本書根據微處理器的最新發(fā)展，選擇Arm內核作為教學藍本，以簡捷、透明見底、可實踐的方式闡述微型計算機系統(tǒng)的基本原理，介紹微型計算機的基本結構、信息表示、硬件系統(tǒng)、指令系統(tǒng)、匯編語言框架和匯編程序設計方法，講解微型計算機的存儲器、串行通信接口、中斷系統(tǒng)、定時器、模數(shù)與數(shù)模轉換等。全書以全新的視角思考微機原理的教學，具有較強的理論性與實踐性。本書配套給出了AHL-MCP微機原理實踐平臺與集成開發(fā)環(huán)境AHL-GEC-IDE，并有詳細的實驗指導。 本書提供了教學資源，內含所有源程序、輔助閱讀資料、PPT課件、視頻導引、開發(fā)環(huán)境下載導引、文檔資料及常用軟件工具等。教學資源下載請加入QQ群（微機原理—Arm)：901549485。教師參考資料可通過人郵教育社區(qū)獲得。
（1）以Arm微處理器為藍本，以簡捷、可實踐、透明見底的方式闡述微型計算機運行原理。 （2）以構件為基礎的匯編語言設計，以全新的視角思考微機原理的教學。 （3）簡明易用的集成開發(fā)環(huán)境及實驗套件，豐富的程序實例及教學資源。本書作者構建了通用嵌入式計算機GEC，結合軟件工程的基本原理，形成了AHL-MCP微機原理實踐平臺，給出可移植、可復用工程模板，讀者可以“照葫蘆畫瓢”地進行微機原理學習與實踐。
王宜懷，博士，蘇州大學計算機科學與技術學院教授、博士生導師；蘇州大學嵌入式系統(tǒng)與物聯(lián)網研究所所長；蘇州市政協(xié)常委；江蘇省計算機學會嵌入式系統(tǒng)與物聯(lián)網專業(yè)委員會主任。長期從事嵌入式系統(tǒng)、實時操作系統(tǒng)、微型計算機原理、物聯(lián)網應用技術等方面的課程教學。主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)與物聯(lián)網、嵌入式人工智能系統(tǒng)。
第 1章 微型計算機基本結構及信息表示.............2
1.1 微型計算機概述...............................2
1.1.1 初識微型計算機 ............................2
1.1.2 微型計算機發(fā)展簡史..................3
1.1.3 微型計算機的馮·諾依曼結構框圖............ 4
1.1.4 微型計算機中的三總線............5
1.1.5 計算機執(zhí)行指令的簡明過程 .....................7
1.2 微機原理的實踐選型............................7
1.2.1 微機原理實踐選型的困惑.......8
1.2.2 微機原理實踐選型的基本原則 ...................8
1.2.3 AHL-MCP 微機原理實踐平臺概述.........................9
1.3 數(shù)制及數(shù)制之間的轉換方法.......10
1.3.1 數(shù)制....................................................10
1.3.2 數(shù)制之間的轉換方法...............12
1.4 計算機中信息的基本表示方式..................................14
1.4.1 計算機中信息表示的相關基本概念.......... 14
1.4.2 整數(shù)在計算機中的補碼表示方法...................15
1.4.3 實數(shù)在計算機中的浮點數(shù)表示方法 ..............19
1.5 文字在計算機中的存儲方式——字符編碼....................20
1.5.1 英文編碼—ASCII.....................21
1.5.2 中文編碼—GB2312 及 GBK....................22
1.6 習題.....................23
第 2章 微型計算機的硬件系統(tǒng).....25
2.1 微型計算機的硬件共性結構及基本性能指標................26
2.1.1 微型計算機的硬件共性結構..................26
2.1.2 微型計算機基本性能指標....27
2.2 Arm Cortex-M 微處理器概述...............28
2.2.1 Arm Cortex 系列微處理器系列概述 ..........28
2.2.2 Arm Cortex-M4 微處理器..............................29
2.3 CPU 內部寄存器與存儲器映像............................31
2.3.1 寄存器基礎知識及相關基本概念.........31
2.3.2 Arm Cortex-M4 內部寄存器.................32
2.3.3 Arm Cortex-M4 存儲器映像 ....................36
2.4 Arm Cortex-M4 內核的微型計算機芯片實例.........37
2.4.1 STM32L4 系列 MCU 簡介...................37
2.4.2 STM32L4 存儲映像與中斷源..................37
2.4.3 STM32L4 的引腳功能...........41
2.4.4 STM32L4 硬件最小系統(tǒng)原理圖....................42
2.5 由 STM32L431 構建的通用嵌入式計算機..........45
2.6 習題.........................49
第3章 指令系統(tǒng)........................51
3.1 指令保留字與尋址方式...................52
3.1.1 指令保留字簡表 .........................52
3.1.2 尋址方式..........................................53
3.2 基本指令系統(tǒng)..........................................54
3.2.1 數(shù)據傳送類指令 .........................54
3.2.2 數(shù)據操作類指令..........................57
3.2.3 跳轉控制類指令..........................60
3.2.4 其他基本指令...............................61
3.3 指令集與機器碼對應表..................62
3.4 GUN 匯編器的基本語法.............65
3.4.1 匯編語言概述...............................65
3.4.2 GUN 匯編書寫格式..................65
3.4.3 GUN 匯編常用偽指令............67
3.5 習題.........................70
第4章 匯編語言框架...............71
4.1 初識程序運行....................72
4.2 匯編工程框架及執(zhí)行工程分析.........................79
4.2.1 匯編工程框架的基本內容....79
4.2.2 鏈接腳本文件的作用...............81
