筆者自2009年起承擔“微機原理與系統(tǒng)設(shè)計”(簡稱“微原”)課程的教學(xué)，發(fā)現(xiàn)課程教學(xué)部分內(nèi)容已不適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)的需求，所介紹的經(jīng)典微處理器8086雖然非常適合用來講解原理，但是沒有真實平臺能夠演示，使學(xué)生不能在實際應(yīng)用中感受和領(lǐng)會微機原理的奧妙。 隨著ARM系列微處理器的快速發(fā)展，基于ARM的微控器紛紛登場，不僅占領(lǐng)了大多數(shù)消費電子市場，在工業(yè)控制和專用領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用，特別是物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，使得嵌入式系統(tǒng)成為當代產(chǎn)業(yè)的“寵兒”。 作為課程負責(zé)人，筆者深知講授8086與產(chǎn)業(yè)需求差別太大，現(xiàn)在的研發(fā)項目都在使用ARM平臺，而8086僅僅是為了滿足課程需要，因此采用ARM處理器代替8086來講解微機原理勢在必行。 使用ARM處理器時面臨兩種選擇：基于ARM7內(nèi)核或Cortex-M3(簡寫為CM3)內(nèi)核的處理器。如何做出選擇呢？在構(gòu)思本書時，盡管ARM7的資料非常完善，按理說應(yīng)該是最佳選擇，但考慮到CM3是ARM公司的新產(chǎn)品，將來必定被廣泛應(yīng)用，且CM3的生態(tài)會更好；而ARM7只是一款當時流行的處理器，不久將會退出歷史舞臺。另外，CM3的構(gòu)架和指令操作相對簡單易學(xué)，特別是存儲訪問和中斷處理與8086相似；而ARM7的異常處理操作復(fù)雜且存儲訪問需要考慮字對齊，對于初學(xué)者有一定難度。經(jīng)過對比斟酌，筆者最終選擇了CM3。2010年的暑假完成了基于STM32F103的教學(xué)講義，后由于事務(wù)較多，寫寫停停，終沒有靜心完成本書。 隨著教學(xué)改革和專業(yè)認證等工作的推進，課程體系及內(nèi)容都發(fā)生了變化。目前，“微機原理”課程分為兩部分：一部分是“微處理器系統(tǒng)原理與應(yīng)用”課程，主要包括CM系列處理器組成、匯編程序設(shè)計、系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)和外設(shè)應(yīng)用等內(nèi)容；另一部分是“數(shù)字電路和邏輯設(shè)計”課程，包括總線和存儲系統(tǒng)電路等內(nèi)容以及采用數(shù)字電路實現(xiàn)簡易微控器設(shè)計。 近兩年，意法半導(dǎo)體公司中國大學(xué)計劃發(fā)起了嵌入式技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)與認證活動。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，雖然用微處理器的人很多，但能夠用好的人并不多，主要是對微處理器的原理掌握不深入，不能將原理與實際緊密融合，特別是對C語言與微處理器操作之間的關(guān)系不清楚。大家希望有一本將原理與應(yīng)用相結(jié)合所編寫的教材，讓初學(xué)者掌握原理且能夠利用原理來理解程序。筆者有幸得到了意法半導(dǎo)體公司中國大學(xué)計劃資助的教育部產(chǎn)學(xué)協(xié)同育人項目的支持，從而有機會完成本書，了卻十多年的愿望，也是對多年來課程教學(xué)改革的總結(jié)。 微機原理的重點是指令，它是連接軟件和硬件的橋梁。用指令編寫程序的實質(zhì)是用戶通過控制微處理器進行各種硬件操作。要編好程序，就要用好指令；要用好指令，則必須理解微處理器的構(gòu)架及運行機制�；�于指令的匯編程序開發(fā)在時間效率和易讀性方面的表現(xiàn)比C語言差，因此利用C語言編寫指令更便于理解硬件操作的過程。清楚了C語言的執(zhí)行過程后，一方面可以靈活運用語句提高處理器的執(zhí)行效率；另一方面可以從處理器執(zhí)行過程中發(fā)現(xiàn)軟件設(shè)計與執(zhí)行的錯誤或不足，加快軟件調(diào)試進程。 總而言之，“代碼在手中，運行在心中”。也就是說，當我看到C程序時，就能夠在腦海里浮現(xiàn)出處理器及系統(tǒng)各單元在相互協(xié)作、數(shù)據(jù)流在各單元中流出流入的宏觀場面。 