微机原理与接口技术——嵌入式系统描述_姚琳、万亚东、汪红兵_9787302528593

本书内容全面、重点明确、表述简洁,注重将微机接口控制器的基本原理和实际操作相结合,突出软硬件设计中的计算思维模式。全书共12章,内容包括微机原理及基本概念、CortexM3处理器体系结构、ARM汇编、嵌入式系统开发基础、GPIO控制器、NVIC及EXTI中断控制器、定时器、USART总线、IIC总线、SPI总线、ADC以及低功耗控制,并配套基于STM32L15x系列的实验教程。本书适合作为非计算机专业微机原理及接口技术的教材,也可作为计算机类嵌入式系统课程的参考教材。

前言
随着智能制造、物联网、大数据技术的推进和应用,以及新工科建设的需求,数据的采集和感知成为这些技术应用不可或缺的重要环节,各种物联网大赛、创新创业大赛都对软硬件系统设计能力提出了很高的要求,需要学生具有数据感知、处理、传输和分析的综合能力;此外,随着计算思维在计算机基础教学方面的不断推进,思维能力培养已成为教育教学界的共识,计算机硬件系统结构中包含大量计算思维的知识点,如RISC、CISC、哈佛体系结构、Cache分层存储、中断处理及优化机制、流水线、串行并行总线技术等,是计算思维培养非常有效的一门课程。微机原理与接口技术是非计算机专业计算机硬件教育的重要课程,本教材以嵌入式系统为对象,对微机的基本原理、ARM微处理器的接口技术进行梳理,结合大量实验培养学生计算机硬件素养和计算思维能力,提高学生在计算机软硬件系统设计、调试和创新方面的能力,适用于本科非计算机专业学生。
本书选用CortexM3处理器内核的STM32L152系列低功耗微控制器对ARM嵌入式系统的体系结构进行讲述,教材以计算机硬件体系涉及的计算思维为主线,第1章阐述微型计算机的基本概念、内部架构和嵌入式系统概念;第2章以ARM CortexM3的处理器工作模式、流水、中断等为案例具体阐述硬件设计的方法;第3章介绍汇编指令编码、寻址技术并对启动代码进行了分析;第4章简述了嵌入式开发流程及C语言基础;第5～11章对常用外围控制器GPIO、EXTI、Timer、USART、IIC、SPI、ADC的一般性工作原理、STM32L1系列处理器的具体实现和特色、寄存器级别和库函数级别两个层次的程序设计方法进行了详细阐述；第12章对低功耗设计进行了介绍。教材内容兼顾嵌入式处理器及外围控制器原理讲解和应用程序设计,让读者理解CortexM3处理器的特性,各种控制器的工作原理及使用方法,理解嵌入式处理器架构。
本教材目标定位为软硬件协同设计思维,而不仅仅是会使用和开发嵌入式系统,结合实验设计,让学生必须理解ARM架构、外围控制器的工作原理和设计思路,能够进行应用系统设计。
本书适用于工科非计算机专业微机接口技术、嵌入式系统课程,也可作为计算机专业嵌入式开发课程的教材。

