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内容简介

本书选用的STM32芯片基于ARM Cortex-M3体系结构，根据基于MCU的嵌入式技术实际应用需求，合理地选择了多种常用的重要外设接口，如USART、SPI、I2C、FSCM、SDIO总线、以太网等，结合丰富的实例及工程源代码，由浅入深、系统全面地介绍嵌入式系统的底层工作原理。在此过程中，通过穿插多个综合示例的讲解，如命令行外壳程序Shell、eFat文件系统、Telnet远程控制、?C/OS-III实时操作系统的移植过程，无论是嵌入式的初学者，还是有一定开发经验的工程师都能从中获益，使读者既能系统全面地掌握嵌入式开发所需的软硬件知识，又能锻炼他们的综合开发能力，为将来从事嵌入式开发方面的工作奠定坚实的基础。

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ISBN：9787121327254

开本：16开

页数：448

字数：716

本书目录

第1章  开发利器：STM32库和MDK Keil	1
1.1  学习启航：闪烁的跑马灯	1
1.1.1  实验结果呈现	1
1.1.2  实验分析	2
1.1.3  配置GPIO引脚	5
1.1.4  实验控制逻辑	6
1.2  STM32库结构和CMSIS标准	8
1.2.1  STM32库层次结构	9
1.2.2  CMSIS层次结构	9
1.2.3  STM32库结构中的文件关系	10
1.2.4  STM32库函数命名规则	13
1.2.5  STM32库常见的几个状态类型	13
1.3  工程开发环境设置	14
1.3.1  有关MDK	14
1.3.2  使用MDK建立工程的步骤	15
第2章  STM32体系结构	25
2.1  总线与通信接口	25
2.1.1  总线组成	25
2.1.2  重要的总线术语	26
2.2  STM32功能框架	27
2.2.1  系统组成	27
2.2.2  总线单元及挂接设备	28
2.3  STM32存储器映射	29
2.3.1  独立编址	30
2.3.2  统一编址（存储器映像编址）	31
2.3.3  CM3外设地址空间映射	32
2.3.4  地址空间映射详解	34
2.4  STM32时钟结构	39
2.4.1  STM32F103ZET6的时钟树	39
2.4.2  时钟树二级框架	40
2.4.3  时钟启用过程	41
2.5  系统时钟树与地址空间映射的关系	43
第3章  STM32系统启动过程分析	44
3.1  CM3的复位序列	44
3.1.1  堆栈	45
3.1.2  向量表	47
3.2  STM32启动代码分析	49
3.3  STM32系统时钟初始化	52
3.3.1  时钟源的选择	52
3.3.2  系统时钟设置	56
3.4  程序运行环境初始化函数__main()	60
3.4.1  回顾编译和链接过程	60
3.4.2  映像文件的组成	61
3.4.3  映像的加载过程	63
3.4.4  由MDK集成环境自动生成的分散加载文件	65
3.4.5  _main()函数的作用	66
第4章  通用GPIO操作	68
4.1  实验结果预览：LED跑马灯	68
4.2  GPIO基本知识	68
4.2.1  GPIO分组管理及其引脚	69
4.2.2  GPIO工作模式及其配置	69
4.2.3  GPIO引脚的写入和读出	71
4.3  实验代码解析	74
4.3.1  实验现象原理分析	74
4.3.2  源代码分析	78
4.4  创建工程	81
4.4.1  建立工程目录结构	81
4.4.2  导入源代码文件	81
4.4.3  编译执行	82
4.5  编译调试	82
4.5.1  调试方法	82
4.5.2  栈和变量观察窗口	83
4.5.3  运行程序并调试：一个函数一个断点	84
4.5.4  运行程序并调试：多个函数多个断点	86
第5章  外部中断EXTI操作	90
5.1  实验结果预览：LED跑马灯_中断控制	90
5.2  异常与中断	91
5.2.1  Cortex-M3的异常向量	91
5.2.2  异常向量表	92
5.3  NVIC与中断控制	93
5.3.1  NVIC简述	93
5.3.2  NVIC与外部中断	93
5.3.3  NVIC中断的优先级	94
5.3.4  NVIC初始化	95
5.4  EXTI基本知识	97
5.4.1  EXTI简介	97
5.4.2  EXTI控制器组成结构	97
5.4.3  GPIO引脚到EXTI_Line的映射	100
5.4.4  EXTI_Line到NVIC的映射	102
5.5  实验代码解析	103
5.5.1  工程源码的逻辑结构	103
5.5.2  实验代码软硬件原理	104
5.5.3  实验代码分析	107
5.6  创建工程	109
5.6.1  建立工程目录结构	109
5.6.2  导入源代码文件	109
5.6.3  编译执行	110
5.7  编译调试	111
5.7.1  打开内存窗口	111
5.7.2  设置断点	111
5.7.3  运行程序并调试	112
第6章  USART接口	115
6.1  实验结果预览	115
