本文主要是介绍ARM微处理器编程模型与linux驱动开发,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!
文章目录
- 微处理器
- 指令系统
- 数据类型
- 字节对符号位扩展
- ARM体系结构
- ARM处理器工作模式
- 寄存器
- 异常
- 过程调用标准
- 程序内存划分
- STM32的使用
- 常用资源
- GPIO口的使用
- GPIO固件库的使用
- STM固件库
- Proteus常用元器件
- 中断
- AD转换
- BootLoader的定制: 嵌入式系统上电以后硬件的初始化
- Linux Kernel定制
- 驱动程序开发:
- 驱动程序的分类
- 设备的属性
- 设备驱动程序的组成
- Linux驱动程序的基本结构
- 驱动程序随内核一起编译
微处理器
微处理器=控制单元+算术逻辑单元+寄存器
指令系统
- RISC:精简指令集 ARM
- 寻址方式:10种以内
- 指令集中指令数量:100条左右
load/store
结构(加载数据在寄存器中,操作针对寄存器操作,而非存储器)- 大的统一的寄存器文件
- 统一固定的指令域,化简了指令的编码,便于流水线设计,大多数指令执行时间是相等的,可以在一个时钟周期内完成
- CISC:复杂指令集 X86、51
- 寻址方式:比较多(10种以上)
- 指令集中指令数量:每个功能都有专门的指令
数据类型
- 字节8位:byte
- 半字16位:halfword
- 字32位:word
ARM指令集以4字节对齐,thumb指令集以2字节对齐,每执行一个指令,ARM的pc增加4,thumb的pc增加2
字节对符号位扩展
// 符号位扩展
struct s1{char a:2;char b:2;char c:2;int a:6;
}t;
t.a = 3;
printf("%d\n", t.a);// -1
符号位扩展:按符号位扩展到32位
ARM体系结构
ARM:RISC结构
ARM处理器工作模式
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用户模式
-
快速中断模式
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中断模式
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管理模式
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中止模式
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未定义模式
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系统模式
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Monnitor模式
-
hypervisor模式
寄存器
ARM寄存器有37个寄存器,在不同运行模式下使用的寄存器是不完全一致的
所有寄存器分为两大类:
- 31个通用寄存器
- 6个状态寄存器 CPSR(当前)、SPSR(保存)(NZCV)
其中R0~R7为未分组的寄存器,对于任何模式,这些寄存器都对应相同的32位物理寄存器
R8~R14为分组的寄存器,他们所对应的物理寄存器取决于当前的处理器模式,几乎所有允许使用的通用寄存器指令都允许使用这些寄存器
R8~R12有两个分组物理寄存器,一个用于除FIQ模式之外所有寄存器模式,另一个用于FIQ模式。这样在发生FIQ中断后,库加速FIQ的处理速度
R13 堆栈寄存器SP:指向堆栈栈顶
R14 链接寄存器LR:作为(子程序)函数返回用,每种模式下保存子程序返回地址,当发生中断时将其设置为异常返回地址
R15 程序寄存器PC:下一条指令的地址
当前程序状态寄存器(CPSR)
条件码标志:
- N:负(Negative)
- Z:零(Zero)
- C:进位(Carry)
- V:溢出(Overflow)
中断进制位:I 和 F,为1时,禁止中断,为0时,允许中断
模式位:M0、M1、M2、M3… 0:用户模式,1:快速中断模式,2:中断模式,3:管理模式,4:中止模式,5:未定义模式,6:系统模式,7:Monnitor模式,8:hypervisor模式
