单片机入门杂谈（五）：从MCS-51到ARM

mmxx2015

在部分人看来，现在还学习MCS-51单片机是落伍的，应该学习ARM、ESPxxxx、RISC-V ……这些时髦的单片机。下面以Cortex-M3核心单片机为例简单介绍一下如何从MCS-51单片机转到ARM单片机（如果没有特别说明，下文所说的ARM单片机都是Cortex-M3核心ARM单片机、开发环境都是Keil MDK + AC5编译器）。

一、ARM单片机与MCS-51单片机主要差异

（1）ARM单片机ROM、RAM、外设统一编址，只管读/写属性，不像MCS-51单片机分ROM地址、RAM地址，RAM又分内部RAM和外部RAM。
（2）ARM单片机是32位单片机，ROM、RAM地址都是32位的，单次读/写以32位为单位效率最高（4字节对齐）。
（3）丰富的中断资源，除了正常的外设中断，还包括各种异常处理中断，有时借助异常处理中断可以发现程序隐患。
（4）ARM单片机一般标称工作电压是3.3V，少数魔改的可以5V工作。

二、ARM单片机常见开发工具

（1）开源免费(免费是指可以自制，下同)：DAP-Link（部分厂商基于官方DAP-Link修改的各种Link不开源、不免费）。
（2）准免费：ST-Link。官方提供固件，据说也可以调试非ST的芯片。
（2）准免费：JLink-OB。严格来说，只有开发板上配的JLink-OB才算正版，但这个很容易仿制，一般也没人去追究仿制人的法律责任。
（3）收费：JLink。分很多版本，正版的都不便宜，最常见的D版是Plus版。

如果仅需要烧录程序，部分ARM单片机出厂内置串口烧录Bootloader，可以通过串口烧录程序(特定串口+PC软件)。

三、ARM单片机调试

ARM单片机调试接口：
（1）SWD：GND、VDD、SWDIO、SWCLK。
（2）JTAG：GND、VDD、TDO、TMS、TDI、TCK。

建议使用SWD调试接口；如果调试引脚做调试功能外功能使用，建议调试器复位输出脚连接单片机复位脚，确保调试器可控芯片复位。

Keil MDK "Connect & Reset Option"设置：


连接类型选项：
Normal：默认的连接策略，连接后只是将 PC 停在当前执行的指令处
with Pre–reset：在连接前，先执行一次 HW RESET
under Reset：在连接过程中一直保持 HW RESET 有效（该选项适用于用户程序误将 JTAG/SWD 禁掉的情况）

复位类型选项：
Normal（复位编号0）：默认的复位策略，对于i.MXRT来说等同于Core and peripherals方式
Core（复位编号1）：借助Cortex-M内核模块SCB中的AIRCR寄存器的VECTRESET位功能来复位Core
Reset Pin（复位编号2）：通过拉低J-Link的RESET引脚（一般也会接到MCU reset脚）来复位MCU
Core and peripherals（复位编号8）：借助Cortex-M内核模块SCB中的AIRCR寄存器的VECTRESET位和SYSRESETREQ位来同时复位Core和MCU外设模块
Halt after BootLoader：引导加载程序在执行引导加载程序指令后停止CPU，并且仅对某些设备可用
Halt before BootLoader：引导加载程序在执行引导加载程序指令前停止CPU，并且仅对某些设备可用

四、ARM单片机时钟树

如果要单片机按目标频率工作，无论使用寄存器还是函数库编程，时钟树都无法绕开。
时钟树主要描述时钟源、内核时钟源和频率、外设总线时钟源和频率，其中内核时钟相当于MCS-51单片机的系统时钟，指令运行快慢主要取决于这个时钟的频率，外设总线时钟为外设提供时钟信号。

