基于51與STM32單片機架構

單片機簡介

單片微型計算機簡稱單片機，簡單來說就是集CPU（運算、控制）、RAM（數(shù)據(jù)存儲-內(nèi)存）、ROM（程序存儲）、輸入輸出設備（串口、并口等）和中斷系統(tǒng)處于同一芯片的器件，在我們自己的個人電腦中，CPU、RAM、ROM、I/O這些都是單獨的芯片，然后這些芯片被安裝在一個主板上，這樣就構成了我們的PC主板，進而組裝成電腦，而單片機只是將這所有的集中在了一個芯片上而已（一個集成封裝樣式的芯片就是一臺pc，不要把那個開發(fā)板電路板也算進去）。

{這個就叫單片機}

我們先普及一個概念，單片機（即Microcontroller Unit；MCU) 里面有什么。一個人最重要的是大腦，身體的各個部分都在大腦的指揮下工作。MCU跟人體很像，簡單來說是由一個最重要的內(nèi)核加其他外設組成，內(nèi)核就相當于人的大腦，外設就如人體的各個功能器官。下面我們來簡單介紹下51單片機和STM32單片機的結構。

一、51與STM32單片機架構

1、51架構

51系統(tǒng)結構框圖

我們說的51一般是指51系列的單片機，型號有很多，常見的有STC89C51、AT89S51，其中國內(nèi)用的最多的是STC89C51/2，下面我們就以STC89C51來講解，并以51簡稱。

**1.內(nèi)核**

51單片機由一個IP核和片上外設組成，IP核（內(nèi)核）就是上圖中的 CPU，片上外設就是上圖中的：時鐘電路、SFR和RAM、ROM、定時/ 計數(shù)器、并行I/O口、串行I/O口、中斷系統(tǒng)。IP核跟外設之間由系統(tǒng)總 線連接，且是8bit的，速度有限。

51內(nèi)核是上個世紀70年代Intel公司設計的，速度只有12M，外設是IC廠商（STC）在內(nèi)核的基礎上添加的，不同的IC廠商會在內(nèi)核上添加不同的外設，從而設計出各具特色的單片機。這里Intel屬于IP核廠商，STC屬于IC廠商。我們后面要講的STM32也一樣，ARM屬于IP核廠商，ARM給ST授權，ST公司在Cortex-M3內(nèi)核的基礎上設計出STM32單片機。

2. 外設
   我們在學習51的時候，關于內(nèi)核部分接觸的比較少，使用的最多的是片上外設，我們在編程的時候操作的也就是這些外設。

編程的時候操作的寄存器位于SFR和RAM這個部分，其中SFR（特殊功能寄存器）占有 128字節(jié)（實際上只用了 26 個字節(jié)，只有 26 個寄存器，其他都屬于保留區(qū)），RAM占有 128 字節(jié)，我們在程序中定義的變量就是放在RAM中。其中SFR和RAM在地址上是重合的，都是在80~FF地址區(qū)間，但在物理區(qū)間上是分開的，所以51的RAM是有256個字節(jié)。

編寫好的程序是燒寫到ROM區(qū)。剩下的外設都是我們非常熟悉的IO口，串口、定時器、中斷這幾個外設。

【51單片機的CPU結構】

51單片機內(nèi)部有一個8位的CPU，包含運算器，控制器及若干寄存器等。

注意上圖中這個外存儲器是在cpu虛線外面

2. STM32架構

STM32系統(tǒng)結構框圖

1. 內(nèi)核

在系統(tǒng)結構上，STM32和51都屬于單片機，都是由內(nèi)核和片上外設組成。只是STM32使用的Cortex-M3內(nèi)核比51復雜得多，優(yōu)秀得多，支持的外設也比51多得多，同時總線寬度也上升到32bit，無論速度、功耗、外設都強于51。

從結構框圖上看，對比51內(nèi)核只有一種總線，取指和取數(shù)共用。Cortex-M3內(nèi)部有若干個總線接口，以使CM3能同時取址和訪內(nèi)（訪問內(nèi)存），它們是：

指令存儲區(qū)總線（兩條）、系統(tǒng)總線、私有外設總線。有兩條代碼存儲區(qū)總線負責對代碼存儲區(qū)（即FLASH外設）的訪問，分別是I-Code總線和D-Code總線。

I-Code用于取指，D-Code用于查表等操作，它們按最佳執(zhí)行速度進行優(yōu)化。

系統(tǒng)總線（System）用于訪問內(nèi)存和外設，覆蓋的區(qū)域包括SRAM，片上外設，片外RAM，片外擴展設備，以及系統(tǒng)級存儲區(qū)的部分空間。

