嵌入式微处理器原理与应用：基于ARMCortex-M3微控制器

《嵌入式微处理器原理与应用——基于ARM Cortex-M3微控制器（STM32系列）》具备如下特色：知识系统：本书面向电子信息类与计算机类专业本科生和研究生，着重阐述微处理器结构体系、指令集、基于微处理器的编程、外设连接、驱动功能原理及系统开发技术。注重实践：本书结合各种常用的外围设备，从硬件接口电路与驱动程序来阐述微处理器的基本原理及软硬件系统设计方法，叙述清晰易懂，深入浅出。书中提供了一个实际应用的无线Zigbee小车系统开发综合案例，方便开发人员参考，快速动手实践。为便于教学与自学，作者精心制作了教学课件（PPT），可到清华大学出版社网址本书页面下载，非常适合作为高校相关专业教材。一经出版，已有数十所高校采用！

　　《嵌入式微处理器原理与应用：基于ARM Cortex-M3微控制器/高等学校电子信电子信息类专业系列教材》系统论述了ARM Cortex-M3嵌入式微处理器的原理、架构、编程与系统开发方法，并以STM32微处理器为样本，给出了丰富的设计示例与综合实例。《嵌入式微处理器原理与应用：基于ARM Cortex-M3微控制器/高等学校电子信电子信息类专业系列教材》共分为8章，分别介绍了嵌入式微处理器的开发方法、Cortex-M3的体系结构、Cortex-M3的指令集、Cortex-M3的功能特性、C语言与汇编语言混合编程、Cortex-M3的外设、Cortex-M3的驱动、Cortex-M3应用综合实例等内容。
　　《嵌入式微处理器原理与应用：基于ARM Cortex-M3微控制器/高等学校电子信电子信息类专业系列教材》适合作为高等学校电子信息类专业与计算机类专业本科生及研究生的“嵌入式系统原理及应用”课程的教材，也适合作为相关领域工程技术人员的参考用书。

严海蓉 北京工业大学嵌入式软件与系统系，副教授，guojiaji教学团队骨干成员。长期从事嵌入式系统和嵌入式微处理器应用系统等方面的科研与教学工作，为本科生和研究生开设了“嵌入式微处理器原理及应用”、“嵌入式操作系统”等课程。曾被评为国家专利局zuijia校园发明奖优秀指导教师、北京工业大学优秀硕士学位论文指导教师，并获得北京市优秀教学成果二等奖。独立编写了《嵌入式微处理器与应用》一书，发表学术论文30余篇，授权专利7项。

薛涛 北京工业大学软件学院，硕士研究生。以微处理器为其研究方向，一直从事《嵌入式微处理器原理及应用》课程的助教工作。设计并完成了Cortex-M3为基础的巡线小车，调试了无线Zigbee小车系统和开发实例的所有代码。

曹群生 2012毕业于北京工业大学软件学院，硕士研究生。以微处理器为其研究方向，一直从事《嵌入式微处理器原理及应用》课程的助教工作。完成了Cortex-M3为基础的巡线小车、多节自由跟随车列等作品，具有丰富的微处理器使用经验。

时昕 博士，AMD大中华区技术合作及解决方案高级经理，中国电子学会教育工作委员会委员。曾在三星半导体，Synopsys和ARM等跨国公司担任多项高级研发及技术推广职位。长期从事处理器相关研发工作，对通用CPU和MCU的架构及应用有丰富的实践经验。在ARM公司担任亚太区大学计划部负责人期间，积累了深刻的将ARM处理器应用于高校创新人才培养的认识。

第1章 绪论
1.1 微处理器定义
1.2 ARM发展历程
1.3 ARM体系结构与特点
1.4 处理器选型
1.4.1 嵌入式微处理器选型的考虑因素
1.4.2 嵌入式微处理器选型示例

第2章 ARM核体系结构
2.1 寄存器
2.2 ALU
2.3 存储部件
2.4 中断控制
2.5 总线
2.6 外围接口I／O
2.7 流水线
2.8 ARM协处理器接口

