代码收藏家技术教程 2025-02-23

单片机原理学习

关联UART、SFR(special function register）硬件外设寄存器、单片机RAM的存储、GPIO时钟源、外部中断、HSE、MCO（外部输出时钟引脚）

UART它作为单片机的一个硬件模块，与主处理器（CPU）协同工作，帮助完成数据通信任务。因此，它是一个外设，而不是处理器的一部分。

UART 通常是通过 APB（Advanced Peripheral Bus） 总线与 MCU 内部的时钟进行连接的。

定时器 用于产生周期性的时间中断，使得单片机可以执行定时任务。

一.SFR寄存器

SFR 是 特殊功能寄存器（Special Function Register）的缩写，在微控制器（如 8051、STM32 等）中，SFR 是指一些 控制外设 或 处理器功能 的寄存器

这些寄存器通常用于直接与硬件交互，并且它们通常具有特殊的功能和操作方式。SFR 是微控制器中的 内存映射寄存器，用于配置和控制外部硬件组件，如定时器、串口、GPIO 等。

常见的 SFR 功能：

控制硬件外设：例如，控制 GPIO 引脚 的输入输出模式、状态，控制 定时器 的启停和计时周期，控制 UART 串行通信等。

状态读取：从 SFR 中可以读取硬件外设的状态，比如 中断标志位，定时器溢出状态，外部输入引脚的电平等。

中断控制：一些 SFR 用于控制中断的启用、禁用，以及读取中断标志位。

SFR 寄存器的存储位置

SFR 寄存器位于特殊的寄存器区，并不是存储在 RAM 或 Flash 中。

在 大多数微控制器架构 中，SFR 是直接映射到 内存地址空间中的特定区域，而这一区域是专门为 硬件外设控制和配置 而设计的。这些寄存器并不占用 RAM 的空间，也不会被存储在 Flash 中。它们是通过 CPU 直接访问的特殊内存区域。

SFR：是 硬件外设寄存器，每个外设控制器（如 UART、ADC、GPIO）都通过一组 SFR 来配置和控制

SFR 寄存器的例子

GPIO 控制寄存器：用于配置 GPIO 引脚的方向、状态（高/低）、中断等。

定时器控制寄存器：用于配置定时器的工作模式、计数器值等。

串口控制寄存器：用于配置 UART、USART 等外设的工作状态。

二.单片机RAM存储哪些东西

1. 程序栈（Stack）

栈是用于存储函数调用信息的区域，包括返回地址、局部变量、保存的寄存器等。每当一个函数被调用时，相关的数据就会被压入栈中，函数返回时则会从栈中弹出。

栈指针（SP） 通常会指向栈的顶部，随着函数调用和返回，栈指针会向下或向上移动。

2. 全局变量和静态变量

全局变量 是在程序的任何地方都可以访问的数据。它们在 RAM 中的地址是固定的，通常从程序开始运行时分配，并保持到程序结束。

静态变量（包括 static 关键字声明的变量）虽然作用域通常在局部，但它们的生命周期与程序运行周期相同，因此也存储在 RAM 中。

在 ARM Cortex-M 系列单片机 中，程序的启动地址和中断向量表等通常会存储在 FLASH 中。CPU 会首先执行 初始化代码，然后根据中断向量表来设置中断。

有些单片机在执行时会把中断向量表从 FLASH 中加载到 RAM 中，以便更高效地响应中断。

3. 局部变量

当一个函数被调用时，它的 局部变量 会存储在栈中。局部变量的生命周期仅限于函数执行期间，函数返回后，局部变量的空间会被回收。

在嵌套函数调用的过程中，多个函数的局部变量会被压入栈中，直到函数返回

4. 缓冲区和临时数据

缓冲区：例如用于存储接收到的串口数据、接收的数据包、传感器的读取数据等。这些数据通常需要在 RAM 中暂存，直到它们被处理或传输到其他设备。

临时数据：程序在执行期间需要的临时数据（如计算结果、临时数组等），也存储在 RAM 中。

5. 堆区（Heap）

堆区用于动态内存分配，通常由程序员手动管理（例如使用 malloc、free 或者其他内存管理函数）。

堆区在运行时进行内存分配和释放，通常用于存储不确定大小的动态数据结构（如链表、树等）。

6. 中断服务程序的上下文

当外设产生中断时，CPU 会中断当前执行的程序，并跳转到相应的 中断服务程序（ISR）。在此过程中，当前程序的上下文（如寄存器的值、程序计数器等）会被保存到栈中。

中断处理完成后，程序会从栈中恢复之前的上下文，继续执行原来的任务。

7. I/O 寄存器和标志位

单片机的 I/O 寄存器（如 GPIO、定时器控制寄存器等）通常位于 SFR 区域，但是一些较复杂的内存系统也会将 I/O 状态和标志位存储在 RAM 中。这些存储的数据用于保存与外部设备的交互状态。

