[工学] 清华大学课件：ARM架构原理与应用

架构原理与应用ARM本课程基于清华大学课件资料整理，专门面向工学领域的专业学生设计课程全面涵盖微控制器的理论基础与实践应用，从基础架构原理到具体应用ARM开发，为学生提供完整的学习体系课程概述学习基础要求面向具备语言编程基础的学生，要求掌握基本的程序设计思维和编程技能C培养目标注重实践与动手能力培养，通过项目驱动的教学方式提升学生的工程实践能力适用对象适合参与科技活动的本科生和爱好者，为有志于嵌入式开发的学习者提供指导课程特色学习目标掌握架构基本原理ARM深入理解处理器的架构设计思想，包括指令集、流水线、存储器ARM系统等核心概念熟悉嵌入式系统开发流程掌握从需求分析到系统实现的完整开发流程，包括硬件设计和软件开发独立设计嵌入式应用具备独立设计和实现基于的嵌入式应用系统的能力，解决实际工ARM程问题实现理论到实践转化将理论知识转化为实际的工程实践能力，培养创新思维和解决问题的能力第一部分基础知识ARM本部分将为学生建立处理器的基础知识体系，从嵌入式系统的基本概念ARM开始，逐步深入到架构的核心特性我们将探讨公司的发展历程，ARM ARM了解不同处理器家族的特点和应用场景ARM通过学习架构的演进过程，学生将理解现代处理器的设计思想和技ARM ARM术特点重点介绍系列微控制器，为后续的实践开发奠定理论基Cortex-M础本部分还将提供清晰的学习路线图，帮助学生规划自己的学习进程嵌入式系统概述系统定义与特点应用领域广泛技术发展趋势嵌入式系统是专用计算机系统，具有实从智能手机、汽车电子到工业控制和医现代嵌入式系统向着高性能、低功耗、时性、可靠性和低功耗等特点系统通疗设备，嵌入式系统无处不在随着物智能化方向发展架构凭借其优秀ARM常集成在其他设备中，执行特定的控联网技术的发展，嵌入式系统的应用场的功耗控制和性能表现，成为嵌入式处制、监测或通信功能景不断扩大理器的主流选择发展历史ARM年公司成立年多元发展19902010公司成立，专注于架构处理器设计，奠定了架构扩展到服务器、汽车电子等领域，技术影响ARM RISCARM精简指令集的技术基础力不断扩大1234年移动时代年生态完善20002020处理器开始大规模应用于移动设备，凭借低功耗生态系统日趋完善，从云端到边缘计算都有广泛ARM ARM优势占领移动市场应用架构变迁ARM架构ARMv8引入位处理能力，支持和状态64AArch32AArch64架构ARMv7成熟的位架构，广泛应用于移动设备和嵌入式系统32早期架构从到的发展历程，奠定设计基础ARMv1ARMv6RISC架构的每一次升级都带来了性能和功能的显著提升从最初的简单设计到现在支持位计算的复杂架构，始终保持ARM RISC64ARM着向后兼容性，确保软件生态的延续性处理器家族ARM系列Cortex-R实时处理器，专为硬实时系统设计，广泛应用于汽车和工业控制系列Cortex-A应用处理器，面向智能手机、平板电脑等高性能设备系列Cortex-M微控制器，针对嵌入式应用优化，具有低功耗和高集成度特点不同系列的处理器针对特定的应用场景进行了优化系列注重计算性能，系列强调实时响应，而ARM Cortex-A Cortex-R Cortex-系列则优化了功耗和成本，形成了完整的产品矩阵M系列详解Cortex-MCortex-M7高性能微控制器，支持双精度FPUCortex-M4带与，适合信号处理应用DSP FPUCortex-M3主流微控制器，平衡性能与功耗Cortex-M0/M0+入门级超低功耗，成本最优系列形成了从入门到高端的完整产品线每个型号都有其特定的优势和应用场景，开发者可以根据项目需求选择最适合的处理器Cortex-M这种分层设计既保证了技术的先进性，又兼顾了成本控制学习路线ARM系统集成应用实践项目训练能够独立完成完整的嵌入式系统开发环境掌握通过实际项目锻炼硬件设计和软设计，包括需求分析、架构设基础理论学习熟悉集成开发环境、编译器和调件开发技能从简单的控制计、实现和测试具备解决实际LED掌握ARM架构原理、指令集和嵌试工具的使用掌握版本控制系到复杂的通信系统，循序渐进提工程问题的能力入式系统基础知识，建立扎实的统和项目管理工具，养成良好的升实践能力理论基础学习计算机组成原理开发习惯和数字电路设计基础第二部分计算机架构基础在深入学习架构之前，我们需要建立坚实的计算机架构理论基础本部ARM分将从计算理论的起源开始，介绍图灵机模型和现代计算机的基本架构我们将详细探讨冯诺依曼架构和哈佛架构的区别，理解它们在嵌入式系统中的应·用通过学习基本运算单元的工作原理，学生将理解处理器内部的数据流动和控制机制这些基础知识对于后续深入学习架构至关重要，将帮ARM