MCU及常见MCU外围电路
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第三讲 MCU及常见MCU外围电路
盛庆华
电子系统设计与实践
1
2020/3/21
MCU MCU分类
电子系统设计与实践
2
2020/3/21
单片机（Microcontroller）
MCU ： Microcontroller Unit 微控制器
电子系统设计与实践
3
2020/3/21
MCU结构
外设 外设
Freescale Coolfire （68k）
Freescale/IBM PPC （PowerPC）
Signma Design
（ARM9）
AMD Au1200 （MIPS）
Atmel AT91SAM926x (ARM9)
CirrusLogic EP93xx (ARM9)
TI OMAP35xx
容8/16 位器件。 – 大量使用寄存器，指令执行速度更快。 – ARM处理器共有37个寄存器，分为若干个组（BANK）。 – 大多数数据操作都在寄存器中完成。 – ARM处理器有7种不同的处理器模式 – 寻址方式灵活简单，执行效率高。 – 指令长度固定。
电子系统设计与实践
21
2020/3/21
ARM处理器系列
电子系统设计与实践
15
2020/3/21
嵌入式处理器（常见）
ADI ADSP-BF53x/56x （Blackfin 16bits）
TI OMAP2、DM64x、达芬奇 （ARM+TI DSP）
Intel Pentium-M C-M 、 Core-Duo （x86）
Via C7
（x86）
Altera NiosII
电子系统设计与实践
43
2020/3/21
Cortex-M核芯片
飞思卡尔 -- Freescale
➢ Kinetis L系列（M0+） ➢ Kinetis X系列、K系列（M4）
意法半导体-- STM
➢ STM32 F0xx系列（M0 48MHZ） ➢ STM32 Lxxx系列(M3 32MHZ) ➢ STM32 F1xx系列(M3 72MHZ) ➢ STM32 F2xx系列(M3 120MHZ) ➢ STM32 F4xx系列(M4 168MHZ)
电子系统设计与实践
42
2020/3/21
电子系统设计与实践
26
2020/3/21
Cortex-M 技术
电子系统设计与实践
27
2020/3/21
Cortex-M0
电子系统设计与实践
28
2020/3/21
Cortex-M3
电子系统设计与实践
29
2020/3/21
Cortex-M4
电子系统设计与实践
30
2020/3/21
CMSIS
ARM Cortex 微控制器软件接口标准 (CMSIS) 是 Cortex-M 处理器系列的与 供应商无关的硬件抽象层。 使用 CMSIS，可以为接口外设、实时操作系 统和中间件实现一致且简单的软件接口， 从而简化软件的重用、缩短新微控制器 开发人员的学习过程，并缩短新产品的 上市时间。
电子系统设计与实践
31
2020/3/21
NVIC
NVIC（嵌套矢量中断控制器）是 Cortex-M 处理器不可或缺的部分，它 为处理器提供了卓越的中断处理能力。
Cortex-M 处理器使用一个矢量表，其 中包含要为特定中断处理程序执行的函 数的地址。接受中断时，处理器会从该 矢量表中提取地址。
电子系统设计与实践
35
2020/3/21
NVIC 进行的堆栈弹出抢占
如果异常到达，NVIC 将放弃堆栈 弹出并立即为新的中断提供服务
电子系统设计与实践
36
2020/3/21
Cortex-M3微处理器
Cortex-M3微处理器采用ARMv7-M 架构 。 Cortex-M3系列微处理器的主要特点如下：
电子系统设计与实践
24
2020/3/21
ARM Cortex系列（续）
Cortex-A系列：针对复杂OS和应用程序（如多媒 体）的应用处理器。支持ARM、Thumb和 Thumb-2指令集，强调高性能与合理的功耗，存 储器管理支持虚拟地址。
Cortex-R系列：针对实时系统的嵌入式处理器。 支持ARM、Thumb和Thumb-2指令集，强调实时 性，存储器管理只支持物理地址。