第3章 ARM指令集
3.1 指令简介
3.2 ARM寻址方式
3.2.1 数据处理指令的操作数的寻址方式
3.2.2 字及无符号字节的Load／Store指令的寻址方式
3.2.3 杂类Load／Store指令的寻址方式
3.2.4 批量Load／Store指令的寻址方式
3.2.5 协处理器Load／Store指令的寻址方式
3.3 Cortex指令集
3.3.1 数据传送类指令
3.3.2 数据处理指令
3.3.3 其他计算类指令
3.3.4 饱和运算
3.3.5 无条件跳转指令
3.3.6 标志位与条件转移指令
3.3.7 IF-THEN指令块
3.3.8 Barrier隔离指令
3.3.9 其他一些有用的指令
3.3.1 0对内存的互斥访问
3.4 伪指令
3.5 内嵌汇编

第4章 Cortex-M3特性
4.1 特殊功能寄存器
4.2 中断建立全过程的演示
4.3 复位序列
4.4 中断咬尾
4.5 晚到异常
4.6 位带操作
4.7 互斥访问

第5章 C语言与汇编语言混编
5.1 ATPCS与AAPCS
5.2 嵌入式C编写与编译
5.3 C语言与汇编语言混编规范
5.3.1 内嵌汇编
5.3.2 汇编程序中访问C全局变量
5.3.3 C语言与汇编语言的相互调用
5.4 C语言与汇编语言混编实践
5.4.1 Keil使用和STM32固件库
5.4.2 建立自己的第一个Keil程序

第6章 STM32输入／输出
6.1 pin配置
6.1.1 单独的位设置或位清除
6.1.2 外部中断／唤醒线
6.1.3 复用功能
6.1.4 软件重新映射I／O复用功能
6.1.5 GPIO锁定机制
6.1.6 输入配置
6.1.7 输出配置
6.1.8 复用功能配置
6.1.9 模拟输入配置
6.2 输入／输出基本概念（寄存器、输入／输出类型）
6.2.1 基本概念
6.2.2 寄存器详解
6.2.3 复用I／O配置寄存器
6.2.4 通用I／O和AFIO使用的配置步骤
6.3 通用I／O锁定机制
6.4 系统时钟
6.4.1 时钟配置
6.4.2 时钟输出的使能控制
6.5 输入／输出常用固件库函数
6.5.1 GPIO_Delnit函数
6.5.2 GPIO_AFIODelnit函数
6.5.3 GPIO_Init函数
6.5.4 GPIO_StructInit函数
6.5.5 GPIO_ReadInputDataBit函数
6.5.6 GPIO_ReadlnputData函数
6.5.7 GPIO_ReadOutputDataBit函数
6.5.8 GPIO_ReadOutputData函数
6.5.9 GPIO_SetBits函数
6.5.1 0GPIO_ResetBits函数
6.5.1 1GPIO_WriteBit函数
6.5.1 2GPIO_Write函数
6.5.1 3GPIO_PinLockConfig函数
6.5.1 4GPIO_EventOutputConfig函数
6.5.1 5GPIO_EventOutputCmd函数
6.5.1 6GPIO_PinRemapConfig函数
6.5.1 7GPIO_EXTILineConfig函数
6.6 GPIO控制LED灯
6.6.1 硬件设计
6.6.2 软件设计
6.7 GPIO控制蜂鸣器
6.7.1 硬件设计
6.7.2 软件设计
6.8 跑马灯实验
6.8.1 硬件设计
6.8.2 软件设计
6.9 LCD1602驱动
6.9.1 硬件设计
6.9.2 软件设计

第7章 串行通信模块与中断程序
7.1 接口与通信标准
7.1.1 I2C接口
7.1.2 通用同步／异步收发器（USART）
7.1.3 串行外设接口（SPI）
7.1.4 控制器区域网络（CAN）
7.1.5 通用串行总线（USB）
7.2 串口USART实例
7.3 扫描键盘
7.4 继电器
7.5 脉宽调制
7.6 步进电动机

