微处理器原理与接口技术 基于树莓派Pico及RP2040芯片 9787302656463

“微处理器原理与接口技术”是本科院校电子信息类专业的必修课，它上启“数字电路”课程，并为“单片机原理”“嵌入式系统原理”等课程打下基础，是本科院校电子信息类专业的学生深入学习计算机系统的重要环节。本书就是为该课程撰写的一本教材，适合本科院校电子信息类专业学生使用。

“微处理器原理与接口技术”课程由“微机原理与接口技术”课程演变而来，不管名字如何变化，基本内容变化不大。多年来，课程内容虽然多有变革，但笔者认为存在一些问题。一是内容过于老化，典型情况是有的学校仍然以Intel 8086作为主要内容，且不说这种芯片已经多年没有实际系统采用，其工具链、开发方法缺少代表性，它的体系结构也不能说与现代系统设计理念相容； 二是内容过于狭窄，典型情况是选择Intel 8051单片机等芯片作为主要内容，虽然8051单片机是一款很经典的单片机，当前仍然被应用，但它有很多特殊的设计并不具有普遍性，不适合作为原理性内容去讲授； 三是原理性内容欠缺，有的课程芯片选得很典型也很有代表性，教材篇幅也较大，但是没有解决学生心中的疑惑。笔者认为，学生学习本课程之前最大的好奇应该是CPU系统如何工作，恰恰在这一点上教学内容有欠缺。

本书作者为了解决上述问题，做出了一些努力，主要体现在以下方面。首先，选择ARM体系中的CM0作为目标进行讲授，既现代又不过于复杂，适合作为原理性内容讲授。同时，选择RP2040芯片，该芯片具有现代微控制器系统的各种先进特征，如双核、具有很完善的SDK、适合各种工具链要求等，其外设设计典型而不过于复杂，适合教学应用。其次，从数字系统的一般性出发，按照历史发展的脉络详细阐述了CPU的工作原理、现代CPU的设计思路等，解学生心中之疑惑。再次，本书也详细介绍了AHB总线等对现代SoC来说比较重要的内容，使学生对现代SoC的工作原理和组成方法有一定了解。

电子信息类专业的“微控制器原理与接口技术”课程大致相当于计算机类专业的“计算机组成原理”和“计算机体系结构”两门课程，内容非常多，在当前课时压缩的大背景下，内容取舍尤为重要。本书作者并没有因此压缩计算机原理方面的内容，相比同类教材，还增加了诸如流水线、指令编码、AHB总线等方面的内容。但是，本书压缩了汇编语言编程尤其是ARM、Thumb各种指令细节，原因是本书作者认为这些细节既对原理的理解没有多大帮助，又对现代工程应用没有多大帮助，现代工程开发一般以高级语言为主，辅之以很少的行内汇编。本书不仅重视内容的取舍，同时重视写作过程中内容的精炼，使得本书篇幅不大，适合作为本科教材。为了内容的完整性，本书在接口技术方面不仅全面介绍了通用输入输出GPIO、通用串行通信UART、串行互连总线I2C、SPI等，还详细介绍了人机接口技术（如按键、数码管等）的驱动方法，尤其是详细介绍了触摸按键、液晶屏、触摸屏等更具工程性和更复杂的内容。在软件方面，本书增加了实时操作系统的原理，并以FreeRTOS系统为例，详细介绍了其应用方法，这在同类教材中是不常见的
。