Cortex-M助学生更好地理解处理器的设计思想和工作原理图灵机与计算理论理论计算模型图灵机是理论计算的基础模型，定义了计算的本质和可计算性的边界这个抽象模型为现代计算机的设计提供了理论指导无限存储概念图灵机具有无限长的纸带作为存储介质，这个概念启发了现代计算机的存储器层次结构设计状态机原理图灵机通过状态转换进行计算，这个原理在现代处理器的控制单元设计中得到了广泛应用计算机基本架构冯诺依曼架构哈佛架构·程序和数据存储在同一存储器中，通过统一的总线进行访问这程序存储器和数据存储器分离，具有独立的访问总线这种设计种架构简化了系统设计，但可能存在指令和数据访问冲突的问可以同时访问指令和数据，提高了系统性能题系列处理器采用改进的哈佛架构，在保持高性ARM Cortex-M大多数通用计算机采用这种架构，具有灵活性高、编程简单的优能的同时简化了编程模型点在嵌入式系统中也有广泛应用基本运算单元算术逻辑单元寄存器组是处理器的核心运算部件，寄存器是处理器内部的高速存储ALU负责执行算术运算和逻辑运算器，用于临时存储数据和地址它接收来自寄存器的操作数，根处理器拥有丰富的寄存器ARM据控制信号执行相应的运算操资源，提高了数据处理效率作控制单元控制单元负责指令的解码和执行控制，协调各个功能部件的工作它是处理器的指挥中心，确保指令按正确顺序执行第三部分架构详Cortex-M解本部分将深入探讨架构的核心特性，重点介绍ARM Cortex-M Cortex-M3处理器的设计细节我们将详细分析处理器的各个组成部分，包括处理器核心、总线接口、中断控制器等关键模块通过学习架构的独特设计，学生将理解为什么这个架构特别适合嵌Cortex-M入式应用我们将探讨指令集、三级流水线、存储器映射等关键技Thumb术，为后续的实际开发做好准备架构总览Cortex-M3处理器核心总线接口位内核，支持指令总线架构，支持多层总32ARM Thumb-2AMBA AHB集，具有优秀的代码密度和执行效率线，提供高效的数据传输能力中断控制调试子系统嵌套向量中断控制器，支持多达个集成的调试接口，支持实时调试和跟踪240中断源，响应速度快功能，简化开发过程重点模块Cortex-M3240中断源数量最多支持个外部中断源NVIC2408优先级位数可配置的中断优先级位数24位数SysTick系统定时器的计数器位宽8区域数MPU内存保护单元支持的保护区域数嵌套向量中断控制器是的核心特性之一，提供了快速的中断响应和灵活的优先级管理系统定时器为操作NVIC Cortex-M3SysTick系统提供时钟节拍，内存保护单元增强了系统的安全性和可靠性MPU指令集ARM处理器采用指令集，这是位指令和位指令的混合这种设计在保持高代码密度的同时提供Cortex-M3Thumb-216Thumb32ARM了丰富的指令功能指令集包括数据处理、分支跳转、存储器访问等多种类型，满足各种应用需求三级流水线取指从程序存储器获取指令译码解析指令并准备操作数执行执行指令并写回结果三级流水线设计平衡了性能和复杂度虽然比现代高端处理器的流水线级数少，但对于嵌入式应用来说已经足够，同时保持了较低的功耗和成本流水线冲突通过硬件自动处理，简化了编程模型存储器映射地址范围区域名称功能描述代码区程序代码存储0x00000000-0x1FFFFFFF区数据存储0x20000000-SRAM0x3FFFFFFF外设区外设寄存器0x40000000-0x5FFFFFFF外部扩展存储器0x60000000-RAM0x9FFFFFFF私有外设核心外设0xE0000000-0xE00FFFFF采用统一的地址空间，不同区域有明确的功能定义这种设计简化了Cortex-M34GB内存管理，提高了系统的可靠性和可移植性第四部分微控制器STM32是意法半导体基于内核开发的位微控制器系列，STM32ARM