6.1.1  实验准备工作	115
6.1.2  实验现象描述	116
6.2  USART基本知识	117
6.2.1  串行异步通信协议	117
6.2.2  USART与接口标准RS-232	118
6.3  STM32 USART结构	119
6.3.1  USART工作模式	119
6.3.2  精简的USART结构	119
6.3.3  USART单字节收发过程	120
6.4  USART寄存器位功能定义	121
6.4.1  状态寄存器（USART_SR）	121
6.4.2  数据寄存器（USART_DR）	122
6.4.3  控制寄存器1（USART_CR1）	122
6.4.4  控制寄存器2（USART_CR2）	123
6.4.5  控制寄存器3（USART_CR3）	123
6.4.6  分数波特率寄存器USART_BRR	124
6.4.7  USART模块寄存器组	125
6.4.8  USART模块初始化函数	126
6.4.9  USART常用函数功能说明	127
6.5  USART实验代码分析	128
6.5.1  实验电路（硬件连接关系）	128
6.5.2  工程源代码文件层次结构	130
6.5.3  应用层（主程序控制逻辑）	131
6.5.4  用户驱动层	133
6.5.5  函数printf()重定向	135
6.6  创建工程	135
6.6.1  建立工程目录结构	135
6.6.2  创建文件组和导入源文件	136
6.6.3  编译执行	137
第7章  USART综合应用：命令行外壳程序Shell	138
7.1  实验结果预览	138
7.2  基于USART的I/O函数	139
7.2.1  字符及字符串获取函数：xgetc()和xgets()	139
7.2.2  字符及字符串打印函数：xputc()和xputs()	141
7.3  可变参数输出函数xprintf()	142
7.3.1  可变参数	142
7.3.2  可变参数宏的使用与作用	143
7.3.3  用可变参数宏实现自己的格式化输出函数xprintf()	144
7.4  Shell外壳	145
7.4.1  Shell命令管理结构	146
7.4.2  Shell命令解析过程	147
7.4.3  命令函数之参数解析	150
7.5  建立工程，编译和运行	151
7.5.1  创建和配置工程	151
7.5.2  编译执行	153
第8章  I2C接口	154
8.1  实验结果预览：轮询写入/读出EEPROM数据	154
8.2  I2C总线协议	155
8.2.1  总线特点	155
8.2.2  I2C应用结构	155
8.2.3  总线信号时序分析	156
8.3  STM32 I2C模块	158
8.3.1  I2C组成框图	158
8.3.2  I2C主模式工作流程	159
8.3.3  I2C中断及DMA请求	161
8.4  I2C EEPROM读写示例及分析	162
8.4.1  示例电路连接	162
8.4.2  app.c文件中的main()函数	163
8.4.3  eeprom.h文件	166
8.4.4  eeprom.c文件	167
8.4.5  shell.c文件	174
8.5  建立工程，编译及运行	175
8.5.1  创建和配置工程	175
8.5.2  编译执行	176
第9章  DMA接口	177
9.1  实验结果预览	177
9.2  通用DMA的作用及特征	178
9.3  STM32 DMA基本知识	178
9.3.1  DMA与系统其他模块关系图	178
9.3.2  STM32 DMA组成	179
9.4  实验示例分析	183
9.4.1  main.c文件中的main()函数	184
9.4.2  USART1的初始化	184
9.4.3  DMA通道中断处理函数	189
9.4.4  sysTick中断处理函数	190
9.4.5  DMA通道配置的其他寄存器	191
9.4.6  DMA用户测试命令及其执行函数	192
9.5  建立工程，编译和执行	193
9.5.1  建立以下工程文件夹	194
9.5.2  创建文件组和导入源文件	194
9.5.3  编译运行	194
第10章  实时时钟RTC	195
10.1  实验结果预览	195
10.2  STM32 RTC模块	196
10.2.1  STM32后备供电区域	196
10.2.2  RTC组成	199
10.3  RTC实验设计与源码分析	204
10.3.1  硬件连接和GPIO资源	204
10.3.2  实验源代码逻辑结构	204
10.3.3  源代码分析	205
10.4  建立工程，编译和执行	212
10.4.1  建立以下工程文件夹	212
10.4.2  创建文件组和导入源文件	212
10.4.3  编译执行	213
第11章  系统定时器SysTick	214
11.1  SysTick简述	214
11.2  SysTick工作过程	214
11.3  SysTick寄存器位功能定义	215
11.3.1  控制和状态寄存器：STK_CTRL	215
11.3.2  重载寄存器：STK_LOAD	216
11.3.3  当前计数值寄存器：STK_VAL	217