本书共13章，其中第1~4章是原理部分，逻辑脉络清晰，符合组成原理和体系结构的发展趋势、与数字电路系统内容衔接。第5~13章是接口技术部分，除了注重原理性、通用性，尤其重视工程应用性。本书第1章为绪论，从历史发展脉络和逻辑系统脉络逐渐引入计算机系统和嵌入式系统； 第2章是微处理器原理，先从数字编码与计算等基础知识引入，这部分和数字电路相衔接，然后讲述CPU的组成和原理、ARM CortexM0系统的组成和指令集等； 第3章是汇编语言，本章要求学生达到能看懂程序、能编制简单程序的程度； 第4章是异常和中断，结合ARM CortexM0系统力求让学生理解异常和中断的概念，并具有一定的程序设计能力。这4章构成微控制器原理的主要内容。第5章介绍RP2040芯片的组成，让学生初步了解构成一个SoC除了CPU还需要什么，并具体介绍了这些外围电路的原理； 第6章介绍系统总线，从传统的由三态逻辑组成的总线系统逐渐引出基于数据选择器并适合SoC的AHB总线系统，最后具体介绍RP2040芯片内部总线的结构； 第7章介绍DMA的结构、作用和编程方法； 第8章介绍定时计数器的作用和设计原理，并结合RP2040芯片详细介绍了各种用途的定时计数器； 第9章介绍通用异步串行通信，首先从串行通信的原理开始，逐步介绍UART的结构、RP2040芯片中UART编程方法等； 第10章介绍了外设互连常用的串行总线I2C和SPI； 第11章介绍了模数和数模转换，着重介绍了A/D、D/A电路的种类、结构、原理等，为系统设计时芯片的选择提供基本知识； 第12章介绍了人机接口技术，除了传统的按键、数码管等，还着重介绍了触摸屏、触摸按键、COB液晶、图形液晶屏等的原理和应用方法； 第13章介绍了嵌入式操作系统的基本原理，并以FreeRTOS为例，介绍了实时操作系统的应用编程方法，该章还介绍了文件系统的原理和FAT文件系统。第5~13章为接口技术，除了第5章、第6章比较基础，其他各章可以根据教学需要合理选择。作者强烈呼吁读者要重视第13章的学习，因为随着现代微控制器能力的提高，使用实时操作系统提高系统性能和开发效率成为大势所趋。

本书每章后面都有一定数量的思考题和习题，并提供大量的电子资源。在电子资源中，不仅包括习题答案，还包括本书配套的实验、教学课件、教学视频等丰富内容。配合本书实验可以选用树莓派Pico开发板，价廉物美，容易获取。

本书适合普通高等院校电子信息大类的各个专业，如电子信息工程、通信工程、集成电路工程、人工智能等，欢迎老师、同学们选用。

王继业2024年于中央民族大学

本书是“微处理器原理与接口技术”课程的教材。本书首先通过逻辑的、历史的脉络引入计算机系统和微处理器，然后以ARM CM0为对象介绍了微处理器的组成原理和指令集，并介绍了汇编语言编程方法等。在接口技术方面，本书介绍了内部总线AHBLite和SoC的组成方法，并以RP2040芯片为例，介绍了接口常用的GPIO、UART、I2C、SPI、A/D、D/A、定时计数器等电路原理和编程方法，特别引入了触摸按键、触摸屏、COB液晶和图形液晶等的原理介绍和接口方法。本书专辟一章介绍了实时操作系统，并以FreeRTOS为例介绍了编程方法。 本书内容取舍精当，篇幅适中，适合作为普通高等院校电子信息大类各专业的教材。本书内容选择原则是“鱼渔双授”，所选芯片RP2040既具有现代先进SoC的特征又不过分复杂，既适合教学又不失工程应用价值。 本书配套实验推荐选用树莓派Pico开发板，价廉物美，易于采购，并有配套的开发实验系统供选用。 本书配有思考题和习题，为了节省篇幅，习题答案、课件、附图、多媒体资源、实验资源等以电子资源的形式提供。

王继业 中央民族大学教授。1988-1992年就读于北京大学物理系，获得物理学学士学位；1992-1995年就读于南开大学物理系，获得光学硕士学位。1995-2001年就职于北大青鸟公司，从事分析仪器和其它电子产品的研发工作；2001年至今就职于中央民族大学，从事物联网方面的研究，2020年起从事芯片设计领域的研究工作。在任职中央民族大学期间，曾担任电子信息工程系主任多年，并成功申办物联网专业。任教以来负责编制过多个版本的电子信息和物联网工程专业培养方案，教授过模拟电子线路、电磁场与电磁波、微机原理接口技术、单片机等课程。

赵莉芝，中央民族大学讲师、硕士研究生导师。2015年7月北京理工大学信号与信息处理专业博士毕业，获得工学博士学位。2015年9月入职中央民族大学，迄今连续8年负责电子信息工程专业的本科《微控制器原理》课程教学。发表论文10余篇，主持和参与了多项科研项目。

苏骄阳，中央民族大学信息工程学院实验中心教师、硕士研究生导师。2013年7月北京理工大学电子与通信工程专业硕士毕业，2013年9月入职中央民族大学，负责电子电路及信号处理类课程的实验教学和科研工作，主持和参与了多项科研项目。