Cortex-M32在嵌入式开发领域占有重要地位本部分将详细介绍的产品线布局、STM32技术特性和应用优势我们将重点分析和两个典型型号，了解它们的STM32F103STM32F407硬件特性、外设资源和应用场景通过对比不同系列的特点，帮助学生掌握选型的基本方法和设计考虑因素STM32系列概述STM32系列系列系列STM32F1STM32F4STM32L主流产品线，内核，平衡的性高性能产品线，内核，集成超低功耗产品线，专为电池供电应用设Cortex-M3Cortex-M4能和成本，适合通用应用开发和指令，适合高性能应用计，具有多种省电模式FPU DSP特性STM32F103内核性能内核，最高主频，提供良好的计算性能和实时响ARM Cortex-M372MHz应能力存储资源程序存储器，数据存储器，满足中等规Flash64KB-512KB SRAM20KB模应用需求外设接口丰富的通信接口包括、、、总线，支持多种传感器和执UART SPI I2C CAN行器连接功耗管理多种低功耗模式，运行功耗，停止模式，适合电池供电应用36mA2μA特性STM32F407第五部分微控制器GD32是兆易创新推出的国产微控制器系列，基于内GD32ARM ARMCortex-M核设计作为国产化替代方案，在保持与高度兼容的同时，提GD32STM32供了更好的性价比和本土化服务支持本部分将介绍系列的技术特点和应用优势，分析其与的GD32F10x STM32兼容性情况我们还将探讨的开发生态建设，包括开发工具、库函数GD32支持和社区资源，为学生了解国产微控制器提供全面的技术视角概述GD32F10x技术兼容性性能优势成本控制系列与在引系列在相同主频下提供更高作为国产化产品，在保证技术指GD32F10x STM32F103GD32F103GD32脚定义、寄存器映射和外设功能方面高的性能表现，读取速度更快，某些标的前提下提供了更具竞争力的价格Flash度兼容大部分的代码可以直接型号的主频可达，超越了同类供应链的本土化也减少了国际贸易风STM32108MHz移植到平台，降低了开发成本和产品险GD32STM32学习门槛优化的内核设计和存储器控制器提升了本土化生产和服务支持为用户提供了更兼容性设计使得现有的开发经验整体系统性能，特别是在计算密集型应好的技术保障和更快的响应速度STM32和代码资源可以直接应用，加速了产品用中表现突出开发周期开发生态GD32官方工具支持提供完整的开发工具链库函数与驱动兼容标准库和库STM32HAL社区与文档完善的中文技术文档和社区支持示例代码丰富的开源项目和参考设计的开发生态已经相当完善，从底层驱动到应用示例都有完整的支持兆易创新还提供了专门的技术支持团队，为开发者解决实际应用中GD32遇到的问题中文文档和本土化服务是其相对于国外产品的重要优势第六部分开发环境与工具掌握合适的开发环境和工具是成功进行嵌入式开发的基础本部分将详ARM细介绍微控制器开发所需的硬件平台和软件工具，包括开发板的选择、ARM集成开发环境的配置以及调试工具的使用我们将从实用的角度出发，指导学生如何搭建完整的开发环境，创建标准的工程模板，并掌握高效的开发流程通过系统的环境配置，为后续的实际项目开发奠定坚实的工具基础开发板介绍核心处理器接口丰富扩展能力学习支持搭载或板载接口、串标准的扩展接口设计，配套完整的教学资料和STM32F103USB微控制口、、等通信支持连接传感器模块、示例代码，从基础的GD32F103SPII2C器，提供完整的学习和接口，方便连接各种外显示屏、电机驱动等外操作到复杂的通GPIO开发平台处理器外围设模块指示灯和设模块化设计便于快信协议都有详细的实验LED配置了必要的时钟电路按键开关提供基本的输速搭建原型系统指导和复位电路入输出功能开发环境搭建库函数导入调试器连接下载并导入标准库或库，配STM32HAL安装配置IDE配置或调试器，建立开发置库文件路径和预编译宏定义建立项目ST-Link