11.3.4  校正寄存器：STK_CALIB	217
11.3.5  SysTick模块寄存器组	217
11.3.6  配置SysTick定时器	218
11.4  基于SysTick的延时函数代码分析	220
11.4.1  实现原理	220
11.4.2  实现代码分析	220
11.4.3  基于SysTick延时的LED闪烁命令	223
11.5  建立工程，编译和执行	224
11.5.1  建立以下工程文件夹	224
11.5.2  创建文件组和导入源文件	224
11.5.3  编译运行	226
第12章  SPI接口	227
12.1  实验现象预览：轮询写入/读出SPI Flash数据	227
12.2  SPI总线协议	228
12.2.1  总线信号及其应用结构	228
12.2.2  SPI内部结构与工作原理	229
12.3  STM32 SPI模块	231
12.3.1  SPI组成框图	231
12.3.2  STM32 SPI主模式数据收发过程	232
12.3.3  SPI中断及DMA请求	234
12.4  W25Q128FV规格说明	234
12.4.1  W25Q128FV状态和控制管理	235
12.4.2  W25Q128FV常用指令	236
12.5  程序入口与SPI初始化代码	237
12.5.1  实验硬件资源	237
12.5.2  工程入口文件main.c	238
12.5.3  spiflash.c文件中的spiFlash_Init()函数	239
12.6  SPI Flash测试代码分析	243
12.6.1  spiflash.c文件中的SPI Flash测试函数spiTest()	244
12.6.2  SPI Flash ID读取函数sFLASH_readID()	245
12.6.3  扇区擦除函数sFLASH_eraseSector()	246
12.6.4  Flash页写函数sFLASH_writePage()	246
12.6.5  Flash读函数sFLASH_readBuffer()	247
12.6.6  Flash字节发送函数sFLASH_SendByte()	248
12.7  向Shell添加SPI测试指令spitest	249
12.8  建立工程，编译和执行	250
12.8.1  建立以下工程文件夹	250
12.8.2  创建文件组和导入源文件	250
12.8.3  编译运行	252
第13章  网络接口：以太网	253
13.1  网络体系结构简介	253
13.1.1  三种网络模型	253
13.1.2  以太网标准（Ethernet）	256
13.2  ENC28J60知识	257
13.2.1  ENC28J60概述	257
13.2.2  控制寄存器	259
13.2.3  以太网缓冲器	260
13.2.4  PHY寄存器	261
13.2.5  ENC28J60 SPI指令集	261
13.2.6  ENC28J60初始化	263
13.2.7  使用ENC28J60收发数据	268
13.2.8  ENC28J60驱动代码总结	272
13.3  uIP协议栈简介	274
13.3.1  uIP特性	274
13.3.2  uIP应用接口	275
13.3.3  uIP的初始化及配置函数	277
13.3.4  uIP的主程序循环	277
13.4  uIP移植分析	279
13.4.1  下载uIP1.0版源码文件	279
13.4.2  理解两个中间层文件与应用层和协议层之间的关系	280
13.4.3  添加uIP协议栈后的工程文件组	285
第14章  综合示例：基于uIP的Telnet服务	286
14.1  实验现象预览	286
14.2  Telnet远程登录协议	287
14.2.1  Telnet概述	287
14.2.2  Telnet协议主要技术	288
14.2.3  Telnet命令	288
14.3  Telnetd服务框架及实现	290
14.3.1  本实验Telnetd服务框架	290
14.3.2  Telnetd服务框架的实现	291
14.4  上层应用与uIP协议的接口：telnetd_appcall()	304
14.5  建立工程，编译和运行	309
14.5.1  创建和配置工程	309
14.5.2  编译执行	311
第15章  SDIO总线协议与SD卡操作	312
15.1  SD卡简介	312
15.1.1  SD卡家族	312
15.1.2  SD卡引脚功能定义	313
15.1.3  SD卡内部组成	314
15.1.4  SD卡容量规格	315
15.1.5  SDIO接口规范和总线应用拓扑	315
15.2  SD协议	316
15.2.1  工作模式与状态	316
15.2.2  命令和响应格式	316
15.2.3  卡识别模式	317
15.2.4  数据传输模式	320
15.3  STM32 SDIO控制器	322
15.3.1  控制器总体结构描述	322
15.3.2  SDIO适配器模块	323
15.3.3  SDIO AHB接口	325
15.4  工程入口及配置	326
15.4.1  实验硬件资源	326
15.4.2  工程入口文件main.c	327