以STM32F103C8为例，其时钟树如下图：


其默认时钟配置如下图（STM32CubeMX截图）：


内部RC振荡器提供8MHz时钟信号，经过分频后，内核时钟HCLK=8MHz，APB1、APB2时钟=8MHz。

如果内核时钟HCLK=8MHz，程序运行效率是很低的，如果没有省电需求，一般以内部RC振荡器或外部晶振产生基础频率经PLL倍频后作为内核时钟使用。


配置PLL作为系统时钟和外设时钟的方法可以参考这篇文章：
https://www.cnblogs.com/jzcn/p/16352893.html

对寄存器的操作，建议使用厂商提供的外设库操作，即使不使用其中的函数，也可以使用头文件中定义的大量常数宏，以避免在程序中直接使用立即数。

需要操作外设时，先看外设挂在哪条外设总线下，如果时钟树没有体现这些内容，可以查看功能框图，STM32F103C8功能框图如下图：


以SPI1为例，SPI1挂在APB2总线下，需要操作SPI1时，开/关APB2总线下的SPI1时钟，计算速率时，以APB2总线时钟PCLK2为时钟源。

五、开启/关闭外设时钟

ARM单片机默认关闭外设时钟，此时，对外设的操作无效，如GPIO时钟关闭时对GPIO的读写是无效的。

开/关外设时钟实例：

//开启GPIO时钟--函数库方式

1. RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

复制代码

//开启GPIO时钟--寄存器方式

1. RCC->APB2ENR |= RCC_APB2Periph_GPIOB;

复制代码

当有省电之类需求时，设置好I/O状态后，关闭外设时钟，如关闭GPIO时钟。

//关闭GPIO时钟--函数库方式

1. RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, DISABLE);

复制代码

//关闭GPIO时钟--寄存器方式

1. RCC->APB2ENR &= (~RCC_APB2Periph_GPIOB);

复制代码

六、程序风格

刚接触ARM单片机时，可能会觉得ARM单片机寄存器多如牛毛，甚至对同一个引脚的读/写操作的地址都不一样，如读PB的地址是(0x40010C00 + 0x08)、写PB的地址是(0x40010C00 + 0x0C)，这么多寄存器，定义和书写记忆都很麻烦，为了简化定义和书写，ARM单片机寄存器一般使用(基地址+偏移地址)方式定义，使用结构体或(结构体+联合体)实现。以STM32F103单片机I/O寄存器为例，每组寄存器由一系列功能相同的寄存器组组成，声明一个GPIO结构体类型，然后分别定义各组GPIO的结构体：

1. typedef struct
   
2. {
   
3.   __IO uint32_t CRL;
   
4.   __IO uint32_t CRH;
   
5.   __IO uint32_t IDR;
   
6.   __IO uint32_t ODR;
   
7.   __IO uint32_t BSRR;
   
8.   __IO uint32_t BRR;
   
9.   __IO uint32_t LCKR;
   
10. } GPIO_TypeDef;
    
11. 
    
12. #define GPIOA               ((GPIO_TypeDef *) 0x40010800)
    
13. #define GPIOB               ((GPIO_TypeDef *) 0x40010C00)
    
14. ……

复制代码

以写PB00为例，可以这样写：

1. GPIOB -> ODR |= (0x01<<0);                        //PB00=1
   
2. GPIOB -> ODR &= (~(0x01<<0));                //PB00=0

复制代码

如果不习惯这种程序风格，仍可按C51程序风格书写。寄存器和RAM地址在ARM单片机CPU看来是一样的，只管读写属性，以上述写PB00为例，可以这样写：

1. #define        PB_O        (*((volatile uint32_t *)(0x40010C00 + 0x0C)))
   
2. 
   
3. PB_O |= (0x01<<0);                        //PB00=1
   
4. PB_O &= (~(0x01<<0));                //PB00=0

复制代码

Cortex-M3、Cortex-M4核心单片机有位带，位带可以实现RAM、寄存器位操作，虽然实现方式与MCS-51单片机不同，但是程序效率仍比直接对RAM、寄存器或、与立即数高。

网上流传的I/O位带操作宏：

1. //位带操作,实现51类似的GPIO控制功能
   
2. //具体实现思想,参考<<CM3权威指南>>第五章(87页~92页).
   
3. //IO口操作宏定义
   
4. #define IO_BITBAND(addr, bitnum) ((addr & 0xF0000000)+0x2000000+((addr &0xFFFFF)<<5)+(bitnum<<2))
   
5. #define MEM_ADDR(addr)  *((volatile unsigned long  *)(addr))
   
6. #define BIT_ADDR(addr, bitnum)   MEM_ADDR(IO_BITBAND(addr, bitnum))
   
7. 
   
8. //IDR、ODR偏移量
   
9. #define        GPIO_IDR_OFFSET                0x08
   
10. #define        GPIO_ODR_OFFSET                0x0C
    
11. 
    
