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各位同学大家好

我是清华大学工程物理系的曾鸣老师

欢迎大家继续回到我们

ARM微控制器与嵌入式系统的MOOC课堂

继续进行我们第三章基础知识的学习

在这个章节里我们经过前面

对于CPU的概念 它的指令

它的编程模型的一些理解和学习

以及上一个单元里头

我们对于最最困难的中断的

一些基本概念的第一次初步认识

那么那个部分很难 我们先放下来

我们来进入把视野放在这样一个

MCU的片上计算机系统

来进行一个更宏观的理解

来构建我们对于这样一个MCU

麻雀虽小 五腑俱全的全面的认识

那么这个单元

我们来进入一个新的部分

就是关于复位 时钟

以及总线存储器等等

这样一些外围的这些部分的

逐一认知

首先说说复位

我们都会用很多很多的计算机系统

包括手机 包括我们手上的

这些智能设备

都会有功能是复位

大家都会理解说我们计算机上

最简单有两个按键

现在笔记本可能没有了

一个就是reset

我们按一下就强行复位了

或者长按我们可以开关它的电源 对吧

那么我们随而带来的一个问题是

学习了微控制器

知道它是个小型计算机系统

我们通过头脑体操也学习了

说一个程序在里头

究竟怎么一步一步的运行

一条条指令怎么走

我们开始有了一点做这个计算机的

上帝的这种感觉

能够知道他如何一步一步的运行

但进而言之的问题是大家说

我们这个计算机系统

他究竟上电是怎么运行起来的呢

它究竟怎么从一上电跑到

我的程序里头来的呢

很多同学如果好读书求甚解的话

就很想弄明白这件事

那我们来看看复位

复位是一个初始化微控制器内部电路的

这样一种过程

那么在一个上电复位的过程当中

或者在一个复位的过程当中

它会做很多很多事

比如说把我们这个微控制器

这样一个计算机系统里头

所有的寄存器都初始化成默认值

然后确认整个它的CPU

它这个MCU的工作模式

是不是在一个正确的工作模式

然后把全局中断先全部关掉

有的CPU可能然后再打开

把所有的外设都关闭

进入一个低功耗的状态

把所有的IO设成输入

或者是高阻的状态

然后等待系统的时钟进入稳定

最后从复位向量取第一条指令

开始执行程序

这就是一个复位的过程

我们接下来把这件事情弄清楚

那么刚才讲的所有这些过程

都是自动完成的

在我们学习计算机的时候

我们在这个单元里把它弄清楚

但是在我们编程和使用的时候

其实你不会涉及到真正去开发

去做这件事

那么我们回过头来看一眼中断向量表

我们会发现在讲中断时

我们一扫而过的中断向量表

其实有非常多的表项

现在终于有个时间

我们再把它仔细的再来看一看

我曾经提过中断向量表

对于ARM的这样一种处理器

微处理器的CPU的设计

在上电的时候

它的默认位置是从00地址开始

四个字节 一个表项

每个表项能存一个指针

存一个函数的入口地址

一共有多少个表项呢

一共有48个表项

而这48个表项里头 前16项

也就从0到15 这15项是称为异常

或者叫exception

这个异常不是说一种错误

而是指它是一种打断CPU必须响应的

一种类似于中断的 特殊的中断

那么这些异常是由CPU内部

也就是ARM设计CPU的时候所保留的

那么它包括了我们的复位

那么48减16 剩下的32项

是我们更通常意义上所讲的interrupt

也就是ARMCPU留给片内的外设

和外部的外部设备来产生的中断

包括按键 定时 通讯等等

所以我们在用户程序编程的时候

更多的使用的是后面那32项的中断

而在前面16项异常类的

我们从最上面开始往下看

就会发现表里头的第二个

也就是表项里头的顺序0 1的那个1

它是reset 所以它是复位的中断向量

或者叫异常向量

那么换言之在这个表项里

所存储的那个入口地址

那个函数的入口地址

是任何一个芯片 是这个ARM

这个芯片复位以后所取回的

第一条指令的执行地址

这句话用一个更通俗的语言讲

就是这样一个芯片一旦完成了复位

CPU会自动的从这个位置取一个地址

跳转到那里 赋给PC指针

跳转到那个地方

从第一条指令开始逐条执行

是不是就进入了我们程序的流程

那很多同学会想 说这个地址填谁呢

有很多同学会说 我们在这个地址

填我的main函数的第一条指令

这样是不是这个单片机

这个微控制器一上电复位

就开始执行我写的main函数

很多同学都学过C语言