私有外設總線負責一部分私有外設的訪問，主要就是訪問調(diào)試組件。它們也在系統(tǒng)級存儲區(qū)。

還有一個DMA總線，從字面上看，DMA是data memory access的意思，是一種連接內(nèi)核和外設的橋梁，它可以訪問外設、內(nèi)存，傳輸不受CPU的控制，并且是雙向通信。簡而言之，這個家伙就是一個速度很快的且不受老大控制的數(shù)據(jù)搬運工，這個在51里面是沒有的。

2. 外設

從結構框圖上看

， STM32比51的外設多得多，51有的串口、定時器、IO口等外設 STM32 都有。STM32還多了很多特色外設：如FSMC、SDIO、SPI、I2C等，這些外設按照速度的不同，分別掛載到AHB、APB2、APB1這三條總線上。

（隨著深亞微米工藝技術日益成熟，集成電路芯片的規(guī)模越來越大。數(shù)字IC從基于時序驅動的設計方法，發(fā)展到基于IP核復用的設計方法，并在SOC設計中得到了廣泛應用。在基于IP核復用的SoC(System on Chip的縮寫，稱為系統(tǒng)級芯片，也有稱片上系統(tǒng))設計中，片上總線設計是最關鍵的問題。為此，業(yè)界出現(xiàn)了很多片上總線標準。其中，由ARM公司推出的AMBA片上總線受到了廣大IP開發(fā)商和SoC系統(tǒng)集成者的青睞，已成為一種流行的工業(yè)標準片上結構。AMBA規(guī)范主要包括了AHB(Advanced High performance Bus)系統(tǒng)總線和APB(Advanced Peripheral Bus)外圍總線。）

（中間這段內(nèi)容我也看了一個大佬的內(nèi)容然后覺得非常精煉，與其再組織語言去描述，不如直接copy過來供大家閱讀分析）

51單片機特性

1、從內(nèi)部的硬件到軟件有一套完整的按位操作系統(tǒng)，稱作位處理器（CPU），處理對象不是字或字節(jié)而是位。不但能對片內(nèi)某些特殊功能寄存器的某位進行處理，如傳送、置位、清零、測試等，還能進行位的邏輯運算，其功能十分完備，使用起來得心應手。

2、同時在片內(nèi)RAM區(qū)間還特別開辟了一個雙重功能的地址區(qū)間，使用極為靈活，這一功能無疑給使用者提供了極大的方便，

3、乘法和除法指令，這給編程也帶來了便利。很多的八位單片機都不具備乘法功能，作乘法時還得編上一段子程序調(diào)用，十分不便。

STM32單片機特性

1、內(nèi)核：ARM32位Cortex-M3CPU，最高工作頻率72MHz，1.25DMIPS/MHz，單周期乘法和硬件除法

2、存儲器：片上集成32-512KB的Flash存儲器。6-64KB的SRAM存儲器

3、時鐘、復位和電源管理：2.0-3.6V的電源供電和I/O接口的驅動電壓。POR、PDR和可編程的電壓探測器（PVD）。4-16MHz的晶振。內(nèi)嵌出廠前調(diào)校的8MHz RC振蕩電路。內(nèi)部40 kHz的RC振蕩電路。用于CPU時鐘的PLL。帶校準用于RTC的32kHz的晶振

4、調(diào)試模式：串行調(diào)試（SWD）和JTAG接口。最多高達112個的快速I/O端口、最多多達11個定時器、最多多達13個通信接口。

二、由PC的操作系統(tǒng)、內(nèi)核聯(lián)想到MCU

操作系統(tǒng)是配置在計算機硬件上的第一層軟件,是對硬件系統(tǒng)的首次擴充。
操作系統(tǒng)定義:一組控制和管理計算機硬件和管理軟件資源,合理對各類作業(yè)進行調(diào)度,以及方便用戶使用的一組程序的集合（屬于軟件）；
一、cpu:

cpu是central process unit的簡稱，是計算機的核心處理器。cpu的作用是運行機器語言指令。高級語言和匯編語言程序被編譯成cpu能理解的機器語言（二級制代碼）后，存入到內(nèi)存中，cpu就會從內(nèi)存中讀取并執(zhí)行這些指令序列，完成程序功能。

包括控制器、寄存器、運算器、時鐘四個部分組成。

運算器是用來進行邏輯計算的，

寄存器是臨時存放中間數(shù)據(jù)以及指令的；包括程序計數(shù)器、指令寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、地址寄存器等。寄存器是匯編語言所研究的對象，匯編語言通過對寄存器的控制（寫入，讀出，加），實現(xiàn)功能。程序計數(shù)器和內(nèi)存的關系：程序計數(shù)器記錄了當前執(zhí)行的指令在內(nèi)存中年存儲的位置。