第8章 STM32带操作系统编程
8.1 RAM、Flash启动
8.2 小型操作系统sTM32移植
8.2.1 μCOS-Ⅱ内核简介
8.2.2 开始移植
8.2.3 程序开发模式讨论

第9章 综合案例
9.1 硬件连接方式
9.2 驱动软件编写
9.2.1 串口通信
9.2.2 数据采集
9.2.3 小车的方向控制
9.2.4 小车的速度控制
9.3 Z-Stack软件框架
9.3.1 任务调度
9.3.2 ZigBee无线传输系统开发
9.4 计算机端程序开发
附录A STM32F10x.h中的定义
附录B LCD1602程序

序

　　我国电子信息产业销售收入总规模在2013年已经突破12万亿元，行业收入占工业总体比重已经超过9%。电子信息产业在工业经济中的支撑作用凸显，更加促进了信息化和工业化的高层次深度融合。随着移动互联网、云计算、物联网、大数据和石墨烯等新兴产业的爆发式增长，电子信息产业的发展呈现了新的特点，电子信息产业的人才培养面临着新的挑战。

　　（1） 随着控制、通信、人机交互和网络互联等新兴电子信息技术的不断发展，传统工业设备融合了大量最新的电子信息技术，它们一起构成了庞大而复杂的系统，派生出大量新兴的电子信息技术应用需求。这些“系统级”的应用需求，迫切要求具有系统级设计能力的电子信息技术人才。

　　（2） 电子信息系统设备的功能越来越复杂，系统的集成度越来越高。因此，要求未来的设计者应该具备更扎实的理论基础知识和更宽广的专业视野。未来电子信息系统的设计越来越要求软件和硬件的协同规划、协同设计和协同调试。

　　（3） 新兴电子信息技术的发展依赖于半导体产业的不断推动，半导体厂商为设计者提供了越来越丰富的生态资源，系统集成厂商的全方位配合又加速了这种生态资源的进一步完善。半导体厂商和系统集成厂商所建立的这种生态系统，为未来的设计者提供了更加便捷却又必须依赖的设计资源。

　　教育部2012年颁布了新版《高等学校本科专业目录》，将电子信息类专业进行了整合，为各高校建立系统化的人才培养体系，培养具有扎实理论基础和宽广专业技能的、兼顾“基础”和“系统”的高层次电子信息人才给出了指引。

传统的电子信息学科专业课程体系呈现“自底向上”的特点，这种课程体系偏重对底层元器件的分析与设计，较少涉及系统级的集成与设计。近年来，国内很多高校对电子信息类专业课程体系进行了大力度的改革，这些改革顺应时代潮流，从系统集成的角度，更加科学合理地构建了课程体系。

为了进一步提高普通高校电子信息类专业教育与教学质量，贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》和《教育部关于全面提高高等教育质量若干意见》（教高【2012】4号）的精神，教育部高等学校电子信息类专业教学指导委员会开展了“高等学校电子信息类专业课程体系”的立项研究工作，并于2014年5月启动了《高等学校电子信息类专业系列教材》（教育部高等学校电子信息类专业教学指导委员会规划教材）的建设工作。其目的是为推进高等教育内涵式发展，提高教学水平，满足高等学校对电子信息类专业人才培养、教学改革与课程改革的需要。

　　本系列教材定位于高等学校电子信息类专业的专业课程，适用于电子信息类的电子信息工程、电子科学与技术、通信工程、微电子科学与工程、光电信息科学与工程、信息工程及其相近专业。经过编审委员会与众多高校多次沟通，初步拟定分批次（2014—2017年）建设约100门课程教材。本系列教材将力求在保证基础的前提下，突出技术的先进性和科学的前沿性，体现创新教学和工程实践教学； 将重视系统集成思想在教学中的体现，鼓励推陈出新，采用“自顶向下”的方法编写教材； 将注重反映优秀的教学改革成果，推广优秀的教学经验与理念。