异常
- 中断 来自IO设备的信号,异步,总是返回下一条指令
- 陷阱 有意的信号,同步,返回下一条指令,处理干扰的一种常用方法
- 故障 潜在可恢复的错误,同步,返回到当前指令
- 终止 严重不可恢复的错误,同步,不返回
异常过程:
- 上下文切换
- 保存CPSR到对应的SPSR —— 保护状态寄存器
- 将当前程序中的数压栈 —— 保护数据
- 保存PC到LR —— 保存返回地址
- 将跳转的入口地址保存到PC中 —— 实现跳转
- 异常返回,函数结束后,内循环转到外循环
- 将SPSR恢复到CPSR
- 将保护数据从栈中弹出到寄存器中
- 将LR恢复到PC
过程调用标准
ATPCS:过程调用标准ATPCS(ARM-Thumb Produce Call Standard)规定了子程序间相互调用的基本规则,ATPCS规定子程序调用过程中寄存器的使用规则、数据栈的使用规则及参数的传递规则。
寄存器使用规则:
R0~R3:参数传递,返回值使用R0(32位)或R0R1(64位),用来存放前4个函数参数并存放返回值,参数超过4个时,使用栈空间传递
R4~R11 :通用变量寄存器,程序中使用的变量,最常用的是R4~R8,调用函数时,
R12:IP,临时过渡寄存器,在函数调用过程会变
程序内存划分
- 代码段
- 只读数据段
- 可读写数据段
- 堆段
- 栈段
STM32的使用
48的引脚 大多数引脚复用功能
常用资源
- ADC:模拟/数字转换控制 —— 模拟转感器数据的使用
- DAC:数字/模拟转换
- USART:串行口 —— 调试串口设备(蓝牙)
- 串行总线端口:SPI、IIC、CAM
- 定时器TIM:
- EXIT:外部中断
- GPIO:通用IO口 —— 开关信号的输入输出 37个引脚
- RTC:实时时钟 —— 日历、时钟
总线:
AMBA片上总线已经成为了一种流行的工业片上总线标准
- AHB(Advance High performance Bus) 系统总线
- APB(Advance Peripheral Bus) 外设总线
- APB 1 低速
- APB 2 高速
最小系统:STM21F103C8T6小系统板,主要由单片机、金振电路、复位电路几部分组成,板载的资源能满足进行单片机GPIO、ADC、RTC、USART、IIC、SPIUSB数据通信等实验
GPIO口的使用
- 要控制一个设备,首先要使能该设备的端口的时钟系统
- 配置端口:设置工作模式(输入、输出…),设置工作属性(输出速度…)
引脚:每一个端口理论上有16个引脚,通过GPIO_IDB(9-15)、GPIO_ODB(0-8)
端口的配置:通过端口(PA、PB、PC)寄存器来进行,每个端口通过7个端口寄存器来进行设置,一般只用2 3个,通过GPIO_CRL、CPIO_CRH配置
端口配置:
-
端口: PA, PB, PC, …
-
引脚: 每一个端口理论上有16个引脚,Pin_0 ~ Pin_15,每一个端口通过7个端口寄存器来进行设置(对于简单的设置一般只使用2~3个端口寄存器就可以了)
-
①两个32位的配置寄存器(GPIOx_CRL,GPIOx_CRH) – 一个配置寄存器管理8个引脚(一个引脚通过配置寄存器的四位来进行设置)
(GPIOx_CRL) (x=A…G): GPIOx configuration register low, GPIOx端口低配置寄存器,用于配置GPIOx端口的第0位~第7位。
(GPIOx_CRH) (x=A…G): GPIOx configuration register high, GPIOx端口低配置寄存器,用于配置GPIOx端口的第8位~第15位。 -
②两个32位的数据寄存器(GPIOx_IDR,GPIOx_ODR) – 每一个引脚对应数据寄存器中的一位
(GPIOx_IDR) (x=A…G): GPIOx input data register – 输入数据寄存器
(GPIOx_ODR) (x=A…G): GPIOx output data register – 输出数据寄存器 -
③一个32位的置位/复位寄存器 (GPIOx_BSRR)
(GPIOx_BSRR) (x=A…G): GPIOx bit set/reset register -
④一个16位的复位寄存器(GPIOx_BRR)
-
⑤一个32位的锁定寄存器(GPIOx_LCKR)
