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第1章 嵌入式系统导论1

1.1 嵌入式系统——从部件到系统的集成1

1.1.1 什么是嵌入式系统1

1.1.2 嵌入式系统——从部件到系统的集成2

1.2 计算的基本原理和历史演变4

1.2.1 计算的概念——从数值计算到通用信息处理和智能计算4

1.2.2 计算的基本模型：图灵机理论模型5

1.2.3 计算的发展规律7

1.3 计算机的基本原理和历史演变8

1.3.1 计算机的诞生8

1.3.2 计算机的发展9

1.3.3 面向嵌入式应用的架构改进12

1.4 嵌入式系统的历史沿革14

1.5 ARM，Cortex和STM32简介15

1.5.1 ARM系列内核15

1.5.2 Cortex系列内核19

1.5.3 STM32F103系列微控制器20

1.6 嵌入式系统工程设计与开发23

1.6.1 需求分析23

1.6.2 架构和概要设计24

1.6.3 详细设计与开发25

1.6.4 测试反馈25

1.7 本课程学习内容和目标26

习题26

第2章 Cortex-M3微处理器27

2.1 Cortex-M3微处理器内核27

2.1.1 内核体系结构28

2.1.2 系统总线结构30

2.1.3 寄存器32

2.1.4 存储器管理37

2.1.5 工作模态50

2.1.6 异常与中断52

2.1.7 堆栈67

2.1.8 CoreSight调试与跟踪系统69

2.1.9 Cortex-M3内核的其他特性72

2.2 指令系统75

2.2.1 Thumb-2指令分类77

2.2.2 统一汇编语言78

2.2.3 16-bit Thumb-2指令集编码格式79

2.2.4 32-bit Thumb-2指令集编码格式85

2.2.5 条件执行96

2.2.6 未定义及不可预测指令98

2.2.7 寄存器域编码0b1111的用途99

2.2.8 寄存器域编码0b1101的用途100

2.2.9 Cortex-M3常用的Thumb-2指令101

2.2.10 Thumb-2指令与ARM体系架构下的指令比较116

2.2.11 基于Cortex-M3的Thumb-2指令集120

习题131

第3章 STM32基础及最小系统设计132

3.1 从Cortex-M3到STM32F103132

3.1.1 微处理器、微控制器和系统132

3.1.2 STM32F103微控制器133

3.2 存储器与总线架构141

3.2.1 存储子系统基本构架141

3.2.2 存储器映像142

3.2.3 位带绑定（Bit-Banding）146

3.2.4 嵌入式闪存147

3.2.5 寄存器说明157

3.2.6 启动配置160

3.2.7 应用实例161

3.3 中断和事件163

3.3.1 嵌套向量中断控制器（NVIC）及其特性164

3.3.2 外部中断／事件控制器（EXTI）167

3.3.3 中断寄存器描述168

3.3.4 应用实例171

3.4 STM32F103x的时钟系统175

3.5 基于STM32的最小系统参考设计176

习题180

第4章 DMA控制器181

4.1 主要特性181

4.2 功能描述182

4.2.1 DMA处理184

4.2.2 仲裁器184

4.2.3 DMA通道185

4.2.4 可编程的数据传输宽度、对齐方式和数据大小端187

4.2.5 错误管理189

4.2.6 DMA请求映像189

4.3 DMA寄存器190

4.4 DMA应用实例194

习题198

第5章 通用和复用功能I/O模块199

5.1 GPIO功能描述199

5.1.1 通用目标I/O（GPIO）200

5.1.2 原子位设置或位清除201

5.1.3 外部中断／唤醒线201

5.1.4 复用功能（AF）201

5.1.5 I/O复用功能的软件重新映射202

5.1.6 GPIO锁定机制202

5.1.7 输入配置与输出配置202

5.1.8 复用功能配置203

5.1.9 模拟输入配置204

5.2 GPIO寄存器描述205

5.3 复用功能I/O和调试配置（AFIO）208

5.3.1 引脚功能选择208

5.3.2 BXCAN复用功能重映射208

5.3.3 JTAG/SWD复用功能重映射209

5.3.4 定时器复用功能重映射210

5.3.5 USART复用功能重映射211

5.3.6 12C复用功能重映射212

5.3.7 SPI复用功能重映射212

5.4 AFIO寄存器描述212

5.5 GPIO和AFIO寄存器地址映像217

5.5.1 GPIO寄存器地址映像217

5.5.2 AFIO寄存器地址映像218

5.6 应用实例218

习题220

第6章 定时器原理与应用221

6.1 定时／计数器的基本原理与实现方法221

6.1.1 完全硬件实现221

6.1.2 纯软件方式222

6.1.3 微控制器中的可编程定时／计数器222

6.2 STM32高级定时／计数器223

6.2.1 STM32高级定时器的主要特点223

6.2.2 高级定时器概述224

6.3 STM32高级定时器寄存器描述225

6.4 STM32高级定时器工作原理及应用242