控制器是用來控制何時將內(nèi)存的數(shù)據(jù)及指令讀入寄存器，何時將寄存器中的值輸出到內(nèi)存。

時鐘是同步各個部件之間的步調(diào)；

二、內(nèi)存RAM

內(nèi)存又叫主存，與cpu的寄存器鏈接，用于將數(shù)據(jù)以及指令輸入到寄存器中；同時也可以接受寄存器的輸出。本質是作為磁盤與寄存器的中間件，起到緩沖作用。斷電后會丟失所有數(shù)據(jù)。

內(nèi)存和磁盤的關系：由于磁盤的讀寫速度與cpu相差太大，如果cpu直接從磁盤中讀取數(shù)據(jù)，會造成cpu計算能力極大的浪費。為了解決這個問題，在磁盤與cpu之間加一個內(nèi)存，將磁盤存儲的程序以及數(shù)據(jù)線讀入內(nèi)存中，cpu直接與內(nèi)存打交道。此外，由于內(nèi)存的空間比磁盤小很多，會出現(xiàn)內(nèi)存不夠用的情況，此時，會將一部分磁盤當做內(nèi)存來使用，也就是虛擬內(nèi)存。

三、磁盤ROM

存放數(shù)據(jù)的，容量比內(nèi)存大，速度慢。
斷電不會丟失數(shù)據(jù)。

四、指令

指令是控制cpu按照一定功能運算的機器碼。每一種cpu有自己的一套指令集。高級語言編寫的程序最終也要編譯成可以讓cpu理解的一條條機器指令，才能被cpu執(zhí)行。cpu除了可以計算數(shù)據(jù)以外，還可以控制硬件，方法是通過cpu寄存器與I/O端口進行數(shù)據(jù)交換。計算機中主機與外圍硬件的鏈接方式是通過I/O端口進行的（端口是用于主機寄存器與外圍設備交換數(shù)據(jù)時臨時存儲數(shù)據(jù)的寄存器）。所以，指令通過控制cpu的輸出和輸入位置，可以讓cpu寄存器向I/O端口寄存器發(fā)送數(shù)據(jù)，外圍設備通過與I/O寄存器交換數(shù)據(jù)，從而達到控制外圍設備的效果。而操作系統(tǒng)的作用是封裝一套指令序列，cpu通過執(zhí)行這套指令序列，可以讓硬件完成一系列動作。而應用程序如果需要對硬件進行操作，只需要將操作系統(tǒng)的這套指令序列復制到自己的程序中即可。復制這套指令的方式就是API（API就是操作系統(tǒng)留給應用程序的一個調(diào)用接口，應用程序通過調(diào)用操作系統(tǒng)的 API 而使操作系統(tǒng)去執(zhí)行應用程序的命令。）。從這個角度來看，操作系統(tǒng)就是封裝了控制硬件完成一系列動作的指令序列的集合，這套集合提供給應用程序以及計算機的使用者。從而達到了將人、應用程序與硬件隔離的效果。

五、操作系統(tǒng)的內(nèi)核

操作系統(tǒng)內(nèi)核（就是操作系統(tǒng)最核心最底層的一部分代碼（基礎代碼））

內(nèi)核，是一個操作系統(tǒng)的核心。它負責管理系統(tǒng)的進程、內(nèi)存、設備驅動程序、文件和網(wǎng)絡系統(tǒng)，決定著系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

“內(nèi)核”指的是一個提供硬件抽象層、磁盤及文件系統(tǒng)控制、多任務等功能的系統(tǒng)軟件。一個內(nèi)核不是一套完整的操作系統(tǒng)。一套基于Linux內(nèi)核的完整操作系統(tǒng)叫作Linux操作系統(tǒng)，或是GNU/Linux。

現(xiàn)在主流的操作系統(tǒng)內(nèi)核有四個：Unix、Linux、Windows、OS/2

其他很多各種各樣以及各個版本的系統(tǒng)都是建立在這四種內(nèi)核的基礎上的。

所以不妨大膽去想MCU是集成版PC，所以操作系統(tǒng)等控制CPU的軟件程序指令就好比你燒錄到單片機里面的程序一樣（暫時這樣理解），那么指令又是如何控制CPU呢？

cpu只能執(zhí)行所支持的指令集里的指令，不同公司的產(chǎn)品對應有自己的指令集，cpu是出廠前預先設計制造好的電路，操作系統(tǒng)/軟件程序編寫肯定是要對照著相應產(chǎn)品cpu的指令集，這樣的程序編譯后才能讓cpu執(zhí)行，也就是控制cpu；