处理器的控制技术。
电子系统设计与实践
19
2020/3/21
ARM微处理器的应用领域
– 工业控制领域 – 无线通讯领域 – 网络应用 – 智能手机 – 消费类电子产品 – 成像和安全产品
电子系统设计与实践
20
2020/3/21
ARM体系结构的特点
– 体积小、低功耗、低成本、高性能。 – 支持 Thumb(16 位)/ARM(32 位)双指令集，能很好的兼
I/O
CPU
RAM ROM
外设 外设
I/O
一个典型的计算机系统
电子系统设计与实践
4
2020/3/21
电子系统设计与实践
5
2020/3/21
电子系统设计与实践
6
2020/3/21
电子系统设计与实践
7
2020/3/21
电子系统设计与实践
8
2020/3/21
电子系统设计与实践
9
2020/3/21
➢ ST STM32 ➢ TI（Luminary Micro） 的LM3xxxx系列 ➢ NXP(Philips) LPC2xxx系列、LPC17xx系列 ➢ Samsung 44B0 （ARM7） ➢ Atmel AVR32系列 AT32xxx （AVR32内核） ➢ （ARM Cortex内核）Cortex-M3/Cortex-M4,有ST的STM32
系列、NXP的LPC13xx系列和TI的LM3S系列
电子系统设计与实践
14
2020/3/21
嵌入式处理器（常见）
Samsung S3C2440 （ARM9）S3C6400 (ARM11)
Marv源自文库ll PXA27x 、PXA3xx XScale（基于ARMv5T）
Freescale I.MX31系列 （ARM11）
电子系统设计与实践
17
2020/3/21
MCU ARM Cortex-M 内核
电子系统设计与实践
18
2020/3/21
ARM体系结构概述
– ARM，英文全称为Advanced RISC Machines。 – ARM首先是一个公司的名称 。 – 其次，ARM是对一类微处理器的通称。 – 宽泛地说，ARM是一种技术的名字，即采用ARM
（NiosII soft core）
Xilinx PowerPC（硬核）/MicroBlaze 软核
Magiceyes MMSP2 MP25xx （Dual ARM9）
ARM Cortex内核（Cortex-A8/Cortex-A9）
电子系统设计与实践
16
2020/3/21
MCS51兼容
80C51兼容/增强
系结构 ARM1136J-S是第一个执行ARMv6架构指令的处
理器 Cortex核
电子系统设计与实践
23
2020/3/21
ARM Cortex系列
ARM Cortex发布于2005年，为各种不同性能需 求的应用提供了一整套完整的优化解决方案，该系列 的技术划分完全针对不同的市场应用和性能需求。目 前ARM Cortex定义了三个系列：
电子系统设计与实践
39
2020/3/21
STM32如何编译和下载程序
编译工具：
➢ ARM MDK (Keil) ➢ IAR
下载程序：
➢ 见pdf
电子系统设计与实践
40
2020/3/21
JLINK驱动安装与MDK环境搭建
MDK工程建立：
➢ 见pdf
电子系统设计与实践
41
2020/3/21
Cortex-M核芯片
➢ Thumb-2 指令集架构（ISA）的子集。 ➢ 哈佛处理器架构，在加载/存储数据的同时能够执行指令取指。 ➢ 三级流水线。 ➢ 32 位单周期乘法。 ➢ 具备硬件除法。 ➢ Thumb 状态和调试状态。 ➢ 处理模式和线程模式。 ➢ ISR 的低延迟进入和退出。 ➢ 可中断-可继续的LDM/STM，PUSH/POP。 ➢ ARMv6类型BE8/LE支持。 ➢ ARMv6 非对齐访问。
在电子设计中使用单片机
输入处理
处理电路
输出驱动
电源
单片机
键盘显示
电子系统设计与实践
10
2020/3/21
MCU的架构
CISC （复杂指令集架构 ）
➢ Complex Instruction Set Computer ➢ 早期MCU采用
RISC （精简指令集架构）
➢ Reduced Instruction Set Computer ➢ 新开发的MCU Core绝大多数为RISC