6.4.1 定时器的时基信号242

6.4.2 重复计数器248

6.4.3 定时器定时应用实例249

6.4.4 输入捕获250

6.4.5 输出比较模式251

6.4.6 STM32高级定时器捕获／比较应用实例255

6.4.7 STM32高级定时器触发工作模式259

习题261

第7章 STM32的USART模块262

7.1 串行通信概述262

7.2 串行通信的基本原理262

7.2.1 USART的扩展——RS232C接口和标准262

7.2.2 RS232C的连接264

7.2.3 流控和握手265

7.2.4 组帧和分帧266

7.2.5 错误检测和CRC校验266

7.2.6 RS485267

7.3 STM32F103的串行通信模块267

7.3.1 基本结构和连接268

7.3.2 单字节传输269

7.3.3 分频设置和波特率选择270

7.3.4 基于RTS和CTS硬件握手协议的流控过程271

7.3.5 常用全双工异步通信的发送配置273

7.3.6 全双工异步通信的接收配置274

7.3.7 关于传输错误275

7.3.8 多处理器通信276

7.3.9 校验控制276

7.3.10 LIN模式276

7.3.11 USART同步模式276

7.3.12 单线半双工通信277

7.3.13 智能卡277

7.3.14 IrDA SIR ENDEC功能块278

7.3.15 利用DMA实现连续通信279

7.3.16 中断请求280

7.4 USART寄存器描述281

7.5 USART应用实例分析289

习题292

第8章 STM32的SPI模块293

8.1 串行外设接口概述293

8.2 串行外设接口SPI的基本原理294

8.2.1 主从式连接架构294

8.2.2 接口信号线介绍295

8.2.3 数据传输的时序模式296

8.2.4 多个从机的连接297

8.3 STM32F103的串行外设接口模块297

8.3.1 基本结构和连接298

8.3.2 时钟信号的相位和极性299

8.3.3 数据帧格式300

8.3.4 SPI从模式300

8.3.5 SPI主模式301

8.3.6 状态标志302

8.3.7 CRC计算302

8.3.8 利用DMA的SPI通信303

8.3.9 错误标志303

8.3.10 中断304

8.4 SPI寄存器描述304

8.5 SPI应用实例分析309

习题314

第9章 I2C总线原理及其应用315

9.1 I2C总线概述315

9.1.1 I2C总线特点315

9.1.2 I2C总线标准的发展历史316

9.1.3 I2C总线术语316

9.2 I2C总线原理317

9.2.1 I2C硬件构成317

9.2.2 位传输318

9.2.3 数据传输格式319

9.3 STM32 I2C模块原理322

9.3.1 STM32 I2C模块特点322

9.3.2 I2C寄存器描述323

9.3.3 STM32 I2C模块的通信实现333

9.4 STM32 I2C扩展EEPROM应用338

9.4.1 概述339

9.4.2 管脚描述339

9.4.3 串行EEPROM芯片的寻址339

9.4.4 写操作方式340

9.4.5 读操作方式341

9.4.6 STM32 I2C模块扩展24C64应用342

习题348

第10章 CAN总线原理及其应用349

10.1 CAN总线概述349

10.1.1 CAN总线通信概述349

10.1.2 CAN报文传输351

10.2 STM32的CAN通信模块353

10.2.1 STM32 bxCAN通信模块概述353

10.2.2 控制寄存器描述354

10.2.3 邮箱寄存器描述362

10.2.4 CAN过滤器寄存器366

10.3 STM32 bxCAN模块工作过程367

10.3.1 bxCAN模块工作模式367

10.3.2 bxCAN模块数据发送管理368

10.3.3 bxCAN模块数据接收管理370

10.3.4 bxCAN模块标识符过滤器371

10.3.5 bxCAN模块出错管理373

10.3.6 bxCAN模块位时间特性373

10.3.7 bxCAN通信与出错中断管理374

10.4 STM32 CAN应用实例376

10.4.1 CAN总线硬件设计376

10.4.2 STM32 CAN通信软件示例376

习题381

第11章 STM32的模拟数字转换模块382

11.1 A/D变换的基本原理382

11.1.1 采样383

11.1.2 量化383

11.1.3 编码384

11.2 ADC模块的主要技术指标和选型考虑386

11.2.1 位数386

11.2.2 采样速率386

11.2.3 分辨率386

11.2.4 量化误差387

11.2.5 绝对精度388

11.2.6 相对精度388

11.2.7 偏移误差388

11.2.8 增益误差388

11.2.9 AD线性误差389

11.2.10 微分非线性390

11.2.11 积分非线性390

11.2.12 输入失调电压391

11.2.13 输入失调电流391

11.2.14 输入阻抗391

11.2.15 增益带宽积GBP392