4.2.3 機器碼解析............82
4.2.4 執(zhí)行過程分析..............83
4.3 認識工程框架中的 GPIO 構件...........84
4.3.1 通常 I/O 接口基本概念及連接方法 .............84
4.3.2 GPIO 構件知識要素分析 .....86
4.3.3 GPIO 構件的使用方法...........87
4.4 實驗一：理解匯編程序框架及運行.................88
4.5 習題..............................90
第5章 基于構件的匯編程序設計方法..............................93
5.1 構件及其設計方法...............................94
5.1.1 軟件構件基本概念....................94
5.1.2 構件設計基本原則....................95
5.1.3 三類構件..........................................96
5.1.4 基于構件的軟件設計步驟....97
5.2 程序流程控制..........................................98
5.2.1 順序結構..........................................98
5.2.2 分支結構...................................... 100
5.2.3 循環(huán)結構.......................................102
5.3 匯編程序設計實例...........................105
5.3.1 數(shù)制轉換程序設計.................105
5.3.2 冒泡排序程序設計.................110
5.4 實驗二：基于構件方法的匯編程序設計...........114
5.5 習題..................................115
第6章 存儲器....................117
6.1 存儲器的功能與分類......................118
6.1.1 按存儲介質分類......................118
6.1.2 按功能分類.................................118
6.1.3 按存取方式分類 ......................119
6.2 隨機存儲器與只讀存儲器.........119
6.2.1 RAM..............................................119
6.2.2 ROM...............................................121
6.3 SD 卡與高速緩存............................122
6.3.1 SD 卡..............................................122
6.3.2 高速緩存.......................................124
6.4 Flash 存儲器.....................................128
6.4.1 Flash 在線編程的通用基礎知識 .....................128
6.4.2 Flash 驅動構件知識要素分析....................128
6.4.3 Flash 驅動構件的使用方法.....................129
6.5 存儲器實驗設計舉例.....................131
6.6 實驗三：存儲器實驗.....................135
6.7 習題.............................136
第7章 串行通信接口..................137
7.1 串行通信的基礎知識......................138
7.1.1 串行通信的基本概念............138
7.1.2 串行通信編程模型.................139
7.1.3 RS232、RS485 總線標準................ 140
7.1.4 TTL 電平到 RS232 電平轉換電路 ..................141
7.2 UART 驅動構件及使用方法...............................142
7.2.1 UART 驅動構件要素分析..................142
7.2.2 UART 驅動構件使用方法................143
7.3 串行通信的編程舉例.....................145
7.3.1 例 1：發(fā)送和接收一個字節(jié)的數(shù)據...........145
7.3.2 例 2：發(fā)送和接收一幀數(shù)據..................147
7.4 實驗四：基于串行通信構件的匯編程序設計............151
7.5 習題..............................153
第8章 中斷系統(tǒng)及定時器...................155
8.1 中斷系統(tǒng)........................156
8.1.1 中斷的基本概念 ......................156
8.1.2 中斷處理的基本過程............158
8.1.3 Arm Cortex-M4F 非內核模塊中斷..........158
8.2 定時器.........................................................160
8.2.1 定時器的基本含義.................160
8.2.2 Arm Cortex-M4F 內核定時器 ..............161
8.3 基于定時器的中斷編程舉例...164
8.4 實驗五：理解中斷與定時器.......................168
8.5 習題.............................169
第9章 模數(shù)轉換與數(shù)模轉換........171
9.1 模數(shù)轉換器的基礎知識................172
9.1.1 與 AD 轉換編程直接相關的基本概念......................172
9.1.2 與 AD 轉換編程關聯(lián)度較弱的基本概念......................174
9.1.3 最簡單的 AD 轉換采樣電路舉例 ...................175
9.2 ADC 驅動構件及使用方法.....176
9.2.1 ADC 驅動構件要素分析....176
9.2.2 ADC 驅動構件使用方法....178
9.2.3 ADC 驅動構件使用舉例....179
9.3 數(shù)模轉換...................181
9.3.1 DAC 的通用基本結構.........181
9.3.2 DAC 的主要技術指標.........182
9.4 DAC 驅動構件及使用方法要素分析...................183
9.4.1 DAC 驅動構件要素分析....183
9.4.2 DAC 驅動構件使用方法....184