– ARM 微处理器目前种类非常丰富。 – 不同的ARM系列具有不同的用途，每一个系列的
ARM 微处理器都有各自的特点和应用领域。 – 下面分别进行介绍。
电子系统设计与实践
22
2020/3/21
ARM系列微处理器
ARM7 32bits RISC 采用冯诺依曼结构 ARM9 32bits RISC 采用哈佛结构 ARM10E内核为32位RISC处理器，采用了新的体
电子系统设计与实践
32
2020/3/21
在硬件中完成对中断的响应
Cortex-M 系列处理器的中断响应是从发出 中断信号到执行中断服务例程的周期数。 它包括：
➢ 检测中断 ➢ 背对背或迟到中断的最佳处理 ➢ 提取矢量地址 ➢ 将易损坏的寄存器入栈 ➢ 跳转到中断处理程序
这些任务在硬件中执行，并且包含在为 Cortex-M 处理器报出的中断响应周期时间 中。
Cortex核Cortex-M系列：针对价格敏感应用领域 的嵌入式处理器，只支持Thumb-2指令集，强调 操作的确定性，以及性能、功耗和价格的平衡。
电子系统设计与实践
25
2020/3/21
M0,M3,M4 ？
Cortex-M 系列针对成本和功耗敏感 的 MCU 和终端应用
软件重用，从一个 Cortex-M 处理器无缝升级到另一个
电子系统设计与实践
33
2020/3/21
NVIC 中的尾链
Cortex-M 处理器通过在 NVIC 硬 件中实现尾链技术简化了活动中断 和挂起的中断之间的转换
电子系统设计与实践
34
2020/3/21
NVIC 对迟到的较高优先级中断的响应
如果在为上一个中断执行堆栈推送 期间较高优先级的中断迟到， NVIC 会立即提取新的矢量地址来 为挂起的中断提供服务
➢ Atmel AT89S51/52、AT89C51RD2 ➢ NXP P80C51、LPC76x、LPC900 ➢ STC、MegaWin ➢ TI MSC12xx ➢ ADI ADuC ➢ Silicon Labs C8051F ➢ Maxim DS80C42x ➢ ST、Cypress、SST、新唐（Winbond）……
电子系统设计与实践
11
2020/3/21
MCU选型（按数据总线宽度）
4 bits （大量、廉价，电子设计竞赛中未见）
8 bits
➢ Intel MCS51系列 80C51/52 很多兼容厂家 ➢ Freescale(Motorola) S08、S908 ➢ Microchip PIC16C5x/6x/7x/8x、PIC18Cxx ➢ Atmel AVR系列 ATmega ➢ 瑞萨、三星、现代、NEC…… ➢ 义隆、Holtek、Sunplus ➢ 国内：中颖、华荣汇、芯唐（Winbond逻辑IC事业部）
电子系统设计与实践
37
2020/3/21
工作模式和工作状态
Cortex-M3处理器支持两种工作模式:
➢ 线程模式 ➢ 处理模式
Cortex-M3处理器有两种工作状态：
➢ Thumb状态 ➢ 调试状态
电子系统设计与实践
38
2020/3/21
数据类型
Cortex-M3处理器支持以下数据类型：
➢ 32 位字 ➢ 16 位半字 ➢ 8 位字节
电子系统设计与实践
12
2020/3/21
16 bits
➢ TI MSP430 ➢ Freescale S12 ➢ Microchip PIC24Cxxx ➢ Maxim MaxQ ➢ 瑞萨 ➢ Sunplus（凌阳）……
电子系统设计与实践
13
2020/3/21
32 bits
➢ Atmel AT91SAM系列 （ARM7内核）
Cortex-M核芯片
德州仪器 – TI（收购Liuminary）
➢ LM3Sxxxx系列（M3） ➢ LM4Fxxxx系列(M4)
恩智浦 -- NXP
➢ LPC11xx LPC12xx系列（M0） ➢ LPC13xx LPC17xx LPC18xx 系列（M3） ➢ LPC43xx 系列（M4）
盛庆华
电子系统设计与实践
1
2020/3/21
MCU MCU分类
电子系统设计与实践
2
2020/3/21
单片机（Microcontroller）