第1章绪论

1．1计算机系统发展史

1．1．1利用机械装置作为计算的辅助工具

1．1．2早期的电子计算机系统

1．1．3计算机的充分发展： 软件与硬件

1．1．4微处理器与嵌入式系统

1．1．5当前计算机系统的特点与发展趋势

1．2数字系统与微处理器

1．2．1一般数字电路的组成

1．2．2微处理器作为数字系统

1．2．3微处理器的指令集

思考题

第2章微处理器的基本原理

2．1整数、实数和文字的编码

2．1．1整数的编码

2．1．2实数的编码

2．1．3文字的编码

2．2微处理器的原理和结构

2．2．1一般微处理器系统的结构

2．2．2微处理器组成部分

2．2．3微处理器内部的数据通路

2．2．4流水线技术

2．3ARM CortexM0 微处理器

2．3．1ARM CortexM0 微处理器的结构

2．3．2寄存器

2．3．3ARM CortexM0 的存储器模型

2．3．4指令的寻址方式

2．3．5ARMv6M指令描述

2．3．6ARMv6M指令编码

思考题

习题

第3章ARM汇编语言程序设计

3．1汇编语言编程方法

3．1．1汇编语言与机器指令

3．1．2常量和表达式

3．1．3汇编语言程序的组织

3．1．4裸机上的程序结构

3．2常用模块的汇编程序设计

3．2．164位加减运算

3．2．2分支程序

3．2．3循环程序

3．2．4子程序调用

3．3汇编语言和高级语言的接口

3．3．1ARM架构过程调用标准

3．3．2C语言环境中的汇编程序框架

思考题

习题

第4章异常和中断

4．1异常和中断概述

4．1．1基本概念

4．1．2中断控制器、中断编号和优先级

4．1．3向量表中的系统异常

4．1．4异常和中断的优先级

4．2异常和中断的响应过程

4．2．1NVIC对中断的响应

4．2．2CPU对异常和中断的响应

4．2．3CPU从中断服务程序中返回

4．2．4中断嵌套

4．3异常与中断的设置

4．3．1中断的使能与屏蔽

4．3．2中断的悬置位和活动位

4．3．3优先级寄存器

4．3．4中断屏蔽寄存器

4．3．5系统异常的相关设置

4．4NVIC中的SysTick定时器

4．4．1SysTick定时器及其寄存器

4．4．2SysTick定时器设置及编程

思考题

习题

第5章RP2040芯片的结构

5．1RP2040芯片的总体结构

5．1．1RP2040芯片的组成

5．1．2双核心系统

5．1．3存储器系统

5．2复位和时钟

5．2．1RP2040芯片的复位

5．2．2RP2040时钟源

5．2．3锁相环倍频电路

5．3RP2040芯片引脚和功能

5．3．1RP2040芯片的封装和引脚功能

5．3．2通用输入输出引脚

5．3．3外部中断

5．3．4GPIO状态、控制和外部中断配置

5．3．5引脚配置

5．3．6通过SIO模块控制GPIO引脚

5．3．7GPIO编程实例

5．4Boot ROM程序

5．4．1引导程序

5．4．2Boot ROM的内容

5．4．3Boot ROM中的功能函数

5．4．4Boot ROM中的数据

思考题

习题

第6章计算机系统总线

6．1简单的存储器总线系统

6．1．1存储器的接口信号

6．1．2基于三态逻辑的总线

6．1．3简单总线电路组成实例

6．1．4简单总线接口电路

6．2AHBLite总线系统

6．2．1简单总线存在的问题

6．2．2AHBLite总线系统的组成

6．2．3基本传输过程

6．2．4传输类型、锁定传输、传输宽度和传输保护

6．2．5突发访问

6．2．6AHBLite总线层次化与互连

6．3高级外围总线

6．3．1APB总线应用场景

6．3．2APB总线信号

6．3．3APB总线的数据传输

6．4RP2040的总线结构

6．4．1RP2040总线概览

6．4．2总线交连矩阵

6．4．3APB桥接器

6．4．4RP2040窄宽度I/O访问

思考题

习题

第7章直接内存操作

7．1直接内存操作概述

7．1．1DMA及DMA控制器

7．1．2DMA控制器的一般结构

7．2RP2040的DMA控制器

7．2．1RP2040的DMA控制器结构

7．2．2开启DMA通道

7．2．3外设对DMA的数据请求

7．2．4DMA的中断

7．3RP2040的直接内存操作编程