J-Link安装或集环境与目标板的连接设置正确的调试接模板，为快速开发新项目做好准备Keil MDK-ARM IAREWARM成开发环境，配置编译器和调试器口类型和连接参数，验证硬件连接的可靠ARM选择合适的器件支持包，确保目标微控制性器被正确识别工程创建流程项目结构设计编译配置建立清晰的文件夹结构，包括源设置编译器选项、优化级别和调代码、头文件、库文件和文档目试信息生成配置链接器脚本，录合理的项目组织有助于代码定义代码和数据在存储器中的分维护和团队协作开发布选择合适的输出格式调试设置配置调试器选项，设置断点、观察窗口和存储器查看建立自动化的下载和调试流程，提高开发效率第七部分外设开发基础外设是微控制器与外部世界交互的桥梁，掌握各种外设的使用方法是嵌入式开发的核心技能本部分将从最基础的操作开始，逐GPIO步介绍中断系统、定时器、通信接口和模拟接口的使用方法通过大量的实例和实践项目，学生将掌握常用外设的配置方法和编程技巧我们将重点讲解外设驱动程序的设计思想，培养学生编写高质量驱动代码的能力这些技能将为后续的综合应用开发奠定坚实的基础操作GPIO模式配置输出控制配置为输入或输出模式，设置上通过寄存器操作或库函数控制输GPIO GPIO拉下拉电阻，选择推挽或开漏输出方式出高低电平，实现控制等基本功能LED中断触发输入检测配置外部中断，实现边沿触发或读取输入状态，实现按键检测、GPIO GPIO电平触发的事件响应开关量采集等输入功能中断系统中断配置配置中断控制器，设置中断优先级和使能状态，建立中断向量NVIC表服务程序编写中断服务程序，处理中断事件并清除中断标志位，保证程序的实时响应嵌套管理利用的嵌套特性，实现多级中断的优先级管理和嵌套执行NVIC同步机制使用信号量、消息队列等同步机制，协调主程序和中断程序的数据交互定时器应用定时器是微控制器中最重要的外设之一，提供了精确的时间基准和波形生成能力基本定时器用于产生定时中断，高级定时器支持输出、输入捕获、编码器接口等复杂功能通过灵活配置定时器参数，可以实现电机控制、信号测量、通信协议等多种应用PWM通信接口11520042波特率最高频率UART SPI常用的串口通信速率级别的高速同步通信MHz4001标准速率网络节点I2C CAN的两线制总线通信的多节点网络通信kHz Mbps不同的通信接口适用于不同的应用场景适合点对点通信，提供高速数据传输，实现多设备共享总线，总线支持可靠的网络通信掌握这些接口的特点和使用UART SPII2C CAN方法是嵌入式开发的基本要求模拟接口信号采集使用将模拟信号转换为数字量ADC数字处理对采集的数字信号进行滤波和算法处理信号输出通过将数字信号转换为模拟输出DAC模拟接口是连接数字系统和模拟世界的桥梁用于采集传感器信号、监ADC测电源电压等，用于生成控制信号、音频输出等合理设计模拟电路和DAC选择合适的转换参数对系统性能至关重要第八部分嵌入式软件开发嵌入式软件开发有其独特的特点和要求，需要在有限的资源约束下实现复杂的功能本部分将介绍嵌入式软件开发的主要方法，包括裸机编程、库函数开发和实时操作系统应用我们将深入探讨不同开发方法的优缺点和适用场景，帮助学生根据项目需求选择合适的开发策略通过学习底层编程技术和高级抽象方法，学生将具备开发各种复杂度嵌入式应用的能力裸机编程直接寄存器操作最底层的编程方式，直接访问硬件寄存器中断驱动开发基于中断的事件响应程序设计轮询模式设计主循环轮询各种事件和状态裸机编程提供了最直接的硬件控制能力，适合对实时性要求极高或资源极度受限的应用开发者需要深入理解硬件原理，手动管理所有系统资源虽然开发复杂度较高，但能够实现最优的性能和功耗控制库函数开发标准库优势库特点HAL标准库提供了完整的外设驱动函数，开发者可以通过简库采用面向对象的设计思想，提供了更高层次的抽象支STM32HAL单的调用实现复杂的硬件操作库函数经过充分测试，可靠持多种系列，具有更好的可移植性和扩展性API