單片機(jī)簡(jiǎn)介

單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是集CPU（運(yùn)算、控制）、RAM（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)-內(nèi)存）、ROM（程序存儲(chǔ)）、輸入輸出設(shè)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(gè)人電腦中，CPU、RAM、ROM、I/O這些都是單獨(dú)的芯片，然后這些芯片被安裝在一個(gè)主板上，這樣就構(gòu)成了我們的PC主板，進(jìn)而組裝成電腦，而單片機(jī)只是將這所有的集中在了一個(gè)芯片上而已（一個(gè)集成封裝樣式的芯片就是一臺(tái)pc，不要把那個(gè)開發(fā)板電路板也算進(jìn)去）。

{這個(gè)就叫單片機(jī)}

我們先普及一個(gè)概念，單片機(jī)（即Microcontroller Unit；MCU) 里面有什么。一個(gè)人最重要的是大腦，身體的各個(gè)部分都在大腦的指揮下工作。MCU跟人體很像，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是由一個(gè)最重要的內(nèi)核加其他外設(shè)組成，內(nèi)核就相當(dāng)于人的大腦，外設(shè)就如人體的各個(gè)功能器官。下面我們來(lái)簡(jiǎn)單介紹下51單片機(jī)和STM32單片機(jī)的結(jié)構(gòu)。

一、51與STM32單片機(jī)架構(gòu)

1、51架構(gòu)

51系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

我們說(shuō)的51一般是指51系列的單片機(jī)，型號(hào)有很多，常見的有STC89C51、AT89S51，其中國(guó)內(nèi)用的最多的是STC89C51/2，下面我們就以STC89C51來(lái)講解，并以51簡(jiǎn)稱。

**1.內(nèi)核**

51單片機(jī)由一個(gè)IP核和片上外設(shè)組成，IP核（內(nèi)核）就是上圖中的 CPU，片上外設(shè)就是上圖中的：時(shí)鐘電路、SFR和RAM、ROM、定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器、并行I/O口、串行I/O口、中斷系統(tǒng)。IP核跟外設(shè)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(gè)世紀(jì)70年代Intel公司設(shè)計(jì)的，速度只有12M，外設(shè)是IC廠商（STC）在內(nèi)核的基礎(chǔ)上添加的，不同的IC廠商會(huì)在內(nèi)核上添加不同的外設(shè)，從而設(shè)計(jì)出各具特色的單片機(jī)。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(quán)，ST公司在Cortex-M3內(nèi)核的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出STM32單片機(jī)。

2. 外設(shè)
   我們?cè)趯W(xué)習(xí)51的時(shí)候，關(guān)于內(nèi)核部分接觸的比較少，使用的最多的是片上外設(shè)，我們?cè)?a target="_blank">編程的時(shí)候操作的也就是這些外設(shè)。

編程的時(shí)候操作的寄存器位于SFR和RAM這個(gè)部分，其中SFR（特殊功能寄存器）占有 128字節(jié)（實(shí)際上只用了 26 個(gè)字節(jié)，只有 26 個(gè)寄存器，其他都屬于保留區(qū)），RAM占有 128 字節(jié)，我們?cè)诔绦蛑卸x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(gè)字節(jié)。

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

【51單片機(jī)的CPU結(jié)構(gòu)】

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

注意上圖中這個(gè)外存儲(chǔ)器是在cpu虛線外面

2. STM32架構(gòu)

STM32系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1. 內(nèi)核

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，STM32和51都屬于單片機(jī)，都是由內(nèi)核和片上外設(shè)組成。只是STM32使用的Cortex-M3內(nèi)核比51復(fù)雜得多，優(yōu)秀得多，支持的外設(shè)也比51多得多，同時(shí)總線寬度也上升到32bit，無(wú)論速度、功耗、外設(shè)都強(qiáng)于51。

從結(jié)構(gòu)框圖上看，對(duì)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(gè)總線接口，以使CM3能同時(shí)取址和訪內(nèi)（訪問(wèn)內(nèi)存），它們是：

