性上有所改进，例如支持新的内核特性、优化代码结构等，开发者需要根据所使用的微控制器和开发需求选择合适的CMSIS版本。

标签：LED,TIM,CMSIS,M4,嵌入式软件,Cortex,GPIO,void,微控制器
From： https://blog.csdn.net/qq_40844444/article/details/145049911

《ARM Cortex-M3与Cortex-M4权威指南》第2章嵌入式软件开发简介

2.1 ARM微控制器是怎样构成的

2.2 开始时需要准备什么

2.2.1 开发组件

2.2.2 开发板

2.2.3 调试适配器

2.2.4 软件设备驱动

2.2.5 例子

2.2.6 文档和其他资源

2.2.7 其他设备

2.3 软件开发流程

2.4 编译应用程序

2.5 软件流程

2.5.1 轮询

2.5.2 中断驱动

2.5.3 多任务系统

2.6 C程序中的数据类型

2.7 输入、输出和外设访问

2.8 微控制器接口

2.9 Cortex微控制器软件接口标准(CMSIS)

2.9.1 CMSIS简介

2.9.2 CMSIS - Core所做的标准化

2.9.3 CMSIS - Core的组织结构

2.9.4 如何使用CMSIS - Core

2.9.5 CMSIS的优势

2.9.6 CMSIS的多个版本

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2.2.4 软件设备驱动

2.2.5 例子

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2.2.7 其他设备

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2.5.1 轮询

2.5.2 中断驱动

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2.7 输入、输出和外设访问

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