STM32性高，大大降低了开发门槛库集成了错误处理机制，支持回调函数，便于实现复杂的HAL标准库的文档完善，示例代码丰富，便于学习和快速上手统一应用逻辑但相对标准库，代码体积较大，执行效率略低的编程接口也提高了代码的可移植性基础RTOS任务管理实时调度支持多任务并发执行，每个任务有独立抢占式调度确保高优先级任务及时响的堆栈空间和优先级应，满足实时性要求内存管理同步通信动态内存分配和管理，提高内存使用效提供信号量、互斥锁、消息队列等同步率机制为复杂的嵌入式应用提供了强大的支撑平台常见的包括、、等，它们在功能特性和资RTOS RTOSFreeRTOS RT-ThreadμC/OS源占用方面各有特点，开发者需要根据项目需求进行选择第九部分工程案例分析通过具体的工程案例学习是掌握嵌入式开发技能的最佳途径本部分将通过几个典型的应用案例，展示如何将理论知识转化为实际的工程实现每个案例都会从需求分析开始，逐步深入到具体的设计和实现细节我们将分析控制、传感器应用、通信协议实现等常见的嵌入式应用场LED景通过这些案例的学习，学生将掌握完整的项目开发流程，培养解决实际工程问题的能力，为独立承担项目开发任务做好准备控制案例LED基础控制GPIO配置输出模式，通过寄存器操作或库函数控制的亮灭状态学习GPIO LED基本的硬件抽象和软件接口设计方法定时器闪烁控制利用定时器中断实现的周期性闪烁，学习定时器配置和中断服务程序的LED编写技巧调光实现PWM使用技术实现亮度的平滑调节，掌握波形生成和占空比控PWM LEDPWM制的方法多模式设计设计多种显示模式和切换机制，实现呼吸灯、流水灯、彩虹效果等复杂的显示效果传感器应用温湿度监测使用传感器采集环境温湿度数据，学习数字传感器的通信协议和数据处理方法实现数据校准和异常检测功能DHT22运动检测利用六轴传感器检测设备的运动状态，学习通信协议和传感器数据融合算法MPU6050I2C多传感器融合结合多种传感器数据，实现更准确的环境监测和设备状态判断学习数据融合算法和系统可靠性设计通信协议实现字段长度功能描述帧头字节数据帧同步标识2长度字节数据载荷长度1命令字节操作命令代码1数据可变具体的数据内容校验字节校验码2CRC16自定义通信协议需要考虑数据完整性、传输效率和错误恢复等因素通过设计合理的帧格式和状态机，可以实现可靠的设备间通信协议设计要兼顾功能完整性和实现复杂度，确保在嵌入式环境下的高效运行第十部分高级应用开发随着嵌入式技术的发展，现代嵌入式系统承担着越来越复杂的任务本部分将介绍一些高级的应用开发案例，包括电机控制系统、数字信号处理和用户界面设计等这些应用代表了嵌入式技术的前沿发展方向通过学习这些高级应用，学生将了解如何利用处理器的高级特性解决复ARM杂的工程问题我们将重点介绍算法实现、系统优化和人机交互等方面的技术，为学生未来从事高端嵌入式开发提供技术储备电机控制系统直流电机控制步进电机驱动使用控制直流电机转速，实现正通过精确的时序控制实现步进电机的精PWM反转和制动功能学习电机驱动电路设准定位掌握细分驱动和加减速曲线设计和保护机制计技术多轴协调运动伺服系统设计实现多个电机的协调运动控制，应用于结合编码器反馈实现闭环位置控制学机器人和自动化设备习算法和现代控制理论的应用PID数字信号处理信号采集与预处理使用高速采集模拟信号，进行抗混叠滤波和数字化处理合理设计采样频率和量化精度ADC数字滤波器设计实现和数字滤波器，去除信号中的噪声和干扰利用指令集提高运算效率FIR IIRARM DSP频谱分析算法使用算法进行频域分析，实现信号的频谱特征提取优化算法实现以满足实时性要求FFT智能信号识别结合机器学习算法实现信号模式识别，应用于语音识别、振动分析等领域用户界面设计显示驱动开发开发显示器的底层驱动程序，实现像素级的显示控制掌握不同显示接口的时序要LCD求和优化技术图形库应用使用、等图形库快速开发复杂的用户界面学习控件使用、事件处理和界emWin LVGL面布局设计触摸交互实现实现电阻式或电容式触摸屏的驱动和校准设计直观的触摸交互逻辑，提升用户体验菜单系统架构设计层次化的菜单系统，实现参数设置、状态显示和功能选择采用状态机方法管理界面切换。