12. //IO口地址映射
    
13. #define        GPIOA_ODR_Addr        (GPIOA_BASE+GPIO_ODR_OFFSET)
    
14. #define        GPIOB_ODR_Addr        (GPIOB_BASE+GPIO_ODR_OFFSET)
    
15. #define        GPIOC_ODR_Addr        (GPIOC_BASE+GPIO_ODR_OFFSET)
    
16. #define        GPIOD_ODR_Addr        (GPIOD_BASE+GPIO_ODR_OFFSET)
    
17. #define        GPIOE_ODR_Addr        (GPIOE_BASE+GPIO_ODR_OFFSET)
    
18. #define        GPIOF_ODR_Addr        (GPIOF_BASE+GPIO_ODR_OFFSET)
    
19. #define        GPIOG_ODR_Addr        (GPIOG_BASE+GPIO_ODR_OFFSET)
    
20. 
    
21. #define        GPIOA_IDR_Addr        (GPIOA_BASE+GPIO_IDR_OFFSET)
    
22. #define        GPIOB_IDR_Addr        (GPIOB_BASE+GPIO_IDR_OFFSET)
    
23. #define        GPIOC_IDR_Addr        (GPIOC_BASE+GPIO_IDR_OFFSET)
    
24. #define        GPIOD_IDR_Addr        (GPIOD_BASE+GPIO_IDR_OFFSET)
    
25. #define        GPIOE_IDR_Addr        (GPIOE_BASE+GPIO_IDR_OFFSET)
    
26. #define        GPIOF_IDR_Addr        (GPIOF_BASE+GPIO_IDR_OFFSET)
    
27. #define        GPIOG_IDR_Addr        (GPIOG_BASE+GPIO_IDR_OFFSET)
    
28. 
    
29. //IO口操作,只对单一的IO口!
    
30. //确保n的值小于16!
    
31. #define PAout(n)   BIT_ADDR(GPIOA_ODR_Addr,n)  //输出
    
32. #define PAin(n)    BIT_ADDR(GPIOA_IDR_Addr,n)  //输入
    
33. 
    
34. #define PBout(n)   BIT_ADDR(GPIOB_ODR_Addr,n)  //输出
    
35. #define PBin(n)    BIT_ADDR(GPIOB_IDR_Addr,n)  //输入
    
36. 
    
37. #define PCout(n)   BIT_ADDR(GPIOC_ODR_Addr,n)  //输出
    
38. #define PCin(n)    BIT_ADDR(GPIOC_IDR_Addr,n)  //输入
    
39. 
    
40. #define PDout(n)   BIT_ADDR(GPIOD_ODR_Addr,n)  //输出
    
41. #define PDin(n)    BIT_ADDR(GPIOD_IDR_Addr,n)  //输入
    
42. 
    
43. #define PEout(n)   BIT_ADDR(GPIOE_ODR_Addr,n)  //输出
    
44. #define PEin(n)    BIT_ADDR(GPIOE_IDR_Addr,n)  //输入
    
45. 
    
46. #define PFout(n)   BIT_ADDR(GPIOF_ODR_Addr,n)  //输出
    
47. #define PFin(n)    BIT_ADDR(GPIOF_IDR_Addr,n)  //输入
    
48. 
    
49. #define PGout(n)   BIT_ADDR(GPIOG_ODR_Addr,n)  //输出
    
50. #define PGin(n)    BIT_ADDR(GPIOG_IDR_Addr,n)  //输入

复制代码

以写PB00为例，可以简化为：

1. PBout(0) = 1;
   
2. PBout(0) = 0;

复制代码

七、点灯实例

功能：STM32F103C8 PB00接一个LED，亮0.5秒--灭0.5秒循环。电路如下图：

（1）启动文件。把Keil MDK或ST标准外设库中的启动文件startup_stm32f10x_ld.s添加到工程（根据芯片容量选择启动文件）。

（2）以外部8MHz晶振产生基础时钟，经PLL倍频到72MHz做为内核时钟。
使用ST标准外设库可以简单实现这一步，无需任何修改。

（3）计时。用SysTick定时器中断1mS计时，再累积1mS得到500mS。

（4）LED闪烁。将PB00设置为推挽输出态，每计时500mS改变一次PB00状态。

Proteus仿真效果如下图：


点灯实例工程（Keil + Proteus）：