9.4.3 DAC 驅動構件使用舉例....184
9.5 實驗六：AD 轉換模塊實驗....186
9.6 習題................................188
第 10章 直接存儲器存取DMA..............................189
10.1 DMA 的基本概念.........................190
10.1.1 DMA 的含義..........................190
10.1.2 DMA 控制器..........................190
10.2 DMA 的一般操作流程............190
10.3 DMA 構件頭文件及使用方法...................191
10.4 DMA 驅動構件要素分析......193
10.5 DMA 驅動構件的使用方法...........................193
10.6 實驗七：通過 DMA 實現(xiàn)內存間數(shù)據的搬運...............194
10.7 習題...............................194
第 11章 外接組件綜合實踐...................195
11.1 開關量輸出類實踐..........................196
11.1.1 彩燈..............................................196
11.1.2 蜂鳴器.........................................198
11.1.3 馬達..............................................202
11.1.4 LED..............................................205
11.2 開關量輸入類實踐.........................208
11.2.1 紅外尋跡傳感器....................208
11.2.2 人體紅外傳感器....................211
11.2.3 按鈕..............................................214
11.3 聲音與加速度傳感器實踐.......220
11.3.1 聲音傳感器..............................220
11.3.2 加速度傳感器.........................223
11.4 習題............................226
第 12章 通用計算機的基本結構及啟動過程......................227
12.1 PC 系統(tǒng)的基本結構....................228
12.1.1 PC 的基本硬件組成 ...........228
12.1.2 USB 設備..................................231
12.2 PC 系統(tǒng)的啟動流程...................233
12.2.1 啟動固件....................................233
12.2.2 PC 系統(tǒng)中的硬盤.................236
12.2.3 從固件到硬盤的啟動流程 .....................241
12.3 PC 的操作系統(tǒng)...............................242
12.4 習題..............................................245
第 13章 微型計算機的發(fā)展方向............................247
13.1 CPU 的結構與速度....................248
13.1.1 通用計算機..............................248
13.1.2 嵌入式計算機.........................249
13.2 存儲器的容量與速度..................249
13.2.1 磁存儲器....................................250
13.2.2 阻變存儲器..............................250
13.2.3 相變存儲器..............................251
13.3 指令系統(tǒng)的發(fā)展方向..................252
13.4 編譯技術的發(fā)展..............................253
13.4.1 并行編譯技術.........................253
13.4.2 交叉編譯技術.........................253
13.4.3 動態(tài)編譯技術.........................253
13.5 微型計算機其他新技術............254
13.5.1 納米計算機..............................254
13.5.2 激光計算機..............................254
13.5.3 量子計算機..............................254
13.6 習題................................255
附錄 A： AHL-MCP 微機原理實踐平臺硬件資源...........257
A.1 概述........................................258
A.2 電子資源內容列表..........................258
A.3 硬件清單..................................................258
A.4 實驗列表..................................................259
A.5 硬件快速測試方法..........................260
附錄 B： AHL-GEC-IDE 安裝及基本使用指南..................261
B.1 安裝 AHL-GEC-IDE 集成開發(fā)環(huán)境.......................262
B.2 編譯下載運行第 一個程序.........264
B.3 外接軟件功能的使用方法........265
B.4 常見錯誤及解決方法....................267
B.5 卸載 AHL-GEC-IDE 集成開發(fā)環(huán)境.....................272
B.6 技術咨詢......................................273
附錄 C： 串行通信構件設計方法......................275
C.1 UART 模塊編程結構..................276
C.2 UART 驅動構件匯編語言源碼...........................278
C.3 UART 驅動構件 C 語言源碼..........................282
參考文獻...........................288
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