MCU ： Microcontroller Unit 微控制器
电子系统设计与实践
3
2020/3/21
MCU结构
外设 外设
Freescale Coolfire （68k）
Freescale/IBM PPC （PowerPC）
Signma Design
（ARM9）
AMD Au1200 （MIPS）
Atmel AT91SAM926x (ARM9)
CirrusLogic EP93xx (ARM9)
TI OMAP35xx
容8/16 位器件。 – 大量使用寄存器，指令执行速度更快。 – ARM处理器共有37个寄存器，分为若干个组（BANK）。 – 大多数数据操作都在寄存器中完成。 – ARM处理器有7种不同的处理器模式 – 寻址方式灵活简单，执行效率高。 – 指令长度固定。
电子系统设计与实践
21
2020/3/21
ARM处理器系列
电子系统设计与实践
15
2020/3/21
嵌入式处理器（常见）
ADI ADSP-BF53x/56x （Blackfin 16bits）
TI OMAP2、DM64x、达芬奇 （ARM+TI DSP）
Intel Pentium-M C-M 、 Core-Duo （x86）
Via C7
（x86）
Altera NiosII
电子系统设计与实践
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2020/3/21
Cortex-M核芯片
飞思卡尔 -- Freescale
➢ Kinetis L系列（M0+） ➢ Kinetis X系列、K系列（M4）
意法半导体-- STM
➢ STM32 F0xx系列（M0 48MHZ） ➢ STM32 Lxxx系列(M3 32MHZ) ➢ STM32 F1xx系列(M3 72MHZ) ➢ STM32 F2xx系列(M3 120MHZ) ➢ STM32 F4xx系列(M4 168MHZ)
电子系统设计与实践
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电子系统设计与实践
26
2020/3/21
Cortex-M 技术
电子系统设计与实践
27
2020/3/21
Cortex-M0
电子系统设计与实践
28
2020/3/21
Cortex-M3
电子系统设计与实践
29
2020/3/21
Cortex-M4
电子系统设计与实践
30
2020/3/21
CMSIS
ARM Cortex 微控制器软件接口标准 (CMSIS) 是 Cortex-M 处理器系列的与 供应商无关的硬件抽象层。 使用 CMSIS，可以为接口外设、实时操作系 统和中间件实现一致且简单的软件接口， 从而简化软件的重用、缩短新微控制器 开发人员的学习过程，并缩短新产品的 上市时间。
电子系统设计与实践
31
2020/3/21
NVIC
NVIC（嵌套矢量中断控制器）是 Cortex-M 处理器不可或缺的部分，它 为处理器提供了卓越的中断处理能力。
Cortex-M 处理器使用一个矢量表，其 中包含要为特定中断处理程序执行的函 数的地址。接受中断时，处理器会从该 矢量表中提取地址。
电子系统设计与实践
35
2020/3/21
NVIC 进行的堆栈弹出抢占
如果异常到达，NVIC 将放弃堆栈 弹出并立即为新的中断提供服务
电子系统设计与实践
36
2020/3/21
Cortex-M3微处理器
Cortex-M3微处理器采用ARMv7-M 架构 。 Cortex-M3系列微处理器的主要特点如下：
电子系统设计与实践
24
2020/3/21
ARM Cortex系列（续）
Cortex-A系列：针对复杂OS和应用程序（如多媒 体）的应用处理器。支持ARM、Thumb和 Thumb-2指令集，强调高性能与合理的功耗，存 储器管理支持虚拟地址。
Cortex-R系列：针对实时系统的嵌入式处理器。 支持ARM、Thumb和Thumb-2指令集，强调实时 性，存储器管理只支持物理地址。
处理器的控制技术。
电子系统设计与实践
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2020/3/21