　　为了保证本系列教材的科学性、系统性及编写质量，本系列教材设立顾问委员会及编审委员会。顾问委员会由教指委高级顾问、特约高级顾问和国家级教学名师担任，编审委员会由教育部高等学校电子信息类专业教学指导委员会委员和一线教学名师组成。同时，清华大学出版社为本系列教材配置优秀的编辑团队，力求高水准出版。本系列教材的建设，不仅有众多高校教师参与，也有大量知名的电子信息类企业支持。在此，谨向参与本系列教材策划、组织、编写与出版的广大教师、企业代表及出版人员致以诚挚的感谢，并殷切希望本系列教材在我国高等学校电子信息类专业人才培养与课程体系建设中发挥切实的作用。

教授

前言

虽然嵌入式系统与计算机系统的起源一样久远，但由于嵌入式系统的微处理器受到体积、功耗、造价等因素的制约，一直没有一统江湖的某一个品牌出现。

然而随着近年来智能手机、手持设备的快速发展，ARM微处理器逐渐占据了嵌入式系统的大部分阵地。而且随着物联网概念的出现，嵌入式系统包含了功能从复杂到简单的各种需求。为了适应这种趋势，ARM也将其微处理器构架重新打造，产生了Cortex系列，包括了A、R和M三种不同性能，面向不同应用需求的微处理器系列。

从教授ARM7开始，为了满足教课的需要，就一直想自己编写一本专门的嵌入式微处理器原理的教材。随着ARM平台进一步朝着Cortex系列发展，更加萌发了将最新的微处理器系列介绍给学生的念头。本书选取Cortex M3系列的STM32作为主要的介绍对象，主要是考虑到嵌入式系统主要的一些基本功能就是做控制，如控制小车行进等。同时M3也具有一定的扩展性，可以放进去一个不大不小的嵌入式操作系统。最后，STM32也是目前得到较广泛应用的一个微处理器芯片，而且教材并不丰富。

本书重点是讲述嵌入式微处理器原理，尤其是怎样对指令集进行编程，并且以微处理器为核心来设计连接硬件。

本书内容可分四大部分。

第1~2章为第一部分，主要是微处理器的概述，第1章介绍基础知识，第2章介绍ARM核体系结构。

第3~5章为第二部分，属于微处理器编程。第3章介绍ARM指令集，第4章介绍CortexM3特性，第5章介绍C语言与汇编语言混编。

第6~8章为第三部分，属于微处理器外设连接和驱动编写。以STM32为例，讲解了从硬件连接到软件驱动编写的设计过程。实验小车平台上的核心就是STM32。

第9章是一个综合案例。在实验小车上实现了用ZigBee进行连接，接收计算机给的遥控指令，让小车前后左右行进。

本书内容新颖，立足点高。同时力求重点突出，层次清晰，语言通俗易懂，内容覆盖面广。学习本书需要有一定的C语言阅读能力和硬件的入门知识。本书可作为高等院校本科、研究生各相关专业（如嵌入式系统、物联网、计算机、电子信息、通信）的程序设计教材，也适合编程开发人员培训、广大嵌入式系统技术爱好者自学使用。

根据我们的教学体会，本书的教学可以安排为32~48学时。如果安排的学时数较少，可以根据学生的水平适当删减第二部分的部分内容。

本书所提供的实验实例全部在目标硬件上调试通过。

尽管在写作过程中投入了大量的时间和精力，但由于水平有限，错误和不足之处仍在所难免，敬请读者批评指正（任何建议可以发至邮箱yanhairong@bjut.edu.cn）。我们会在适当时间对本书进行修订和补充。

本书第6~7章由薛涛编写和实验验证，第8章由蒋思瑀提供素材。实验平台小车由北京芯博华科技有限公司提供。还要感谢北京工业大学嵌入式系统与软件系的全体师生，本书的最终出版得到了许多老师和同学的帮助。还要感谢我的家人对我的支持。清华大学出版社为本书的编写和出版付出了辛勤劳动。另外，还要感谢刘宏刚的帮助。在本书完成之际，一并向他们表示诚挚的感谢。

严海蓉

2014年12月于北京工业大学