作者
2019年4月

目录
第1章微型计算机与嵌入式系统概论1
1.1微型计算机概述1
1.1.1微型计算机系统的组成1
1.1.2微处理器的发展3
1.2微型计算机的基本原理7
1.2.1冯·诺依曼体系结构7
1.2.2微机的总线8
1.2.3哈佛体系结构14
1.2.4微处理器的内部结构15
1.2.5I/O接口技术19
1.2.6存储器20
1.2.7程序的执行过程24
1.3嵌入式系统概述25
1.4嵌入式系统架构27
1.5嵌入式系统的典型应用28
1.6典型嵌入式开源硬件和软件系统31
1.6.1开源硬件平台31
1.6.2嵌入式开源操作系统33
第2章CortexM3微处理器的体系结构35
2.1ARM微处理器系列介绍35
2.2ARM CortexM3体系结构37
2.2.1总体架构37
2.2.2操作模式39
2.2.3寄存器40
2.2.4总线44
2.2.5存储器45
2.2.6中断50
2.3STM32L152RET6微处理器介绍50
2.4STM32L152RET6微处理器的系统结构51
2.5STM32L152RET6微处理器的引脚说明54
2.6STM32L152RET6微处理器的复位和时钟控制57
2.7STM32L152RET6微处理器的存储映射59
〖1〗微机原理与接口技术嵌入式系统描述〖1〗目录第3章CortexM3处理器的指令系统63
3.1CortexM3处理器的指令系统概述63
3.1.1指令系统基本概念63
3.1.2指令格式65
3.1.3寻址方式67
3.1.4数据传送指令68
3.1.5存储器访问指令69
3.1.6算术运算指令74
3.1.7逻辑运算指令77
3.1.8移位和循环指令78
3.1.9比较指令79
3.1.10分支控制指令80
3.1.11其他指令81
3.2ARM汇编器中的伪指令83
3.2.1Thumb伪指令83
3.2.2符号定义伪指令84
3.2.3数据定义伪指令85
3.2.4汇编控制伪指令86
3.2.5其他常用的伪指令87
3.3汇编语言的程序结构88
第4章开发板硬件系统及开发环境92
4.1最小系统设计92
4.2开发板电路原理图93
4.2.1电源93
4.2.2复位和启动电路95
4.2.3时钟95
4.2.4调试接口96
4.2.5按键97
4.2.6LED灯97
4.2.7显示屏98
4.2.8扩展I/O口98
4.3软件开发环境99
4.3.1嵌入式软件开发流程99
4.3.2程序开发库CMSIS101
4.3.3STM32L52嵌入式程序开发预备知识103
第5章通用输入输出112
5.1GPIO原理112
5.1.1GPIO功能112
5.1.2I/O模式配置113
5.2GPIO寄存器115
5.3GPIO操作函数库120
5.4GPIO实例128
5.4.1GPIO寄存器基本操作128
5.4.2GPIO LED灯控制130
5.4.3GPIO按键输入131
第6章异常和中断处理技术133
6.1中断的基本概念133
6.2中断向量表134
6.3中断的执行过程138
6.3.1中断响应基本流程138
6.3.2中断优化技术141
6.3.3系统异常142
6.4嵌套向量中断控制器NVIC144
6.4.1STM32L152 NVIC144
6.4.2NVIC寄存器144
6.4.3系统异常处理149
6.4.4全局中断管理150
6.4.5NVIC库函数151
6.5外部中断/事件控制器EXTI157
6.6寄存器说明158
6.7EXTI函数库162
6.8中断案例164
第7章定时器168
7.1定时器原理概述168
7.2内部定时器SysTick170
7.2.1SysTick寄存器170
7.2.2SysTick定时器库函数172
7.2.3SysTick定时器应用例程174
7.3外围定时器基本概念175
7.4基本定时器TIM6、TIM7179
7.5通用定时器TIM2～TIM4、TIM9～TIM11181
7.5.1通用定时器时基单元182
7.5.2通用定时器输入捕获和输出比较单元185
7.5.3TIMx的外部触发同步模式189
7.6定时器寄存器191
7.7外围定时器库函数197
7.8定时器应用例程205
7.8.1定时器寄存器操作案例205
7.8.2基本计时中断示例206
7.8.3比较输出示例208
7.8.4输入捕获示例212
7.8.5PWM输出和输入示例215
第8章USART串口控制器218
8.1串行输入输出接口的基本概念218
8.2串行通信协议219
8.2.1异步串行通信协议219
8.2.2同步串行通信协议220
8.2.3串行通信基本概念221
8.3STM32L152 USART内部结构与原理224
8.3.1发送器226
8.3.2接收器228
8.3.3校验控制232
8.3.4硬件流控制232
8.3.5USART中断请求233
8.4USART寄存器234
8.5USART 数据传输配置240
8.5.1波特率计算240
8.5.2异步双向通信模式配置241
8.6USART 帧传输协议242
8.6.1串行链路帧格式设计242
8.6.2MODBUS帧格式246
8.7USART 函数库247
8.7.1寄存器定义247
8.7.2USART库函数250
8.8USART 案例257
8.8.1串口寄存器操作案例257
8.8.2串口配置基本流程258
8.8.3PC串口通信案例259
8.8.4状态机多字节数据帧发送和接收案例261
第9章IIC总线267
9.1IIC总线概述267
9.2I2C总线的基本操作268
9.3STM32L152 I2C总线控制器273
9.4I2C寄存器描述275
9.5I2C数据通信流程281
9.5.1I2C从模式通信281
9.5.2I2C主模式通信283
9.5.3总线通信错误285
9.5.4中断请求285
9.6函数库287
9.6.1I2C寄存器结构 287
9.6.2I2C库函数288
9.7I2C案例298
9.7.1I2C寄存器操作案例298
9.7.2I2C基本配置299
9.7.3模拟I2C实现301
9.7.4串行Flash通信304
9.7.5ADT7420温度传感器通信306
第10章SPI309
10.1SPI总线概述309
10.2SPI总线控制器架构310
10.2.1接口信号和连接方式310
10.2.2传输模式和时序313
10.2.3STM32L15x SPI总线控制器315
10.3SPI寄存器说明317
10.4SPI通信流程320
10.4.1SPI双工通信模式配置321
10.4.2SPI单工/半双工通信323
10.5函数库326
10.5.1SPI寄存器结构326
10.5.2SPI库函数328
10.6SPI案例333
10.6.1SPI寄存器操作案例333
10.6.2SPI函数库案例334
10.6.3温度传感器ADT7320案例335
第11章模拟/数字转换339
11.1ADC简介339
11.2STM32L152 ADC344
11.2.1STM32L152 ADC功能346
11.2.2温度和电压转换357
11.3ADC寄存器358
11.4ADC寄存器结构及ADC库函数365
11.4.1ADC寄存器结构366
11.4.2ADC库函数368
11.5ADC案例377
11.5.1ADC寄存器操作案例377
11.5.2ADC库函数操作案例378
第12章低功耗技术380
12.1处理器功耗的构成/类型380
12.1.1动态功耗380
12.1.2静态功耗381
12.2STM32L1系列处理器低功耗设计382
12.2.1STM32的电源系统382
12.2.2动态电压调节管理383
12.2.3电源检测385
12.2.4低功耗模式386
12.3功耗控制寄存器389
12.4PWR寄存器结构及库函数391
12.4.1PWR寄存器结构391
12.4.2PWR库函数391
12.5PWR案例394
参考文献397

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