指令存儲(chǔ)區(qū)總線（兩條）、系統(tǒng)總線、私有外設(shè)總線。有兩條代碼存儲(chǔ)區(qū)總線負(fù)責(zé)對(duì)代碼存儲(chǔ)區(qū)（即FLASH外設(shè)）的訪問(wèn)，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(jìn)行優(yōu)化。

系統(tǒng)總線（System）用于訪問(wèn)內(nèi)存和外設(shè)，覆蓋的區(qū)域包括SRAM，片上外設(shè)，片外RAM，片外擴(kuò)展設(shè)備，以及系統(tǒng)級(jí)存儲(chǔ)區(qū)的部分空間。

私有外設(shè)總線負(fù)責(zé)一部分私有外設(shè)的訪問(wèn)，主要就是訪問(wèn)調(diào)試組件。它們也在系統(tǒng)級(jí)存儲(chǔ)區(qū)。

還有一個(gè)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(shè)的橋梁，它可以訪問(wèn)外設(shè)、內(nèi)存，傳輸不受CPU的控制，并且是雙向通信。簡(jiǎn)而言之，這個(gè)家伙就是一個(gè)速度很快的且不受老大控制的數(shù)據(jù)搬運(yùn)工，這個(gè)在51里面是沒(méi)有的。

2. 外設(shè)

從結(jié)構(gòu)框圖上看

， STM32比51的外設(shè)多得多，51有的串口、定時(shí)器、IO口等外設(shè) STM32 都有。STM32還多了很多特色外設(shè)：如FSMC、SDIO、SPI、I2C等，這些外設(shè)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(shù)日益成熟，集成電路芯片的規(guī)模越來(lái)越大。數(shù)字IC從基于時(shí)序驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方法，發(fā)展到基于IP核復(fù)用的設(shè)計(jì)方法，并在SOC設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。在基于IP核復(fù)用的SoC(System on Chip的縮寫，稱為系統(tǒng)級(jí)芯片，也有稱片上系統(tǒng))設(shè)計(jì)中，片上總線設(shè)計(jì)是最關(guān)鍵的問(wèn)題。為此，業(yè)界出現(xiàn)了很多片上總線標(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)片上結(jié)構(gòu)。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(gè)大佬的內(nèi)容然后覺(jué)得非常精煉，與其再組織語(yǔ)言去描述，不如直接copy過(guò)來(lái)供大家閱讀分析）

51單片機(jī)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(duì)象不是字或字節(jié)而是位。不但能對(duì)片內(nèi)某些特殊功能寄存器的某位進(jìn)行處理，如傳送、置位、清零、測(cè)試等，還能進(jìn)行位的邏輯運(yùn)算，其功能十分完備，使用起來(lái)得心應(yīng)手。

2、同時(shí)在片內(nèi)RAM區(qū)間還特別開辟了一個(gè)雙重功能的地址區(qū)間，使用極為靈活，這一功能無(wú)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(lái)了便利。很多的八位單片機(jī)都不具備乘法功能，作乘法時(shí)還得編上一段子程序調(diào)用，十分不便。

STM32單片機(jī)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(chǔ)器：片上集成32-512KB的Flash存儲(chǔ)器。6-64KB的SRAM存儲(chǔ)器

3、時(shí)鐘、復(fù)位和電源管理：2.0-3.6V的電源供電和I/O接口的驅(qū)動(dòng)電壓。POR、PDR和可編程的電壓探測(cè)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(shí)鐘的PLL。帶校準(zhǔn)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(dá)112個(gè)的快速I/O端口、最多多達(dá)11個(gè)定時(shí)器、最多多達(dá)13個(gè)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(jì)算機(jī)硬件上的第一層軟件,是對(duì)硬件系統(tǒng)的首次擴(kuò)充。
操作系統(tǒng)定義:一組控制和管理計(jì)算機(jī)硬件和管理軟件資源,合理對(duì)各類作業(yè)進(jìn)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(jiǎn)稱，是計(jì)算機(jī)的核心處理器。cpu的作用是運(yùn)行機(jī)器語(yǔ)言指令。高級(jí)語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言程序被編譯成cpu能理解的機(jī)器語(yǔ)言（二級(jí)制代碼）后，存入到內(nèi)存中，cpu就會(huì)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(yùn)算器、時(shí)鐘四個(gè)部分組成。