15.5  SDIO初始化	328
15.5.1  SD卡上电初始化函数SD_PowerON()	330
15.5.2  SD卡规格信息获取函数SD_InitializeCards()	336
15.6  SDIO卡测试代码分析	339
15.6.1  块擦除	340
15.6.2  多块写	342
15.6.3  多块读	345
15.7  建立工程，编译和运行	348
15.7.1  建立以下工程文件夹	348
15.7.2  创建文件组和导入源文件	348
15.7.3  编译执行	349
第16章  移植文件系统FatFs	350
16.1  实验现象预览：基于Shell的文件系统命令	350
16.2  FatFs文件系统	351
16.2.1  FatFs特点	351
16.2.2  FatFs在设备系统中的层次与接口	351
16.3  移植FatFs文件系统	352
16.3.1  FatFs源代码结构	352
16.3.2  基于FatFs应用的常用数据类型说明	353
16.3.3  FatFs的移植	355
16.4  FatFs文件系统应用示例分析	357
16.4.1  工程源代码逻辑	357
16.4.2  工程源代码分析	358
16.5  建立工程，编译和运行	363
16.5.1  创建和配置工程	363
16.5.2  编译执行	364
第17章  无线接入：Wi-Fi模块ESP8266应用	365
17.1  无线技术标准：IEEE 802.11	365
17.1.1  IEEE 802.11简介	365
17.1.2  无线局域网的组网拓扑	366
17.1.3  无线接入过程的三个阶段	367
17.2  ESP-WROOM-02模组	368
17.2.1  ESP-WROOM-02性能参数	368
17.2.2  ESP-WROOM-02与主机系统的电路连接	369
17.3  ESP-WROOM-02指令集	370
17.3.1  ESP8266 AT常用指令	370
17.3.2  使用ESP-WROOM-02进行真实通信	373
17.4  封装ESP-WROOM-02的配置函数	375
17.4.1  ESP-WROOM-02的初始化函数	375
17.4.2  ESP-WROOM-02的配置函数	377
17.4.3  优化USART接收缓存的数据结构	379
17.4.4  ESP-WROOM-02的Shell操作命令	381
17.5  建立工程，编译和运行	384
17.5.1  工程程序文件	384
17.5.2  创建和配置工程	384
17.5.3  编译执行	385
第18章  移植?C/OS-III操作系统	387
18.1  ?C/OS-III基础	387
18.1.1  ?C/OS-III简介	387
18.1.2  ?C/OS-III内核组成架构	388
18.2  ?C/OS-III任务基础	390
18.2.1  任务状态	390
18.2.2  任务控制块和就绪任务表	391
18.2.3  创建任务	391
18.2.4  任务同步与通信	393
18.3  ?C/OS-III的信号量	393
18.3.1  信号量分类及其应用	393
18.3.2  信号量工作方式	394
18.3.3  信号量应用操作步骤	396
18.4  ?C/OS-III的消息队列	396
18.4.1  消息队列工作模型	397
18.4.2  消息队列应用操作步骤	397
18.5  ?C/OS-III的事件标志组	398
18.5.1  事件标志组工作模型	398
18.5.2  事件标志组应用操作步骤	399
18.6  信号量、消息队列和事件标志组综合示例	399
18.6.1  综合示例任务关系图	400
18.6.2  任务代码头文件task.h	400
18.6.3  任务代码C文件task.c	402
18.6.4  中断异常处理文件stm32f10x_it.c	409
18.7  ?C/OS-III移植	410
18.7.1  ?C/OS-III源码组织架构	410
18.7.2  简化?C/OS-III源码组织架构	411
18.7.3  建立基于?C/OS-III的工程	412
18.7.4  ?C/OS-III综合示例运行效果	414
第19章  基于?C/OS-III的信息系统	415
19.1  系统功能描述	415
19.1.1  系统任务划分	415
19.1.2  系统实际运行效果	415
19.2  系统任务设计分析	417
19.2.1  Shell任务	417
19.2.2  LED灯闪烁任务	420
19.2.3  事件监测任务	420
19.2.4  系统统计任务	422
19.2.5  无线通信处理任务	425
19.3  工程源代码（文件）整合	428
19.3.1  主文件main.c	428
19.3.2  任务头文件task.h	428
19.3.3  includes.h文件	429
19.3.4  任务实现文件task.c	430
19.4  建立工程，编译和运行	430
19.4.1  建立工程源代码结构	430
19.4.2  建立文件组，导入源文件	430
19.4.3  编译执行	431
参考文献	432