ARM微处理器的应用领域
– 工业控制领域 – 无线通讯领域 – 网络应用 – 智能手机 – 消费类电子产品 – 成像和安全产品
电子系统设计与实践
20
2020/3/21
ARM体系结构的特点
– 体积小、低功耗、低成本、高性能。 – 支持 Thumb(16 位)/ARM(32 位)双指令集，能很好的兼
I/O
CPU
RAM ROM
外设 外设
I/O
一个典型的计算机系统
电子系统设计与实践
4
2020/3/21
电子系统设计与实践
5
2020/3/21
电子系统设计与实践
6
2020/3/21
电子系统设计与实践
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2020/3/21
电子系统设计与实践
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2020/3/21
电子系统设计与实践
9
2020/3/21
➢ ST STM32 ➢ TI（Luminary Micro） 的LM3xxxx系列 ➢ NXP(Philips) LPC2xxx系列、LPC17xx系列 ➢ Samsung 44B0 （ARM7） ➢ Atmel AVR32系列 AT32xxx （AVR32内核） ➢ （ARM Cortex内核）Cortex-M3/Cortex-M4,有ST的STM32
系列、NXP的LPC13xx系列和TI的LM3S系列
电子系统设计与实践
14
2020/3/21
嵌入式处理器（常见）
Samsung S3C2440 （ARM9）S3C6400 (ARM11)
Marv源自文库ll PXA27x 、PXA3xx XScale（基于ARMv5T）
Freescale I.MX31系列 （ARM11）
电子系统设计与实践
17
2020/3/21
MCU ARM Cortex-M 内核
电子系统设计与实践
18
2020/3/21
ARM体系结构概述
– ARM，英文全称为Advanced RISC Machines。 – ARM首先是一个公司的名称 。 – 其次，ARM是对一类微处理器的通称。 – 宽泛地说，ARM是一种技术的名字，即采用ARM
（NiosII soft core）
Xilinx PowerPC（硬核）/MicroBlaze 软核
Magiceyes MMSP2 MP25xx （Dual ARM9）
ARM Cortex内核（Cortex-A8/Cortex-A9）
电子系统设计与实践
16
2020/3/21
MCS51兼容
80C51兼容/增强
系结构 ARM1136J-S是第一个执行ARMv6架构指令的处
理器 Cortex核
电子系统设计与实践
23
2020/3/21
ARM Cortex系列
ARM Cortex发布于2005年，为各种不同性能需 求的应用提供了一整套完整的优化解决方案，该系列 的技术划分完全针对不同的市场应用和性能需求。目 前ARM Cortex定义了三个系列：
电子系统设计与实践
39
2020/3/21
STM32如何编译和下载程序
编译工具：
➢ ARM MDK (Keil) ➢ IAR
下载程序：
➢ 见pdf
电子系统设计与实践
40
2020/3/21
JLINK驱动安装与MDK环境搭建
MDK工程建立：
➢ 见pdf
电子系统设计与实践
41
2020/3/21
Cortex-M核芯片
➢ Thumb-2 指令集架构（ISA）的子集。 ➢ 哈佛处理器架构，在加载/存储数据的同时能够执行指令取指。 ➢ 三级流水线。 ➢ 32 位单周期乘法。 ➢ 具备硬件除法。 ➢ Thumb 状态和调试状态。 ➢ 处理模式和线程模式。 ➢ ISR 的低延迟进入和退出。 ➢ 可中断-可继续的LDM/STM，PUSH/POP。 ➢ ARMv6类型BE8/LE支持。 ➢ ARMv6 非对齐访问。
在电子设计中使用单片机
输入处理
处理电路
输出驱动
电源
单片机
键盘显示
电子系统设计与实践
10
2020/3/21
MCU的架构
CISC （复杂指令集架构 ）
