ARM微处理器编程模型与linux驱动开发

微处理器

微处理器=控制单元+算术逻辑单元+寄存器

指令系统

• RISC：精简指令集 ARM
  • 寻址方式：10种以内
  • 指令集中指令数量：100条左右
  • load/store结构（加载数据在寄存器中，操作针对寄存器操作，而非存储器）
  • 大的统一的寄存器文件
  • 统一固定的指令域，化简了指令的编码，便于流水线设计，大多数指令执行时间是相等的,可以在一个时钟周期内完成
• CISC：复杂指令集 X86、51
  • 寻址方式：比较多（10种以上）
  • 指令集中指令数量：每个功能都有专门的指令

数据类型

• 字节8位：byte
• 半字16位：halfword
• 字32位：word

ARM指令集以4字节对齐，thumb指令集以2字节对齐，每执行一个指令，ARM的pc增加4，thumb的pc增加2

字节对符号位扩展

// 符号位扩展
struct s1{
   
    char a:2;
    char b:2;
    char c:2;
    int a:6;
}t;
t.a = 3;
printf("%d\n", t.a);// -1

符号位扩展：按符号位扩展到32位

ARM体系结构

ARM：RISC结构

ARM处理器工作模式

• 用户模式

• 快速中断模式

• 中断模式

• 管理模式

• 中止模式

• 未定义模式

• 系统模式

• Monnitor模式

• hypervisor模式

寄存器

ARM寄存器有37个寄存器，在不同运行模式下使用的寄存器是不完全一致的
所有寄存器分为两大类：

• 31个通用寄存器
• 6个状态寄存器 CPSR（当前）、SPSR（保存）（NZCV）
  

其中R0~R7为未分组的寄存器，对于任何模式，这些寄存器都对应相同的32位物理寄存器
R8~R14为分组的寄存器，他们所对应的物理寄存器取决于当前的处理器模式，几乎所有允许使用的通用寄存器指令都允许使用这些寄存器
R8~R12有两个分组物理寄存器，一个用于除FIQ模式之外所有寄存器模式，另一个用于FIQ模式。这样在发生FIQ中断后，库加速FIQ的处理速度

R13 堆栈寄存器SP:指向堆栈栈顶
R14 链接寄存器LR:作为（子程序）函数返回用，每种模式下保存子程序返回地址，当发生中断时将其设置为异常返回地址
R15 程序寄存器PC:下一条指令的地址

当前程序状态寄存器（CPSR）

条件码标志：

• N：负（Negative）
• Z：零（Zero）
• C：进位（Carry）
• V：溢出（Overflow）

中断进制位：I 和 F，为1时，禁止中断，为0时，允许中断
模式位：M0、M1、M2、M3… 0：用户模式，1：快速中断模式，2：中断模式，3：管理模式，4：中止模式，5：未定义模式，6：系统模式，7：Monnitor模式，8：hypervisor模式

异常

• 中断 来自IO设备的信号，异步，总是返回下一条指令
• 陷阱 有意的信号，同步，返回下一条指令，处理干扰的一种常用方法
• 故障 潜在可恢复的错误，同步，返回到当前指令
• 终止 严重不可恢复的错误，同步，不返回

异常过程：

1. 上下文切换
   • 保存CPSR到对应的SPSR —— 保护状态寄存器
   • 将当前程序中的数压栈 —— 保护数据
   • 保存PC到LR —— 保存返回地址
   • 将跳转的入口地址保存到PC中 —— 实现跳转
2. 异常返回，函数结束后，内循环转到外循环
   • 将SPSR恢复到CPSR
   • 将保护数据从栈中弹出到寄存器中
   • 将LR恢复到PC

过程调用标准

ATPCS：过程调用标准ATPCS（ARM-Thumb Produce Call Standard）规定了子程序间相互调用的基本规则，ATPCS规定子程序调用过程中寄存器的使用规则、数据栈的使用规则及参数的传递规则。

寄存器使用规则:
R0~R3：参数传递，返回值使用R0（32位）或R0R1（64位），用来存放前4个函数参数并存放返回值，参数超过4个时，使用栈空间传递
R4~R11 ：通用变量寄存器，程序中使用的变量，最常用的是R4~R8，调用函数时，
R12：IP，临时过渡寄存器，在函数调用过程会变

程序内存划分

• 代码段
• 只读数据段
• 可读写数据段
• 堆段
• 栈段

STM32的使用

48的引脚 大多数引脚复用功能

常用资源

• ADC：模拟/数字转换控制 —— 模拟转感器数据的使用
• DAC：数字/模拟转换
• USART：串行口 —— 调试串口设备（蓝牙）
• 串行总线端口：SPI、IIC、CAM
• 定时器TIM：
• EXIT：外部中断
• GPIO：通用IO口 —— 开关信号的输入输出 37个引脚
• RTC：实时时钟 —— 日历、时钟

总线：
AMBA片上总线已经成为了一种流行的工业片上总线标准

• AHB（Advance High performance Bus） 系统总线
• APB（Advance Peripheral Bus） 外设总线
  • APB 1 低速
  • APB 2 高速