展开

前言

进入21世纪以来，随着微电子技术、计算机技术及网络通信等技术的深入发展，整个社会信息化的程度越来越高，不用说智能手机，各种信息设备，如应用于医疗健康领域的智能心电仪、智能血糖仪，工业生产领域的自动测试装置、机器人手臂，安防领域的指纹识别、人脸识别技术，智能家居里的智能空调、冰箱、电表，甚至军事领域中的精确制导武器、红外热成像眼镜、自动跟踪……都无一例外地具有“智慧”的大脑，它们的应用已深入我们生活的每个角落，改变着我们的生活方式。
在上面所提及的应用中，其“智慧”的大脑，实质就是一套套嵌入式系统，它们由不同的硬件和软件组成。这里所说的“不同”，一是指构成嵌入式系统的硬件核心，可能是由基于不同厂商的SoC芯片所拓展设计的实用电路，如ST公司的STM8、STM32系列SoC、NXP公司的LPC系列SoC；二是指嵌入式系统的软件构成，除去SoC片上外设的必要驱动外，还有管理这些驱动和应用的操作系统，如Embedded Linux、μC/OS-III和文件管理系统（如FatFs）等。
目前，嵌入式应用处理器多采用ARM体系结构。ARM公司为了细分市场，将其芯片按应用领域分为Cortex-A、Cortex-R、Cortex-M三个系列。Cortex-A系列芯片带有MMU（内存管理单元）、MPU（内存保护单元）部件，主要针对复杂的嵌入式应用，如智能手机、平板电脑及高档成像设备等；Cortex-R系列面向实时应用领域，如精密机器控制、炉温监控；Cortex-M系列则面向传统的单片机市场，其子系列M0～M4涵盖了从8位到32位单片机的所有应用，与传统的C51系列单片机相比，功能更强大。因此，学习嵌入式开发技术，应本着“循序渐近，由简单到复杂”的原则，首先学习基于Cortex-M系列的单片机是最好的入门选择，在此基础上，进阶学习Cortex-A系列就显得“自然而游刃有余”。
本书就以基于CM3内核架构（Cortex-M3）的芯片STM32F103ZET6（意法半导体公司ST，基于MCU应用的32位芯片系列，简称STM32）为讲解线索，合理选择实际应用中广泛使用的USART、I2C、SPI、SDIO、以太网等接口，结合ST公司提供的库函数，通过一个个具有实际使用价值的案例代码，详细介绍每种接口的工作原理、驱动配置和综合应用。在学习本书之前，如果读者对CM3体系结构有一定的了解，当然最好；如果没有此类的背景知识，也不用担心会影响对本书的学习。笔者在讲解过程中，会在涉及需要CM3体系结构知识的地方，自然而然地引入相应知识点的介绍。
本书对章节、知识点的安排有以下三个显著特点，以便读者快速、高效地掌握基于“STM32+μC/OS-III结构”的嵌入式开发。
在章节的安排上，遵循“先总体，后细节”的原则。第1章以一个跑马灯实验作为引子，为读者介绍了嵌入式开发所涉及的基本概念和流程，如GPIO配置、事件的轮询和中断处理机制等，以及基于STM32库开发所涉及的库文件组织和CMSIS标准、开发工具。建立了嵌入式开发的基本过程等轮廓性认识之后，第2章自然地切入STM32系列芯片的框架结构，包括总线、外设地址空间映射和时钟树。只有清楚了这三者之间的关系，才有可能对后面章节所讲解的外设工作过程和相关操作有深刻的理解。在此基础上，第3章开启了嵌入式系统的启动之旅，透彻地分析了基于CM3核的芯片系统之启动过程。有了前面三章的基础，随后的章节则以“先简单，后复杂”的原则逐一介绍GPIO、外部中断线、USART、DMA、I2C、SDIO等外设的结构原理及相应的驱动代码。
