原创《微处理器原理与接口技术》- 关于树莓派PICO2040的原理说明

 2024-5-17 14:23  380 4 4 分类: FPGA/CPLD

前几天得到了论坛管理员的消息说自己获得了《微处理器原理与接口技术》的试用的机会，非常感谢论坛能够给我这次机会，我将从书籍整体的结构，以及自己使用2040的经验来和大家做分享。

“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人学习计算机系统的重要环节。本书就是为该课撰写的一本教材,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Inte8086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1ntel8051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CMO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,其外设设计典型面不过于复杂,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人输出GPIO、通用串行通信UART,串行互连总线FC.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,尤其是详缅介绍了触摸按键,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,辑络清晰,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,从历史发展络和逻辑系统脉络逐渐引人计算机系统和嵌人式系统;第2章是处理器理,先从数字编码与计算等基础知识引人,这部分和数字电路相衔接,然后讲述CPU的组成和原理、ARMCorex-MO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ARMCortex-Mo系统力求让学生理解异常和中断的念,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申行总线C和SP1;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章介绍了嵌人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5一13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。

这里再对这个本书做总结：

本书从ARM的基本原理开始讲述，再从基础的汇编语言的设计以及中断函数中断异常处理的方面进行深入，在配合PICO2040这个款芯片进行具体的分析，从电路结构，总线结构，外设单元、通信单元的方面进行具体说明和讲解，最后根据芯片适配的RTOS作为文章的结尾，深入浅出的讲解了我们的PICO的基础以及外设的应用，最后上升到操作系统，对整个书籍做了总结和升华，带领大家进入PICO2040的世界。