8. 缓存数据

某些单片机支持缓存（Cache），用来提高数据访问速度。缓存可能会存储程序中频繁访问的数据，减少对较慢存储器的访问。

9. 实时数据和操作状态

单片机的 实时数据（例如传感器测量的值、外部设备的状态、控制标志等）会存储在 RAM 中，用于随时更新和操作。

操作系统或中断处理程序也会在 RAM 中保存设备的状态和控制信息。

10. DMA（直接内存访问）缓冲区

如果单片机支持 DMA，则数据传输过程中的缓冲区通常会存储在 RAM 中，DMA 控制器直接与 RAM 进行数据交换。

三.GPIO 时钟来源

GPIO 引脚的时钟通常由微控制器的 系统时钟 或 外设时钟 供给。

大部分微控制器会将 GPIO 模块的时钟信号 独立管理，因此你需要 显式地使能 GPIO 的时钟才能操作 GPIO 引脚。在 STM32 等 MCU 中，通常需要通过时钟控制寄存器来 打开 GPIO 时钟。

例如，在 STM32 系列中，GPIO 引脚的时钟由 RCC（Reset and Clock Control）模块管理。每个 GPIO 端口（如 GPIOA、GPIOB 等）都有一个独立的时钟源，你必须在配置 GPIO 引脚之前，先确保相应的时钟已被启用。

如何使能 GPIO 时钟

通常，通过访问 RCC 寄存器来使能 GPIO 时钟。例如，STM32 的代码中，时钟使能通常使用类似如下的语法：

RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);

在这行代码中，RCC_AHB1Periph_GPIOA 是控制 GPIOA 时钟的标志，RCC_AHB1PeriphClockCmd 函数用于使能或禁用该时钟。

GPIO 的时钟源

GPIO 引脚的时钟通常来自微控制器的 AHB 或 APB 总线时钟：

AHB 总线时钟：适用于高性能外设，通常是系统主时钟的一个倍频。

APB 总线时钟：适用于较低性能的外设，如定时器、UART、I2C 等。

外部中断时钟

如果 GPIO 引脚被配置为 外部中断模式，例如响应外部触发信号（如按键、传感器等），那么它需要依赖 外部中断控制器（例如 STM32 的 EXTI）以及 外部中断时钟。这些时钟信号也通常由微控制器的时钟系统提供。

例如，STM32 中的外部中断系统需要时钟支持：

// 使能外部中断控制器时钟 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SYSCFG, ENABLE);

外部中断时钟指的是单片机内部用于处理外部中断的时钟信号。虽然外部中断通常是由外部信号触发的，但中断的处理、调度和响应是由单片机内部的时钟来管理的。中断处理的时钟信号一般包括以下几个部分：

外部中断时钟源：有些微控制器允许外部信号直接驱动一个独立的时钟输入，用于外部中断处理。在这种情况下，时钟信号通常来自 外部时钟源（例如，外部晶振或时钟发生器）。

内部时钟分配：即使外部中断源来自外部事件，外部中断的响应处理仍然是由 内部时钟系统 控制的。微控制器的中断控制器（如 NVIC）会在内部时钟的节奏下处理和分发外部中断。时钟的节奏决定了外部中断的触发和响应延迟。

具体实现

在一些具体的微控制器中，如 STM32、AVR、PIC 等，外部中断通常由如下几个模块配合时钟系统共同实现：

外部中断引脚（如 GPIO）：负责接收外部事件信号。

中断控制器：如 STM32 的 EXTI 模块或 AVR 的 EIC，负责管理和触发外部中断。

时钟分配与同步模块：如 STM32 中的 RCC 和 PLL，负责为外部中断模块提供合适的时钟源。

外部中断时钟源是指在微控制器（MCU）中用来处理外部中断的时钟信号来源。

许多微控制器允许使用外部时钟信号作为外部中断的时钟源。在这种情况下，外部设备（如外部时钟发生器或信号源）提供时钟信号，MCU通过专门的引脚将时钟信号输入到系统中。

HSE（High-Speed External）引脚的作用就是允许外部时钟源输入到系统中

时钟源的连接：

你可以将一个 MCU 的时钟输出连接到另一个 MCU 的 HSE 引脚，用作该 MCU 的时钟源。这样，第二个 MCU 就可以利用第一个 MCU 的时钟信号来同步其工作。

一些微控制器支持将内部时钟信号输出到其引脚上。例如，某些 MCU 配备了专门的时钟输出引脚（如 MCO，Microcontroller Clock Output）。这个引脚可以输出当前 MCU 的系统时钟或经过 PLL 处理后的时钟。

作者：q2380957683

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