其次，对每一种外设的讲解，除了遵循“先总体，后细节”的原则之外，采用“以实验现象为驱动（每章的第一节首先呈现给读者一个最终的实验结果画面）”的思路，一步步进入外设的内部世界。这样的安排有利于激起读者对未知世界的强烈兴趣，随着对外设“先总后细”的逐层深入，最终使读者彻底理解并掌握每种外设“实验现象”背后的逻辑。
最后，本书除了讲解每种外设的工作原理和驱动代码之外，还穿插了三个有实用价值的综合案例，以拓展读者对外设应用的认识和理解，以及必要的知识面。第一个综合实例是基于USART接口的Shell（俗称“外壳”，类似于Linux的bash）程序，通过它可以将“对外设的操作”封装为一个个Shell命令，以随时执行。因此，Shell程序贯穿本书的始末。第二个综合实例是Telnet远程登录服务程序，该程序底层硬件是基于SPI总线的以太网芯片ENC2860，上层使用uIP协议栈来完成常用的TCP/IP功能，如ping、ICMP、IP、TCP等。“麻雀虽小，五脏俱全”，通过实现这样的服务程序，不但可以使读者理解和掌握Telnet协议的工作原理及过程，而且有利于进一步学习理解TCP/IP协议栈代码实现。最后一个综合示例实现了使用μC/OS-III操作系统来管理前面所讲解的硬件，充分利用操作系统的任务通信、消息传递等机制来提升硬件系统的运行效能。μC/OS-III系统结构紧凑，代码量小，容易理解掌握，通过移植和应用μC/OS-III，使读者在掌握系统应用场景的同时，加深理解操作系统内部的工作机理，为后续进一步学习基于Linux的嵌入式开发打下基础。
由于社会信息化日趋明显，必定导致包括STM32在内的MCU的应用越来越多。希望本书能为渴望进入嵌入式开发领域的人员提供一个好的入门指引，为后续深入嵌入式开发的高级应用奠定基础。作为学习教材，本书每一章的实验代码都由笔者在Keil MDK开发环境中调试通过，读者可以放心学习使用。同时，由于笔者水平有限，书中难免会存在对相关知识点理解不够准确之处，敬请读者批评指正。
参与编写本书的人员还有我的同事易确，他负责本书所有的实验电路设计；熊立宇，负责完成最后三章的初稿编写及全书的校验工作。十分感谢他们的辛勤付出！
在本书的编写过程中，得到了电子工业出版社的田宏峰老师的悉心支持，在此表示衷心感谢，同时感谢他为我提供了一个这样施展自己特长机会；十分感谢我的同事彭丽兰，是她在我工作忙碌的时候，分担了我的工作，使我能够安心写作；最后想表达对我的家人，特别是朋友熊姬珠的谢意，是她们给予我精神上的鼓励，才使我得以完成这“马拉松”式的写作。

谭  贵     
2017年8月于深圳

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