(GPIOx_LCKR) (x=A…G): GPIOx configuration lock register
一般情况下,对于输入引脚的操作通过CPIOx_CRL或者GPIOx_CRH、GPIOx_IDR就可以了;
对于输出引脚的操作通过CPIOx_CRL或者GPIOx_CRH、GPIOx_ODR就可以了 -
-
工作模式
输入引脚的工作模式: 浮空输入、上拉输入、下拉输入和模拟输入
输出引脚的工作模式: 推挽输出、开漏输出、复用推挽输出、复用开漏输出(最大输出速度有10MHz,2MHz和50MHz三种) -
端口配置寄存器:
端口配置低寄存器(GPIOx_CRL)(x=A…G)
端口配置高寄存器(GPIOx_CRH) (x=A…G)
每一个引脚的配置使用寄存器的4位,包含两位Mod位和两位CNF位
MODE位:
00:输入模式(复位后的状态)
01:输出模式,最大速度10MHz
10:输出模式,最大速度2MHz
11:输出模式,最大速度50MHz
CNF位:
在输入模式(MODE[1:0]=00):
00:模拟输入模式
01:浮空输入模式(复位后的状态)
10:上拉/下拉输入模式
11:保留
在输出模式(MODE[1:0]>00):
00:通用推挽输出模式
01:通用开漏输出模式
10:复用功能推挽输出模式
11:复用功能开漏输出模式
假如: LED连接在GPIOC_Pin_13, 设置对应的寄存器
使用的寄存器是: GPIOC_CRH
MOD位为: GPIOC_CRH[21:20] == 11
CNF位为: GPIOC_CRH[23:22] == 00数据寄存器IDR或者ODR的每一位对应一个引脚的输入或者输出数据
比如: LED要亮
要设置GPIOC_ODR[13] = 0
-
寄存器地址计算:
GPIOA: 0x4001 0800 - 0x4001 0BFF
GPIOA_CRL: 0x4001 0800
GPIOA_CRH: 0x4001 0804
GPIOA_IDR: 0x4001 0808
GPIOA_ODR: 0x4001 080C
GPIOB: 0X4001 0C00 - 0x4001 0FFF
GPIOB_CRL: 0X4001 0C00
GPIOB_CRH: 0X4001 0C04
GPIOB_IDR: 0X4001 0C08
GPIOB_ODR: 0X4001 0C0C
GPIOC: 0x4001 1000 - 0x4001 13FF
GPIOC_CRL: 0x4001 1000
GPIOC_CRH: 0x4001 1004
GPIOC_IDR: 0x4001 1008
GPIOC_ODR: 0x4001 100C -
实时时钟寄存器基础地址: 0x4002 1000
APB2 外设时钟使能寄存器(RCC_APB2ENR) 偏移地址:0x18 – 0x4002 1018
GPIOC的时钟使用RCC_APBENR的bit[4], 为1使能,为0失能
GPIO固件库的使用
- GPIO寄存器
//GPIO_TypeDef: 定义了STM32外部设备GPIO的所有寄存器
typedef struct
{ vu32 CRL; vu32 CRH; vu32 IDR; vu32 ODR; vu32 BSRR; vu32 BRR; vu32 LCKR;
} GPIO_TypeDef;//GPIO_InitTypeDef: 定义于文件“stm32f10x_gpio.h”:
typedef struct
{ u16 GPIO_Pin; GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed; GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode;
} GPIO_InitTypeDef;
- 端口地址定义
#define PERIPH_BASE ((u32)0x40000000)
#define APB1PERIPH_BASE PERIPH_BASE
#define APB2PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x10000)
#define AHBPERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x20000)
...
#define AFIO_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x0000)
#define GPIOA_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x0800) //0x40010800
#define GPIOB_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x0C00)
#define GPIOC_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1000)
#define GPIOD_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1400)
#define GPIOE_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1800)#ifdef _GPIOA
#define GPIOA ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE) //GPIOA代表指向端口A的起始地址的指针
#endif /*_GPIOA */
#ifdef _GPIOB
#define GPIOB ((GPIO_TypeDef *) GPIOB_BASE)
#endif /*_GPIOB */
#ifdef _GPIOC
#define GPIOC ((GPIO_TypeDef *) GPIOC_BASE)
#endif /*_GPIOC */
#ifdef _GPIOD
#define GPIOD ((GPIO_TypeDef *) GPIOD_BASE)
#endif /*_GPIOD */
#ifdef _GPIOE
#define GPIOE ((GPIO_TypeDef *) GPIOE_BASE)
#endif /*_GPIOE */
...
-
接口
GPIO_DeInit 将外设GPIOx寄存器重设为缺省值
GPIO_Init 根据GPIO_InitStruct中指定的参数初始化外设GPIOx寄存器 – 设置具体某个引脚的工作模式和参数
void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct)
GPIO_Pin_x 选中管脚x(x=0,1,… 15)
GPIO_Pin_All 选中全部管脚
GPIO_Speed_10MHz 最高输出速率 10MHz
GPIO_Speed_2MHz 最高输出速率 2MHz
GPIO_Speed_50MHz 最高输出速率 50MHzGPIO_Mode_AIN 模拟输入
GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入
GPIO_Mode_IPD 下拉输入
GPIO_Mode_IPU 上拉输入
GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出
GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出
GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出
GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出
STM固件库
端口引脚初始化实例:
//定义初始化结构体
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; //设置端口引脚的工作模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_All;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //使用GPIO_Init()接口将设置的引脚的属性写入到端口寄存器的地址中
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
GPIO_ReadInputDataBit 读取指定端口管脚的输入 – 用来读取GPIOx_IDR的一位(获取一个引脚的状态:0/1)
u8 GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, u16 GPIO_Pin)
实例:
u8 ReadValue;
ReadValue = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_7);
GPIO_ReadInputData 读取指定的 GPIO 端口输入 – 用来读取GPIOx_IDR的值(得到一个端口16个引脚的状态)
GPIO_ReadOutputDataBit 读取指定端口管脚的输出 – 判定某个特定的引脚是输出高电平还是低电平
GPIO_ReadOutputData 读取指定的 GPIO 端口输出 – 获取一个端口16个引脚的输出状态
GPIO_SetBits 设置指定的数据端口位 – 置位特定的引脚(指定的引脚输出高电平)
void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, u16 GPIO_Pin)
GPIO_ResetBits 清除指定的数据端口位 – 复位特定的引脚(指定的引脚输出低电平)
void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, u16 GPIO_Pin)
GPIO_WriteBit 设置或者清除指定的数据端口位 – 向指定的引脚写0或者写1
GPIO_Write 向指定 GPIO 数据端口写入数据 – 一个端口16个引脚的状态一次性写入
…\cmsis\CoreSupport;…\user;…\stdlib\inc
按键控制LED参考代码:
#include "stm32f10x.h"#define KEY_ON 0
#define KEY_OFF 1
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
void delay_ms(uint32_t ms)
{uint32_t i_cnt,j_cnt;for(i_cnt=0;i_cnt<3000;i_cnt++);for(j_cnt=0;j_cnt<ms;j_cnt++);
}
uint32_t i;void Key_Configure(void)
{RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz;GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
}int main(void)
{RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE); //GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure); GPIOC->BSRR=0xff; GPIO_Write(GPIOC,0xff);GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_0); delay_ms(99000);GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_0);GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_1);delay_ms(99000);GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_1);GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_2);delay_ms(99000);GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_2);GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_3);delay_ms(99000);GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_3);GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_4);delay_ms(99000);GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_4);GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin
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