都说从main函数开始执行

这是一个很好的想法

但是在绝大多数嵌入式系统里头

开发工具会帮你生成一段startup code

一小段入口函数

以后大家使用开发工具

可以自己把那段函数打开看

你会发现 这个地方填入的

是那个入口函数的第一条指令的地址

而那个入口函数一般来讲

它的最后一条语句

最后一条指令

就是jump到你的main函数开始执行

所以上电的流程是将开发工具

生成的入口函数那一小段代码的

第一条指令的地址填在这儿

而上电以后 CPU自动从这儿

加载那个地址 开始执行那个入口函数

而入口函数一条一条指令

自动PC指针累加执行的

最后一条指令

跳转到大家写的main函数

就进入了大家写的程序

这就是一个微控制器的计算机系统

从上电复位的整个流程

它如何一个指令一个指令执行到

我们所写的程序

多说一句 在这个表里头你会发现

reset向量是它的第二项是编号1

那编号0的第一项是什么呢

是堆栈指针向量

所以这里头也能存一个四字节的地址值

这个值在ARM的处理器里

跟别家的处理器不太一样

是一个额外的功能

它会把堆栈指针的那个CPU

内部那个寄存器的初始值存在这里

也就是说我们内存一上电

哪段内存空间给堆栈用

堆栈指针要初始化

那个值可以填在这里

这样在上电复位的时候

CPU自动把这两项的值

一个给CPU的堆栈指针寄存器

一个给CPU的PC指针寄存器

这样CPU在上完电的一个瞬间之后

PC指针寄存器指向了可以执行程序的

第一条指令 堆栈指针寄存器指向了

可以使用内存的堆栈的起始地址

是不是就可以开始有序的执行我们程序

所以刚才讲的这个过程

是在ARM CPU设计时候自动完成的

而我们在编写程序的时候

借助开发工具

完成这两个表项的填写

就能控制这个计算机

平稳的完成启动跳转到我们的程序来运行

与之呼应的 在个人电脑上

大家觉得很神秘的上电以后

它的流程比这要复杂多得多

会执行主板上所加载的bios程序

而bios程序之后又会跳转到

我们的硬盘的引导区

执行里头存储的一小段MBR的引导程序

最后跳转到我们windows

或者linux操作系统完成加载

所以虽然复杂 但是类似

通过学习它我们可以对计算机

从上电的一瞬间所执行的过程

有着更深的理解 那么我们需要理清

包括我刚才隐隐约约在语言当中

提到的是复位不仅仅指计算机

在运行的时候

必须重启它的那样一种操作

严格意义上来讲

我们对一个计算机上电的过程

就是一个复位 称为上电复位

Power on reset 所以它的过程

是等待电源和时钟稳定进行一次复位操作

加载复位向量开始执行程序

所以说上电也就是复位

然后我们在刚才说的那些exception里头

那些中断向量把它前16项里头

一个CPU要响应各种各样的异常状况

完成自我保护的一些复位

比如说电源不稳定的电源丢失

由外部的人为按键强行的一个外部复位

比如说reset引脚引出来的复位

然后软件执行一个复位指令

引发的软件复位

然后CPU的PC指针

因为堆栈的溢出等等这些错误跑飞

取回了一个不是指令的指令

让CPU运行的非法指令的复位

以及时钟不再稳定

时钟的这个振荡丢失了的时钟复位

还有一些高可靠性的程序

要求的看门狗保护电路

得知程序已经死机的看门狗的复位

这些都是CPU

或者一个计算机设计的时候

必须响应的一些内部的异常

这些都可以引起我们刚才所说的复位

使我们的程序自动的重新加载恢复到

一个正常的运行状态

这在嵌入式系统设计里头

与台式计算机的软件不一样

是一个非常需要考虑的特殊性

那么除了复位

我们一个计算机要想运行起来

还会有一个非常重要的功能就是时钟

我老给同学打一个非常详细的比喻

如果大家系统的学习了数字系统的设计

再到嵌入式系统

或者从我们第二章的课程里头

组合逻辑电路

时序逻辑电路这么过来

我们会非常清楚的认识到

计算机的嵌入式系统

是一个典型的数字的时序逻辑的系统

那么它需要一个时钟的驱动

来让一切有序的进行

比如我们深切的感受到

我们一个个时钟的跳动

会驱动我们的PC指针寄存器

一个一个地址的往下跳转

一个一个的指令取回来

有序的进行解析和运算

所以我们可以理解时钟

是指令执行的基本时间间隔

它会推动我们CPU真正一个周期

一个周期的往前运转

或者是呼应了我们抽象的图灵机里

那个纸带子一格一格的旋转

时钟的频率越高 在某种意义上