最小系统：STM21F103C8T6小系统板，主要由单片机、金振电路、复位电路几部分组成，板载的资源能满足进行单片机GPIO、ADC、RTC、USART、IIC、SPIUSB数据通信等实验

GPIO口的使用

1. 要控制一个设备，首先要使能该设备的端口的时钟系统
2. 配置端口：设置工作模式（输入、输出…），设置工作属性（输出速度…）
   引脚：每一个端口理论上有16个引脚，通过GPIO_IDB(9-15)、GPIO_ODB(0-8)
   端口的配置：通过端口（PA、PB、PC）寄存器来进行，每个端口通过7个端口寄存器来进行设置，一般只用2 3个，通过GPIO_CRL、CPIO_CRH配置

端口配置：

• 端口: PA, PB, PC, …

• 引脚: 每一个端口理论上有16个引脚，Pin_0 ~ Pin_15，每一个端口通过7个端口寄存器来进行设置(对于简单的设置一般只使用2~3个端口寄存器就可以了)

  • ①两个32位的配置寄存器(GPIOx_CRL，GPIOx_CRH) – 一个配置寄存器管理8个引脚(一个引脚通过配置寄存器的四位来进行设置)
    (GPIOx_CRL) (x=A…G): GPIOx configuration register low, GPIOx端口低配置寄存器，用于配置GPIOx端口的第0位～第7位。
    (GPIOx_CRH) (x=A…G): GPIOx configuration register high, GPIOx端口低配置寄存器，用于配置GPIOx端口的第8位～第15位。

  • ②两个32位的数据寄存器（GPIOx_IDR，GPIOx_ODR) – 每一个引脚对应数据寄存器中的一位
    (GPIOx_IDR) (x=A…G)： GPIOx input data register – 输入数据寄存器
    (GPIOx_ODR) (x=A…G)： GPIOx output data register – 输出数据寄存器

  • ③一个32位的置位/复位寄存器 (GPIOx_BSRR)
    (GPIOx_BSRR) (x=A…G): GPIOx bit set/reset register

  • ④一个16位的复位寄存器(GPIOx_BRR)

  • ⑤一个32位的锁定寄存器(GPIOx_LCKR)
    (GPIOx_LCKR) (x=A…G): GPIOx configuration lock register

  一般情况下，对于输入引脚的操作通过CPIOx_CRL或者GPIOx_CRH、GPIOx_IDR就可以了；
  对于输出引脚的操作通过CPIOx_CRL或者GPIOx_CRH、GPIOx_ODR就可以了

• 工作模式
  输入引脚的工作模式: 浮空输入、上拉输入、下拉输入和模拟输入
  输出引脚的工作模式: 推挽输出、开漏输出、复用推挽输出、复用开漏输出(最大输出速度有10MHz，2MHz和50MHz三种)

• 端口配置寄存器:
  端口配置低寄存器(GPIOx_CRL)(x=A…G)
  端口配置高寄存器(GPIOx_CRH) (x=A…G)
  每一个引脚的配置使用寄存器的4位，包含两位Mod位和两位CNF位
  MODE位:
  00：输入模式(复位后的状态)
  01：输出模式，最大速度10MHz
  10：输出模式，最大速度2MHz
  11：输出模式，最大速度50MHz
  CNF位:
  在输入模式(MODE[1:0]=00)：
  00：模拟输入模式
  01：浮空输入模式(复位后的状态)
  10：上拉/下拉输入模式
  11：保留
  在输出模式(MODE[1:0]>00)：
  00：通用推挽输出模式
  01：通用开漏输出模式
  10：复用功能推挽输出模式
  11：复用功能开漏输出模式

假如: LED连接在GPIOC_Pin_13, 设置对应的寄存器
使用的寄存器是: GPIOC_CRH
MOD位为: GPIOC_CRH[21:20] == 11
CNF位为: GPIOC_CRH[23:22] == 00

数据寄存器IDR或者ODR的每一位对应一个引脚的输入或者输出数据
比如: LED要亮
要设置GPIOC_ODR[13] = 0

• 寄存器地址计算:
  GPIOA: 0x4001 0800 - 0x4001 0BFF
  GPIOA_CRL: 0x4001 0800
  GPIOA_CRH: 0x4001 0804
  GPIOA_IDR: 0x4001 0808
  GPIOA_ODR: 0x4001 080C
  GPIOB: 0X4001 0C00 - 0x4001 0FFF
  GPIOB_CRL: 0X4001 0C00
  GPIOB_CRH: 0X4001 0C04
  GPIOB_IDR: 0X4001 0C08
  GPIOB_ODR: 0X4001 0C0C
  GPIOC: 0x4001 1000 - 0x4001 13FF
  GPIOC_CRL: 0x4001 1000
  GPIOC_CRH: 0x4001 1004
  GPIOC_IDR: 0x4001 1008
  GPIOC_ODR: 0x4001 100C

• 实时时钟寄存器基础地址: 0x4002 1000
  APB2 外设时钟使能寄存器(RCC_APB2ENR) 偏移地址：0x18 – 0x4002 1018
  GPIOC的时钟使用RCC_APBENR的bit[4], 为1使能，为0失能