➢ Complex Instruction Set Computer ➢ 早期MCU采用
RISC （精简指令集架构）
➢ Reduced Instruction Set Computer ➢ 新开发的MCU Core绝大多数为RISC
– ARM 微处理器目前种类非常丰富。 – 不同的ARM系列具有不同的用途，每一个系列的
ARM 微处理器都有各自的特点和应用领域。 – 下面分别进行介绍。
电子系统设计与实践
22
2020/3/21
ARM系列微处理器
ARM7 32bits RISC 采用冯诺依曼结构 ARM9 32bits RISC 采用哈佛结构 ARM10E内核为32位RISC处理器，采用了新的体
电子系统设计与实践
32
2020/3/21
在硬件中完成对中断的响应
Cortex-M 系列处理器的中断响应是从发出 中断信号到执行中断服务例程的周期数。 它包括：
➢ 检测中断 ➢ 背对背或迟到中断的最佳处理 ➢ 提取矢量地址 ➢ 将易损坏的寄存器入栈 ➢ 跳转到中断处理程序
这些任务在硬件中执行，并且包含在为 Cortex-M 处理器报出的中断响应周期时间 中。
Cortex核Cortex-M系列：针对价格敏感应用领域 的嵌入式处理器，只支持Thumb-2指令集，强调 操作的确定性，以及性能、功耗和价格的平衡。
电子系统设计与实践
25
2020/3/21
M0,M3,M4 ？
Cortex-M 系列针对成本和功耗敏感 的 MCU 和终端应用
软件重用，从一个 Cortex-M 处理器无缝升级到另一个
电子系统设计与实践
33
2020/3/21
NVIC 中的尾链
Cortex-M 处理器通过在 NVIC 硬 件中实现尾链技术简化了活动中断 和挂起的中断之间的转换
电子系统设计与实践
34
2020/3/21
NVIC 对迟到的较高优先级中断的响应
如果在为上一个中断执行堆栈推送 期间较高优先级的中断迟到， NVIC 会立即提取新的矢量地址来 为挂起的中断提供服务
➢ Atmel AT89S51/52、AT89C51RD2 ➢ NXP P80C51、LPC76x、LPC900 ➢ STC、MegaWin ➢ TI MSC12xx ➢ ADI ADuC ➢ Silicon Labs C8051F ➢ Maxim DS80C42x ➢ ST、Cypress、SST、新唐（Winbond）……
电子系统设计与实践
11
2020/3/21
MCU选型（按数据总线宽度）
4 bits （大量、廉价，电子设计竞赛中未见）
8 bits
➢ Intel MCS51系列 80C51/52 很多兼容厂家 ➢ Freescale(Motorola) S08、S908 ➢ Microchip PIC16C5x/6x/7x/8x、PIC18Cxx ➢ Atmel AVR系列 ATmega ➢ 瑞萨、三星、现代、NEC…… ➢ 义隆、Holtek、Sunplus ➢ 国内：中颖、华荣汇、芯唐（Winbond逻辑IC事业部）
电子系统设计与实践
37
2020/3/21
工作模式和工作状态
Cortex-M3处理器支持两种工作模式:
➢ 线程模式 ➢ 处理模式
Cortex-M3处理器有两种工作状态：
➢ Thumb状态 ➢ 调试状态
电子系统设计与实践
38
2020/3/21
数据类型
Cortex-M3处理器支持以下数据类型：
➢ 32 位字 ➢ 16 位半字 ➢ 8 位字节
电子系统设计与实践
12
2020/3/21
16 bits
➢ TI MSP430 ➢ Freescale S12 ➢ Microchip PIC24Cxxx ➢ Maxim MaxQ ➢ 瑞萨 ➢ Sunplus（凌阳）……
电子系统设计与实践
13
2020/3/21
32 bits
➢ Atmel AT91SAM系列 （ARM7内核）
Cortex-M核芯片
德州仪器 – TI（收购Liuminary）
➢ LM3Sxxxx系列（M3） ➢ LM4Fxxxx系列(M4)
恩智浦 -- NXP
➢ LPC11xx LPC12xx系列（M0） ➢ LPC13xx LPC17xx LPC18xx 系列（M3） ➢ LPC43xx 系列（M4）