意味着CPU的执行运算能力可能越强

当然 运算能力也取决于指令集的

优化程度和不同的指令它的效率

那么 我们的整个计算机的

稳定的运行

包括我们的定时器

包括我们所依赖的各种各样的通讯

包括我们整个时序的控制

都需要一个稳定的时钟源

而在CPU内部

为了时序逻辑上的边沿的

对齐和时序上的一致性

往往会有一个统一的时钟树的概念

也就是在CPU在一个计算机系统

在微控制器的内部

会有一个统一的时钟树

从一个比较高的频率

逐一分成它的子频率

它的低频率来给不同的模块

不同的通讯

不同的时钟部分来加以使用

这样构成了一个时钟树的概念

也就是Clock Tree

那么我们的时钟往往会使用一个

我们在大学物理里学过的经典电路

也就是就于晶体的振荡电路

来产生一个由低电压到高电压的

来回跳变的周期固定频率来作为

我们的计算机系统的时钟源

那么我们往往有时候会使用一个外部的

引脚接一个外围的时钟振荡电路

来作为我们的时钟源

而当代的MCU有时候

为了让它更低成本 更简易的运行

也会在片内设置时钟源

那么我打一个比较通用的

或者不恰当的比喻来讲

我们可以想象成计算机系统

一定要有一个时钟

就像我们动物一定要有个心脏

在这个心脏一下一下的跳动当中

营养送给我们的器官我们能够活着

能够去做很多思考

而这个时钟是整个计算机系统

一个脉动一个脉动向前运行的根本

那么最后说 在当代的计算机系统里头

我们会广泛使用锁相环 锁频环的技术

在片外使用一个较低频率的振荡电路

比如说几KHz 几十KHz

而在片内翻到几十兆 乃至上GHz

推动计算机内部高速的运行

同时又使计算机对外的电磁辐射和

电磁兼容性达到最优 在这里不展开讲

那么具体到我们ARM Kinetis处理器

我们看看它的时钟树 就是这样一张图

那么我们会 日后如果有时间学习

会详细的学习它的MCG SIM和OSC

这些时钟振荡和时钟管理模块的

基本配置运行

我们现在所需要知道的

是这样几个点 在这个时钟里头

在这样一个时钟树里头

对我们处理器它既有片内的

采用IRC振荡产生的几十KHz的

振荡源作为片内的时钟源

也可以通过引脚在外

使用高精度的时钟

石英晶振的振荡电路

给它提供一个高精度的时钟源

都是可以的

然后片内有锁相环和锁频环

有若干种时钟的通路

把一个较低的频率翻成一个几十兆

乃至几百兆的高频 来给CPU运行

最终这个频率出来形成一个时钟tree

又分出我们指令运行的Bus Clock

和我们各个模块包括通讯包括定时器

所要使用的时钟

那么在上电复位的一瞬间

就是我这个箭头所画的部分

从一个片内的IRC振荡的32K的时钟

经过锁频环的倍频

最后产生一个20.97兆的固有频率

是这个单片机这个MCU上电以后

默认所使用的时钟

这个时钟因为IRC的片内的振荡

有一定的误差 所以它是20.97兆

正负百分之几的一个误差

所以我们日后要做更高的频率的时候

我们既可以选择将这个频率翻的更高

得到更好的性能

而我们要做更高的速度的通讯的时候

我们也可能要使用片外的晶振的时钟

振荡电路 获得我们所需要的

高精度的频率

比如串行通讯和USB的通讯

讲完了复位和时钟

最后在这个单元里

还要给大家讲的一个概念就是存储器

存储器我们用了很多次

在这里非常简单的可以讲

我们又回到这个章节一开始

给大家拉这张图 我们花了很多时间

讲清楚了在一个麻雀虽小

五腑俱全的计算机系统

一个片上的计算机系统里头

在这个芯片内部会有CPU 会有时钟

会有复位 我们还有一个

不可以缺少的东西

就是存储器

在一个片上的计算机系统里头

我们会有RAM相当于

我们计算机上的内存

会有基于Flash等等各种工艺

所生产出来的ROM

相当于我们计算机上的硬盘

也就是关掉计算机 关掉电源

它的数据不会丢失这样基本的

两大类存储器

所以 一个CPU内部可能会有一些

少量的寄存器来存储一些临时的数据

我们称为草稿纸

但是一个计算机完整的运行

它需要大量的非易失的存储器

来保存我们的程序 我们的指令

我们的数据表和我们的常量

还需要大量的易失的存储器

也就是我们的RAM来作为

我们的堆栈 作为我们的堆

作为我们的栈来帮助我们

程序运行当中保存变量

保存返回地址

保存这些函数调用之间的

堆栈的使用

所以这些存储器构成了

我们一个计算机系统不可或缺的部分

那么对于我们一个计算机系统而言

这个存储器的体量是有大有小的

比如说我们一般会在当代的

这个32位处理器

会有百K量级的非易失存储器

会有几十K量级的RAM来供我们使用

这也就是我们所学习的型号

MKL25Z128的来源

那么有了CPU 有了中断 有了时钟

有了存储器 从存储器演发

我们不得不讲的另外一个概念

就是总线 总线在我们这门课里

不展开详细讲解它的更多的内容

我们只是进行一个概念性的认识

我们总会抽象的在前面的课程里讲

说存储器我们必须把它

理解为一个做了

有序的地址编号的存储空间

一个一个的格子可以存数据

每个格子有个地址

有个address 那么到了具体计算机

实践的时候 就是这张图

其实从CPU来讲我们是通过总线

与外面这些存储器加以连接的

我们的总线会完成数据的读和写

以及读写当中的这些控制

总而言之

就是我们会构成三个部分

包括传递数据本身的数据线

有若干个线上面每个传递0

或者1 构成单字节

或者多字节数据的传递

传递这些数据所存储的

目标的地址的地址线

我们用若干根平行的线

传递0或者1来构成我们的地址

比如我们在0004这个地址上

我们就一定要有若干根线

传递0000 0100这样的一组

地址编码 来选中一个一个的格子

而在这样的读和写的过程当中

一定会发生CPU与存储器之间的交互

设备与设备之间的在通讯上的协调

会有一些线来完成控制

所以地址线 数据线和控制线构成

我们一个完整的总线

使我们的CPU能够按照地址对片外的

这些存储器进行逐一的访问

那么从CPU按照地址总线的视角

我们来往外看的时候

我们就会发现受总线所限

我们会受到这样一些约束

比如我们地址线

会有一个固定的位宽

我们前面讲计算机历史会讲

它是多少位的计算机

我们的地址线如果是8位

就意味着地址只能从0000 0000

到1111 1111进行编码

能够编出的地址一共就只有256个

那换言之对外能够访问的地址格子

最多只有256个 而如果16位

我们就可以想象65536个地址可以访问

我们现在的ARM Cortex M的处理器

是32位的CPU系统

所以它的地址线是32位

对外能够访问的地址空间

是4G个字节的地址空间访问范围

然后第二个概念是我们的数据总线

数据总线可以是8比特

16比特 32比特也就是8根

16根 32根并行

意味着我们在单次的数据访问里

是以字节 双字节还是以四字节

为单位进行数据存储

而我们的ARM Cortex M是一个

真32位的CPU 它的数据线也是32位

所以它最高效率的时候可以四字节

四字节的进行数据的存储访问

有了地址的概念

我们知道从CPU往外看

根据地址的位宽和数据的位宽

我们可以看待CPU外面这样一个

计算机系统里的其它设备

那么我们就会构建起一个从CPU视角

按地址段来看待外围世界

这样一种概念

这样一个概念在这里需要加以区分

我们前面讲过的所有CPU内部的寄存器

不管是R0 R1 R2还是那些状态寄存器

它都是CPU内部的一个单元

对它的访问是通过指令直接实现的

而当我们一旦越过了CPU的边界线

要看这样一个片上计算机系统里头

这些存储器的时候

我们就必须通过地址来加以访问

而如果我们拿到了一个芯片

我们学习去看这个芯片手册

我们就可以看到这样一张表格

它给出了每一个地址段

所对应的在这样一个片上的

计算机系统里头 所对应的那些设备

那么特别是存储器一一映射到了

这些空间里 我们把它画制成

这样一张图 加以抽象

那么我刚才所讲的内容

就可以更清晰的看到

从CPU的视角往外看

我们会发现比方说从0x0000 0000开始的

这个地址段一直到0x0800 0000

是我们的128K的Flash

而在最上面这一小段

它是非易失的用来保存了中断向量表

而从0x1FFF F000这个地址段

一直到我们的0x2000 0000这个地址段

是我们的RAM 它由4K和16K的RAM

构成了一个RAM的存储空间

而在这当中会有一个地址段是None

或者叫reserve 它虽然在CPU的编址上

有4G的地址可以编

但是没有那么多的东西可以让地址来用

所以有大量的地址空间是空白的

是浪费的 对它的访问是没有意义的

那么我们接下来会往下学

还有很多地址段在下面是用来映射

我们对于外设的控制

在下一个单元我会给大家讲

所以我们通过总线的学习

逐渐树立了对于CPU按地址往外看

计算机内 外设 的这样一种概念

希望大家逐渐的理解