運(yùn)算器是用來(lái)進(jìn)行邏輯計(jì)算的，

寄存器是臨時(shí)存放中間數(shù)據(jù)以及指令的；包括程序計(jì)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(yǔ)言所研究的對(duì)象，匯編語(yǔ)言通過(guò)對(duì)寄存器的控制（寫入，讀出，加），實(shí)現(xiàn)功能。程序計(jì)數(shù)器和內(nèi)存的關(guān)系：程序計(jì)數(shù)器記錄了當(dāng)前執(zhí)行的指令在內(nèi)存中年存儲(chǔ)的位置。

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

時(shí)鐘是同步各個(gè)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(shí)也可以接受寄存器的輸出。本質(zhì)是作為磁盤與寄存器的中間件，起到緩沖作用。斷電后會(huì)丟失所有數(shù)據(jù)。

內(nèi)存和磁盤的關(guān)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(huì)造成cpu計(jì)算能力極大的浪費(fèi)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在磁盤與cpu之間加一個(gè)內(nèi)存，將磁盤存儲(chǔ)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(huì)出現(xiàn)內(nèi)存不夠用的情況，此時(shí)，會(huì)將一部分磁盤當(dāng)做內(nèi)存來(lái)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(huì)丟失數(shù)據(jù)。

四、指令

指令是控制cpu按照一定功能運(yùn)算的機(jī)器碼。每一種cpu有自己的一套指令集。高級(jí)語(yǔ)言編寫的程序最終也要編譯成可以讓cpu理解的一條條機(jī)器指令，才能被cpu執(zhí)行。cpu除了可以計(jì)算數(shù)據(jù)以外，還可以控制硬件，方法是通過(guò)cpu寄存器與I/O端口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。計(jì)算機(jī)中主機(jī)與外圍硬件的鏈接方式是通過(guò)I/O端口進(jìn)行的（端口是用于主機(jī)寄存器與外圍設(shè)備交換數(shù)據(jù)時(shí)臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的寄存器）。所以，指令通過(guò)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(shè)備通過(guò)與I/O寄存器交換數(shù)據(jù)，從而達(dá)到控制外圍設(shè)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(guò)執(zhí)行這套指令序列，可以讓硬件完成一系列動(dòng)作。而應(yīng)用程序如果需要對(duì)硬件進(jìn)行操作，只需要將操作系統(tǒng)的這套指令序列復(fù)制到自己的程序中即可。復(fù)制這套指令的方式就是API（API就是操作系統(tǒng)留給應(yīng)用程序的一個(gè)調(diào)用接口，應(yīng)用程序通過(guò)調(diào)用操作系統(tǒng)的 API 而使操作系統(tǒng)去執(zhí)行應(yīng)用程序的命令。）。從這個(gè)角度來(lái)看，操作系統(tǒng)就是封裝了控制硬件完成一系列動(dòng)作的指令序列的集合，這套集合提供給應(yīng)用程序以及計(jì)算機(jī)的使用者。從而達(dá)到了將人、應(yīng)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(chǔ)代碼））

內(nèi)核，是一個(gè)操作系統(tǒng)的核心。它負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的進(jìn)程、內(nèi)存、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、文件和網(wǎng)絡(luò)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(gè)提供硬件抽象層、磁盤及文件系統(tǒng)控制、多任務(wù)等功能的系統(tǒng)軟件。一個(gè)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(gè)：Unix、Linux、Windows、OS/2

其他很多各種各樣以及各個(gè)版本的系統(tǒng)都是建立在這四種內(nèi)核的基礎(chǔ)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(jī)里面的程序一樣（暫時(shí)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(duì)應(yīng)有自己的指令集，cpu是出廠前預(yù)先設(shè)計(jì)制造好的電路，操作系統(tǒng)/軟件程序編寫肯定是要對(duì)照著相應(yīng)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；