GPIO固件库的使用

1. GPIO寄存器

//GPIO_TypeDef: 定义了STM32外部设备GPIO的所有寄存器
typedef struct 
{
    
	vu32 CRL; 
	vu32 CRH; 
	vu32 IDR; 
	vu32 ODR; 
	vu32 BSRR; 
	vu32 BRR; 
	vu32 LCKR; 
} GPIO_TypeDef;


//GPIO_InitTypeDef: 定义于文件“stm32f10x_gpio.h”：
typedef struct 
{
    
	u16 GPIO_Pin; 
	GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed; 
	GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode; 
} GPIO_InitTypeDef;

2. 端口地址定义

#define PERIPH_BASE ((u32)0x40000000) 
#define APB1PERIPH_BASE PERIPH_BASE 
#define APB2PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x10000) 
#define AHBPERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x20000) 
... 
#define AFIO_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x0000) 
#define GPIOA_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x0800)  //0x40010800
#define GPIOB_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x0C00) 
#define GPIOC_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1000) 
#define GPIOD_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1400) 
#define GPIOE_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1800)

#ifdef _GPIOA 
#define GPIOA ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE)   //GPIOA代表指向端口A的起始地址的指针
#endif /*_GPIOA */ 
#ifdef _GPIOB 
#define GPIOB ((GPIO_TypeDef *) GPIOB_BASE) 
#endif /*_GPIOB */ 
#ifdef _GPIOC 
#define GPIOC ((GPIO_TypeDef *) GPIOC_BASE) 
#endif /*_GPIOC */ 
#ifdef _GPIOD 
#define GPIOD ((GPIO_TypeDef *) GPIOD_BASE) 
#endif /*_GPIOD */ 
#ifdef _GPIOE 
#define GPIOE ((GPIO_TypeDef *) GPIOE_BASE) 
#endif /*_GPIOE */ 
...

3. 接口
   GPIO_DeInit 将外设GPIOx寄存器重设为缺省值
   GPIO_Init 根据GPIO_InitStruct中指定的参数初始化外设GPIOx寄存器 – 设置具体某个引脚的工作模式和参数
   void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct)
   GPIO_Pin_x 选中管脚x(x=0,1,… 15)
   GPIO_Pin_All 选中全部管脚
   GPIO_Speed_10MHz 最高输出速率 10MHz
   GPIO_Speed_2MHz 最高输出速率 2MHz
   GPIO_Speed_50MHz 最高输出速率 50MHz

   GPIO_Mode_AIN 模拟输入
   GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入
   GPIO_Mode_IPD 下拉输入
   GPIO_Mode_IPU 上拉输入
   GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出
   GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出
   GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出
   GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出

STM固件库

端口引脚初始化实例:

//定义初始化结构体
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; 

//设置端口引脚的工作模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_All; 
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz; 
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; 

//使用GPIO_Init()接口将设置的引脚的属性写入到端口寄存器的地址中
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

GPIO_ReadInputDataBit 读取指定端口管脚的输入 – 用来读取GPIOx_IDR的一位(获取一个引脚的状态:0/1)
u8 GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, u16 GPIO_Pin)
实例:

u8 ReadValue; 
ReadValue = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_7);

GPIO_ReadInputData 读取指定的 GPIO 端口输入 – 用来读取GPIOx_IDR的值(得到一个端口16个引脚的状态)
GPIO_ReadOutputDataBit 读取指定端口管脚的输出 – 判定某个特定的引脚是输出高电平还是低电平
GPIO_ReadOutputData 读取指定的 GPIO 端口输出 – 获取一个端口16个引脚的输出状态

GPIO_SetBits 设置指定的数据端口位 – 置位特定的引脚(指定的引脚输出高电平)
void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, u16 GPIO_Pin)

GPIO_ResetBits 清除指定的数据端口位 – 复位特定的引脚(指定的引脚输出低电平)
void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, u16 GPIO_Pin)

GPIO_WriteBit 设置或者清除指定的数据端口位 – 向指定的引脚写0或者写1
GPIO_Write 向指定 GPIO 数据端口写入数据 – 一个端口16个引脚的状态一次性写入

…\cmsis\CoreSupport;…\user;…\stdlib\inc

按键控制LED参考代码:

#include "stm32f10x.h"

#define KEY_ON 0
#define KEY_OFF 1
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; 
void delay_ms(uint32_t ms)  
{
	uint32_t i_cnt,j_cnt;
	for(i_cnt=0;i_cnt<3000;i_cnt++);
	for(j_cnt=0;j_cnt<ms;j_cnt++);	
}
uint32_t i;

void Key_Configure(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;  
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz;
	
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
}


int main(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE); //

	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;  
	
	GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure); 
	GPIOC->BSRR=0xff;  
	
	GPIO_Write(GPIOC,0xff);
	GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_0); 
	delay_ms(99000);
	GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_0);
	GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_1);
		
	delay_ms(99000);
	GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_1);
	GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_2);
		
	delay_ms(99000);
	GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_2);
	GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_3);
		
	delay_ms(99000);
	GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_3);
	GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_4);
		
	delay_ms(99000);
	GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_4);
	GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin