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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

欢迎大家回到我们ARM微控制器

与嵌入式系统的慕课课堂

我们这门课呢

已经完成了前面三个章节的学习

我们学习了概论

学习了基础知识

学习了计算机的八卦历史

也学习了ARM的内部结构

那么在我自己在清华的课堂上

一般学到这个时候

同学们就会开始比较迫不及待的问我

说老师我们什么时候才能真正玩起来呀

讲了那么多

那么我们这一章节就开始学习ARM微控制器的开发

也就是真正把这样一个芯片给玩起来

所以呢今天这个第一个小节

我们主要两个内容

认识真正拿到手里的ARM微控制器

这样一个芯片

它是什么样的是什么样的组织形式

同时接触第一类最简单的外设也就是IO

看它是怎么工作的

那么我们在前面的学习当中

已经从逻辑上从概念上

对一个微控制器

有了一个编程模型的概念

抛开内部编程模型的寄存器和指令

我们对微控制器内部的组织形式

按总线的这样一种编址形式有了一个大的概念

从0000地址的flash

一直到下面的RAM

一直到4000地址开始的外设寄存器

乃至最后端的我们称之为Private或者叫私有寄存器

这样一些ARM定义的寄存器

构成了整个由0到ffff这样一个编址的

微控制器的内部结构

那么我们通过这样的学习

我们知道了一个程序

或者一个微控制器运行的基本流程

在flash的最顶端

是中断向量表 包括了复位向量表

一个程序烧写在flash

因为它上电不丢失

而从中断向量表加载了复位向量之后

跳转到flash的某处

开始执行程序

而在程序执行的过程当中

会根据程序我们编程人员的需要

进行内存的读写 变量的操作

以及堆栈的使用

而我们一个微控制器

要与外部的电路发生关联

进行外部信息的交互和人机的交互的时候

我们通过对外设寄存器区的寄存器进行编程

来实现各种控制和通讯的功能

那么我们今天后面的课程

就要学习第一类的外设

以及熟悉第一类的开发方法

那么有了这样一个编程模型的概念

我们真正看到的芯片是什么样的呢

如果大家把我们的嵌入式教学系统

或者把任何一个买到的电子产品拆开

你会发现有一个最明显的主芯片

很多时候它是一个黑黑的小方块儿

周围四边密密麻麻银色的腿儿

但是一个学习过我们这门课程 学习过嵌入式的同学

如果你对芯片的概念

对嵌入式系统的概念

还停留在它是一个小方块儿

有银色的腿儿 那就太少了

我们应该穿破这层迷雾

去看它的芯片手册

去了解它究竟是什么样的定义

那么不管各家厂商各种型号的芯片手册

如果你去找

一定会找到如图所示这样的Pinout图

那么在英文里一般叫做Pinout Diagram

也就是引脚定义图

比如说80引脚的芯片

我们可以看到它从逆时针从第一腿到八十腿

会给出每一个引脚

每边二十个腿的分布 顺序

以及它的名称

相应的同型号的芯片

基于成本的考虑

可能有些引脚不引出来

也会有更小封装的

比如48腿64腿的引脚封装

也会有这样的芯片存在

那么如果把这样一张图局部放大

我们会发现从

一个标识为小黑点的点开始沿逆时针1234

一直绕一圈到八十

那一个引出的引脚在这里抽象为了一个小方框

在现实中就是那个银色的腿

它都有一个名字

比如PTE1

PTE2一直到底下

还有VDD VSS 乃至USB

我们会发现呢

在一个真实的芯片上

除了VDD电源 VSS接地

以及USB通讯上的专用引脚之外

绝大数的引脚都会采用一种范式来命名

就是PT字母加数字

那么这就是我们对于这些引脚的一种

统一编组和识别的方式

因为引脚这么多

我们总要给编个号

就跟学生要编在班里一样

所以呢在计算机领域

我们往往会把这些引脚编成一个个的PORT

也就是端口

端口由ABCD的字母来进行分组

比如1号引脚

PTE0就是PORT E的第0个腿儿

那么顺势往下编

PORTE1 PORTE2

以及我们看到右上角

这个80腿是PTD PORTD的引脚

那么这样的一种编组

使我们所有通用引脚

都分组在了一个个的端口里

若干个引脚一组

这就是我们看到芯片的形式

而如果在任何一个厂商的芯片手册里

我们继续往下找

一定还能找到一张表格

这张表格左边的一列给出了不同封装里头

这些引脚

是否存在

比如在八十腿的封装里这些引脚全都存在

从1到80

那么第五列开始给出了这个引脚

我们刚才所看到的名字

那么这个引脚的名字是他的编组PORT

但是呢从Default功能之后

我们会看到每一列 Alternative 1 Alternative 2

那么这个ALT是Alternative的缩写

也就是我们可以使用的

选择使用的功能一 功能二

那换言之我们在这里有一个概念

就是每个引脚

在寸土寸金的这个芯片封装上

在这个芯片的成本跟它的尺寸

成正比的这样一种成本控制原因下

每一个引脚都可能有若干种不同的功能可以使用

这给我们的电路设计带来了灵活

我们可以把一个引脚接上一个灯来点一个灯

我们也可以把一个引脚

选择它的通讯功能来做通讯

从而我们可以在实际编程开发时

根据我们的电路

给每个引脚选择它所使用的功能

而我们今天也就是待会要学习的

就是他的第一类功能

当做普通的IO用

进行一类简单的数字量的输入输出

日后我们会学习后面他可以使用的其他功能

从而使我们的本领更加大

能够完成各种各样的更加好玩的事情

那么下面第二个部分呢

我们来讲讲什么是第一类简单的外设IO

一个引脚体现在外面

就是在我们这张图的最右端

它是一个物理的引脚

一个金属的腿

金属是导电的

在内部它会连接一系列的门电路

也就是支撑它的我们的这个引脚的IO的逻辑电路

那么从编程的角度

我们要控制这个引脚

我们只能用c语言进行0或者1

这样逻辑开关量的操作

也就数字量的读写

那么这些读写会体现在我们左侧的若干个寄存器上

这些寄存器我们映射到地址上

读写进去的是0或者1的值

而他传递在我们电路里的则是0或者1的逻辑电压

3.3V 0V沿着逻辑门电路的传递

最终体现在我们的引脚上

那么我们接下来要看看它的工作模式

如何通过编程通过有限个寄存器的操作

使一个引脚如我们所愿的工作起来

那么IO引脚在几乎全世界所有已知的

微控制器里头是一个非常常见通用的模块

也是最最简单最基本的一类模块

我们也把它说成是微控制器

与外部电路或者

外部物理世界连接的最基本手段

那么在各种各样的微控制器里头都有IO

那么IO有这样几个通用的功能

一个呢我们会经常把IO

就跟我们刚才说端口的引脚一样

8个 16个 32个编成一组

这个道理很简单

因为在C语言编程的时候

我们进行一个比特的操作是很困难的

我们往往会把寄存器八个比特一组

映射为一个字节占一个字节的地址

或者十六个比特一组

映射成一个word占两个字节地址

所以我们编程的时候

以IO为八个十六个一组

相应的正好对应寄存器

8个 16个乃至32个比特

构成了一个读写单元非常方便编程

其次呢IO往往是双向的

我们在功能使用的时候

应该指定这个IO

工作在输入或者输出的模式

它既可以对外输出一个数字量

也可以从外面获取一个数字量

最后呢这个IO的引脚就像我们刚才提到的

通常会跟一些其他的功能复用

我们可以选择让这个PORT

这个金属引脚当做IO用

也可以选择把这样一个引脚给别的功能用

那么这样一个引脚功能

用起来我们会涉及到若干个寄存器

这些寄存器不限于ARM

在各家各个厂商的微控制器里

都会存在

比如IO的方向寄存器 输出数据寄存器

输入数据寄存器

乃至状态寄存器

所以我们现在学习的呢

实际上是一个通用的编程模型

在下一节我们再具体到型号上看怎么编程

从基本功能上来讲

有着这么一个电路的框图

我们把一个引脚希望输一个出数字量

它内部的流程是怎么样的

如果我们高度抽象

可以把它想象成这样

首先我们应该通过一些复用的配置

确定这个引脚是给IO模块用

也就是说这个PORTE PORTD上面这个引脚

是给这样一个IO模块来用

那么我们通过配置选择打通它里头的

数据通路也就数字量传递通路

由我们这样一组IO的寄存器来接管

接着呢我们要输出

我们应该对一个叫做

PDDR方向寄存器进行编程

进一步进行数据通路的配置

使它工作在让这个引脚输出的状态

这个时候这个引脚的功能

由我们的第二个寄存器PDOR

Port Data Output Register 来控制

那么在这个寄存器里

我们写入一个比特的零或者一

我们会发现这个零或者一的电压

可以顺着建立的数据通路

一直送到我们的引脚上

从而在引脚外部

看到了一个逻辑零或者一

在我们芯片里就是3.3V或者0V

而如果我们希望

工作在输入模式的时候与之类似

首先通过复用将这个引脚

交给IO模块来接管

其次呢我们应该对PDDR Port Data Direction Register

方向寄存器进行编程

让它工作在输入状态

跟刚才有一点点不一样

那么这个时候我们在对

PDOR寄存器进行编程

会发现这里写的值

无法反应在在引脚上

他已经被隔断了

这个时候反过来是引脚上

从外部电路所连接的电压值

可以顺利的通过一个回路

一直送到了我们最上面的第三个寄存器

PDIR寄存器 也就是Port Data Input Register

输入数据寄存器

这个是我们对这个寄存器进行读操作

读到了零或者一

就反映了这个引脚收到了3.3V或者是0V

从而我们获得了外面电路所连接的电压关系

那么最后说一句

如果这个引脚不当IO用了

大家不用担心

我们在复用模块里同样进行编程

就会发现我们PORT这个端口上这个金属引脚

所对应的功能全部被导向了别的模块

由其他的日后我们要学习的

功能模块加以接管

而我们对于IO模块进行如何的编程

都与这个引脚不再发生联系

不会影响它的功能

所以这些复用的功能之间

是不会打架的

那么多说一句拔高的内容是

如果我们进行一个

这样深入地嵌入式的学习

特别是我们希望进行一个

智能车或者机器人

这样一个趣味的开发

我们不应该仅仅停留在

通过编程产生了零或者一这样一个层次

我们应该对它的内部电路

进行一些拓展的学习和阅读

在这里我只给大家进行点出

我们现在所使用的数字IO

内部是一个叫做Push and Pull的推挽输出结构

它由一对互补的对管

比如PMOS和NMOS来分别控制与电源和地的导通

那么在一个数字量输出的时候

可以有效的选通单侧导通

从而将电源或者地

以非常小的阻抗送到我们的引脚上

获得高电压和低电压

这样一种输出模式

我们有非常小的输出阻抗

有非常强的电流驱动能力

同时有比较快的切换速度

这种输出我们称为推挽输出

与之对应的呢

还要开源开漏的输出

在以后学习I2C通讯的时候

我会给大家介绍

有兴趣的同学可以拓展阅读

这一部分的模拟电路和数字电路基础知识

此外基于模拟和数字电路基础知识

我建议大家在使用任何一个芯片的时候

你学习去看他的Voltage and current operating ratings这样一个表格

这在所有的手册里都会有

是这样一个的芯片的

电压和电流基本工作参数

那么IO做为一个最基本的参数

一般都会出现在这个表格里

比如从这张表格的第三第四列

我们能看到在我们这个芯片里

一个数字IO工作在3.3V的时候

它输出逻辑1是3.3V吗

还是在它附近一个多大范围

输出逻辑0是真正刚好0V吗

还是最高不会高过多少

同时还会告诉我们

一个芯片一个引脚

对外输出逻辑零和一的时候

不仅仅是电压这个概念

一定会有功率的概念

会有电流的概念

比如在我们手上这个芯片里

他无论对外输出电流 3.3V的时候

还是从外获得电流

当它0V的时候

都不能超过正负25个毫安

最后我要提示大家

最上面两行

是我们这个芯片的总电源供电

比如说在3.3V的

一个范围内的一个供电电压

同时这个电源电压

有一个最大的供电电流值

那么这个值也会影响我们IO的使用

在后面我会提示大家去思考

那么讲完了这个拔高的内容

我们想一想

说老师你讲的这些基础知识我知道了原理

那具体到我们现在学的这个芯片

或者我拿到任何一个芯片

我想编程想用起来怎么办

我告诉大家要用四或者五个寄存器

我们才能把这样一个IO给使用起来

就像刚才所讲到的大家非常容易想到

我们有三个寄存器控制方向

控制输出的值或者读取输入的值

还有个寄存器要通过编程

来控制这个引脚是否给IO模块用

进行功能的配置

最后还漏了什么呢

还不要忘了我们学习的嵌入式系统

本质上是一个数字计算机系统

是个数字系统

每一个模块都应该在时钟的驱动下

才能有序的去工作

当我们不用的时候

这些模块都是在时钟断开的状态下

获得较低的功耗

而我们使用的时候

一定要通过配置把他的时钟打开

那么这些模块它的使用在

不同的芯片里

可能分布在芯片手册的不同章节

比如我们所使用的

芯片IO模块在第41章

而我们所使用的关于

引脚复用配置的模块

专门在PORT的配置模块章节

而所有的这个引脚时钟打开的模块

在系统集成的章节

我们应该具备能力

在芯片手册里找到对应的章节

而本门课程的学习呢

我会带着大家从使用的角度

倒过来先去阅读

日后大家应该具备

自己拿了一个新的芯片

把它加以使用的能力

那么学习编程是我们下一节课要讲的内容

我们学习了编程我们干嘛呢

在这里给大家多讲一点提示

最简单的一个功能就是点灯

我们都很熟悉从高中物理开始学习的东西

点灯点亮一个发光LED发光二极管

发光二极管是一个PN结

它能把电能转换为光能

学习电子知识往前更进一步的时候

日后我们应该学习

它除了一个简单亮或者灭

还有很多别的特性有待大家发掘

它的颜色它的尺寸它的亮度

它的封装它的亮度与电流的关系等等

那么如果更高阶的学习

还有它的切换速度

所以呢

我们点一个小小的灯

其实日后还有很多可以摸索的东西

但是在现在的功能里头

我们只用一个最简单的接法

就是通过一个限流电阻

因为它的亮度与电流成比例

我一定要对它进行限流

它是二极管 接上电源

然后正向连通接到我们的IO引脚上

那么问同学怎么样能让

这样一个电路连接的灯变亮呢

我们应该在IO引脚上给出一个低电平

这样形成了一个电压差

有电流流过这个灯就亮了

那么相反的我们要让这个灯灭掉

我们应该通过编程让这个

IO引脚上产生一个高电平

两者电平相等

3.3V之间没有压差

没有电流这个灯就灭了

那么这个时候跟我们大家

可能心里很多同学期望的是相反的

我们这样的接法给高电平灯是灭的

为什么呢

待会我们也会进行讨论

此外我们非常常用的

还会通过开关或者按键

来引入一个人为的输入量

开关在这个世界上

物理里头抽象成了一个简单的

单刀单掷或者双刀双掷

如果大家日后进行嵌入式系统的设计

你会发现有不同尺寸

不同颜色不同功能的开关

也是可以供大家选择

我们会慢慢培养起对各种元器件

有丰富选择的概念

而带有自恢复功能的开关

我们有时候称为按键

它会抽象成一个button

如果我们同样通过一个外部上拉电阻

和一个接地的电路

把它与一个IO相连

我们非常容易地读懂这个电路

当按键被按下的时候

我们的地与引脚连在了一起

上拉电阻隔断了这个高电压的压降

所以我引脚会拿到一个低电位

也就是逻辑零

当这个按键松开的时候地是断开的

由于我们这个（芯片引脚）输入阻抗较大

所以我们的IO引脚

会拿到一个近似于VCC3.3V的电压

也就是逻辑一

从而我们可以通过IO得到逻辑一

或者逻辑零知道外面的按键是否有被按下

那么很多同学会说

我很想做一个很好玩的东西

不论是个游戏机

还有个人机的小设备

你一定离不开一个按键的功能

学习了IO

我们可以把它给玩起来

所以呢

在我们后面的两个小节里

我会教大家如何真正

实操编程各种花样的

把这样一个最简单的模块和功能玩起来

实现点灯甚至实现呼吸灯

花式灯变色灯以及人机的交互

那么下一个小节我们将要编程的第一个任务

就是如何把这样八个灯

通过一个简单的main函数的编程点亮

你会发现它一点都不难

让我们下一节课再见