11.2.16 运放的单位增益带宽392

11.2.17 运放建立时间392

11.2.18 压摆率393

11.3 ADC模块的外围软硬件设计393

11.3.1 电压测量与峰值测量394

11.3.2 单路测量与多路测量394

11.3.3 异步测量和同步测量394

11.3.4 关于电压基准394

11.3.5 查询式A/D395

11.3.6 中断式A/D396

11.3.7 Timer驱动的周期采样396

11.3.8 外部触发式启动A/D397

11.3.9 同步A/D398

11.3.10 DMA数据传输398

11.3.11 STM32F103的A/D变换模块398

11.4 STM32F103 ADC寄存器介绍400

11.5 STM32F103的ADC模块的使用408

11.5.1 ADC的使能408

11.5.2 ADC时钟408

11.5.3 通道选择408

11.5.4 转换模式409

11.5.5 模拟看门狗409

11.5.6 扫描模式410

11.5.7 注入通道管理410

11.5.8 间断模式411

11.5.9 校准411

11.5.10 数据对齐411

11.5.11 可编程的通道采样时间412

11.5.12 外部触发转换412

11.5.13 DMA请求413

11.5.14 双ADC模式413

11.5.15 温度传感器／VREFINT内部通道416

11.5.16 中断417

11.6 基于STM32F103的A/D变换示例417

习题420

第12章 STM32支撑开发环境421

12.1 嵌入式系统开发的流程421

12.1.1 嵌入式项目的生命周期421

12.1.2 嵌入式软件的开发环节422

12.1.3 交叉编译与软件调试422

12.2 基于Keil MDK的STM32开发支撑环境424

12.2.1 ARM开发工具424

12.2.2 基于Keil MIDK的STM32开发环境425

12.2.3 开发环境硬件连接426

12.2.4 基于Keil的软件开发流程426

12.3 STM32启动文件解析436

12.4 ARTX嵌入式操作系统使用初步443

12.5 嵌入式系统软件开发的高级主题445

12.5.1 形式化规范与证实技术445

12.5.2 设计架构与模式445

12.5.3 低功耗软件设计447

习题447

第13章 基于STM32的多功能综合实验板设计448

13.1 综合实验板介绍448

13.2 MDVSTM32-107实验板模块设计449

13.2.1 电源电路设计449

13.2.2 通用I/O口电路设计450

13.2.3 基于I2C总线扩展450

13.2.4 CAN总线扩展452

13.2.5 USB总线扩展453

13.2.6 智能卡接口电路453

13.2.7 I2S扩展音频电路453

13.2.8 RS232扩展和IrDA扩展456

13.2.9 SD卡扩展电路456

13.2.10 TFT液晶扩展电路456

13.2.11 电机扩展接口457

13.2.12 以太网扩展460

13.2.13 AD电路扩展460

13.2.14 MCU电路设计460

13.2.15 调试电路设计461

13.2.16 扩展接口463

习题465

第14章 基于STM32的电动自行车控制器设计466

14.1 直流无刷电机的基本原理466

14.1.1 直流无刷电机结构466

14.1.2 直流无刷电机工作原理467

14.2 直流无刷电机应用系统设计470

14.2.1 硬件电路实现472

14.2.2 软件电路实现478

习题484

第15章 AMR单相电能表的参考设计485

15.1 需求和目标系统特性485

15.2 硬件设计方案486

15.2.1 层次化硬件架构和接口设计486

15.2.2 测量电路486

15.2.3 MCU和外设电路487

15.2.4 供电电路488

15.2.5 磁保持继电器489

15.3 STPM10测量集成芯片489

15.3.1 STPM10测量芯片介绍489

15.3.2 STPM10与MCU的接口489

15.3.3 使用DMA的SPI读过程493

15.3.4 STPM10校准493

15.4 账户管理494

15.5 目标机的测试与评估495

15.5.1 目标机495

15.5.2 AMR的评估496

习题497

第16章 面向物联网的智能硬件设计498

16.1 嵌入式系统设备应用框架498

16.2 物联网设备硬件设计499

16.2.1 电源电路500

16.2.2 MCU电路501

16.2.3 USB转UART电路501

16.2.4 按键与显示电路502

16.2.5 主板接口电路503

16.2.6 扩展板传感器电路503

16.2.7 扩展板RGB LED灯与电机驱动电路504

16.2.8 扩展板距离检测和光敏电路505

16.2.9 扩展板显示电路505

16.2.10 扩展板接口电路506

16.2.11 扩展板其他电路506

16.3 物联网设备软件设计507

16.3.1 物联网设备软件一般框架508

16.3.2 基于MiCO操作系统的软件框架509

16.4 总结509

习题510

主要参考文献511