7．3．1寄存器定义

7．3．2用中断重新配置DMA

7．3．3DMA控制块

思考题

习题

第8章定时计数器

8．1通用定时计数器

8．1．1通用定时计数器的结构

8．1．2定时计数器的功能实现

8．2RP2040通用定时器

8．2．1通用定时器的组成与结构

8．2．2通用定时器的编程

8．3RP2040的PWM发生器

8．3．1脉冲宽度调制概述

8．3．2PWM部件

8．3．3分数预分频器

8．3．4PWM波形的产生

8．3．5PWM模块的中断

8．3．6时钟源的选择

8．3．7PWM部件的编程

8．4RP2040看门狗定时器

8．4．1看门狗定时器概述

8．4．2看门狗定时器的组成

8．4．3看门狗定时器的编程

8．5实时时钟

8．5．1实时时钟概述

8．5．2RP2040芯片RTC的结构

8．5．3RP2040芯片RTC编程

思考题

习题

第9章串行通信

9．1串行通信概述

9．1．1串行和并行

9．1．2异步串行通信的发展

9．2串行通信的电平规范

9．2．1逻辑电平的传输

9．2．2EIA电平规范

9．2．3差分信号传输

9．3异步串行通信的数据帧

9．3．1异步串行通信的波特率

9．3．2异步串行通信的数据帧组成

9．3．3异步串行通信的流控制

9．3．4传输中断信号

9．4RP2040芯片的串行通信部件

9．4．1RP2040芯片UART的结构

9．4．2RP2040芯片UART的流控制

9．4．3RP2040芯片UART的DMA

9．4．4RP2040芯片UART的中断请求

9．5RP2040芯片的串行通信编程

9．5．1RP2040芯片UART的寄存器

9．5．2RP2040芯片UART的配置

9．5．3RP2040芯片UART数据传输编程

思考题

习题

第10章串行互连总线

10．1SPI串行总线规范

10．1．1利用移位寄存器传输数据

10．1．2摩托罗拉SPI协议规范

10．2RP2040芯片的SPI控制器

10．2．1RP2040芯片的SPI控制器帧格式

10．2．2RP2040芯片的SPI控制器组成

10．2．3RP2040芯片SPI的DMA

10．2．4RP2040芯片SPI的中断

10．3RP2040芯片SPI控制器编程

10．3．1RP2040芯片SPI控制器的寄存器

10．3．2RP2040芯片SPI编程方法

10．4I2C串行总线规范

10．4．1I2C总线的电路连接

10．4．2I2C总线发送单个位的格式

10．4．3I2C总线数据帧格式

10．5RP2040芯片的I2C控制器

10．5．1RP2040芯片的I2C控制器的特性

10．5．2发送FIFO中的数据和命令

10．5．3RP2040芯片I2C作为从器件的操作过程

10．5．4RP2040芯片I2C作为主器件的操作过程

10．5．5I2C定时设置

10．5．6I2C的DMA和中断

10．6RP2040芯片I2C控制器编程

10．6．1寄存器描述

10．6．2利用SDK进行I2C编程

思考题

习题

第11章模数和数模转换

11．1模数转换的基本概念与电路组成

11．1．1采样与采样保持电路

11．1．2A/D转换器的参数

11．1．3逐次比较型A/D转换器

11．1．4ΣΔ型A/D转换器

11．2A/D转换芯片举例

11．2．1ADS7842并行接口12位A/D转换器

11．2．2ADS7822 SPI接口12位A/D转换器

11．2．3ADS1013 I2C接口12位A/D转换器

11．3RP2040芯片内置的A/D及编程

11．3．1RP2040芯片内置A/D转换器

11．3．2RP2040芯片内置A/D转换器的编程

11．4数模转换

11．4．1通过脉冲宽度调制实现模数转换

11．4．2通过电阻网络实现数模转换

11．4．3数模转换器芯片DAC0830

11．4．4串行接口D/A芯片TLC5618

思考题

习题

第12章人机接口技术

12．1按键接口方法

12．1．1独立式按键

12．1．2扫描式按键

12．2LED数码管和点阵

12．2．1发光二极管的导电特性

12．2．2LED数码管

12．2．3七段数码管的驱动方法

12．2．4LED点阵显示模块

12．3液晶显示器件

12．3．1液晶显示的原理

12．3．2笔段式液晶显示器件的驱动方法