本書分為七章，各章安排如下： 第一章，從數(shù)字信息處理角度引入微處理器系統(tǒng)，同時給出微處理器所用的數(shù)制表示和二進制運算的基本規(guī)則，并介紹了微處理器及系統(tǒng)的發(fā)展史。 第二章，從信息處理系統(tǒng)設(shè)計的角度，按照運算器、寄存器、控制器、指令產(chǎn)生與編碼、指令讀取與譯碼的順序漸入式勾勒出微處理器架構(gòu)和操作機制，最終給出常規(guī)微處理器的完整架構(gòu)。通過分析目前流行的Cortex-M4處理器的內(nèi)核結(jié)構(gòu)、存儲系統(tǒng)和異常處理機制，可使讀者對微處理器構(gòu)造和指令運行機制有深入的認識，以便后面更好地理解和應(yīng)用指令。 第三章，介紹了與指令及其操作相關(guān)的概念和流程，并從數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)運算、流程控制和異常處理這四個方面介紹微處理器最為通用的指令；利用圖表結(jié)合的方法分析了處理器的具體操作方法，使讀者能夠“見指令明操作，想操作知指令”；還介紹了常用的數(shù)字信號處理指令，便于從事信號處理和數(shù)據(jù)通信工作的讀者進行程序設(shè)計。 第四章，介紹了程序設(shè)計的基本方法，包括常規(guī)的變量定義、賦值、運算、分支跳轉(zhuǎn)、調(diào)用等操作，同時對程序設(shè)計流程、異常處理編程和混合編程等內(nèi)容進行了詳細描述。大部分內(nèi)容采用匯編語言和C語言兩種方式對照描述，這樣可以有效幫助讀者建立C語句與微處理器操作之間的聯(lián)系，讓讀者明白語句執(zhí)行的原理和過程，能夠從微處理器結(jié)構(gòu)角度來理解軟件的執(zhí)行。 第五章，介紹了片上微處理器系統(tǒng)的基本構(gòu)架和系統(tǒng)原理、Cortex-M4處理器的基本組成和關(guān)鍵部件、STM32F401的基本組成和典型外設(shè)原理、最為常用的中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與應(yīng)用開發(fā)，使讀者能夠掌握微處理器系統(tǒng)的典型構(gòu)架和組成以及典型外設(shè)的工作原理。 第六章，介紹了外設(shè)操作，即如何通過對外設(shè)接口中的寄存器進行讀寫來實現(xiàn)操作控制、狀態(tài)讀取、參數(shù)配置、數(shù)據(jù)收發(fā)，并穿插介紹了輪詢和中斷的應(yīng)用；以STM32F401為平臺，介紹了時鐘管理、GPIO、EXTI、定時器、USART、DMAC、ADC等常規(guī)外設(shè)的配置及應(yīng)用設(shè)計。 第七章，介紹了如何根據(jù)需求來設(shè)計和開發(fā)一個簡易的典型微控制系統(tǒng)，對電路設(shè)計、設(shè)備驅(qū)動開發(fā)、功能調(diào)試以及模擬仿真等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行了詳細描述，使讀者能夠掌握微處理器系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)方法、微控制系統(tǒng)的常規(guī)電路設(shè)計、驅(qū)動軟件設(shè)計的基本框架、硬件調(diào)試與集成等。 由于學(xué)習(xí)本書需要C語言基礎(chǔ)，因此本書在附錄中介紹了C語言程序設(shè)計入門。 為了使讀者掌握微處理器系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)，本書給出了編程和調(diào)試的基本思路、方法與應(yīng)用實例，讀者可以在相應(yīng)的平臺上進行練習(xí)，有助于提升實際動手能力。 本書由西安電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院陳彥輝、馮磊、康槿共同編著。陳彥輝編寫第一、二、三、四章，陳彥輝與馮磊合編第五章和第六章，陳彥輝與康槿合編第七章。陳彥輝負責(zé)全書的統(tǒng)稿工作。 本書在編寫過程中得到了意法半導(dǎo)體中國區(qū)微控制器市場及應(yīng)用總監(jiān)曹錦東先生、大學(xué)計劃經(jīng)理丁曉磊女士的幫助，在此表示感謝！ 由于筆者水平有限，書中難免存在不妥之處，懇請廣大讀者批評指正。 陳彥輝 2021年12月