stm32与51 Proteus仿真初体验之点灯大师

一、一些必要知识

CPU

CPU，全名Central Processing Unit（中央处理器）。这是一块超大规模的集成电路，包含上亿的晶体管，是一台计算机的运算核心（Core）和控制核心（ControlUnit）。它的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。
它的主要构成是：运算器、控制器、寄存器

存储器映射

存储器本身没有地址，给存储器分配地址的过程叫存储器映射，一般由芯片厂商或用户分配。

内存映射

CPU分出去的地址空间与外设的片内RAM连接，这样CPU就能像访问内存一样去访问外设的片内RAM（内存），这就是内存映射

寄存器与寄存器映射

在存储器的区域单元中，每个单元对应不同的功能，当我们控制这些单元时就可以驱动外设工作。我们可以找到每个单元的呢起始地址，然后通过语言指针的操作方式来访问这些单元，如果每次都是通过这种地址的方式来访问，不仅不好记忆，还容易出错，这是我们可以根据每个单元功能的不同，以功能为名给这个内存单元取一个别名，这个别名就存在寄存器中，这个给已经分配好地址的有特定功能的内存单元取别名的过程，就叫做寄存器映射。

ROM (Read Only Memory)程序存储器

ROM全称Read Only Memory，顾名思义，它是一种只能读出事先所存的数据的固态半导体存储器。ROM中所存数据稳定，一旦存储数据就再也无法将之改变或者删除，断电后所存数据也不会消失。其结构简单，因而常用于存储各种固化程序和数据。

在单片机中用来存储程序数据及常量数据或变量数据，凡是c文件及h文件中所有代码、全局变量、局部变量、‘const’限定符定义的常量数据、startup.asm文件中的代码（类似ARM中的bootloader或者X86中的BIOS，一些低端的单片机是没有这个的）通通都存储在ROM中。

为了便于使用和大批量生产，进一步发展出了可编程只读存储器（PROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM）。EPROM需要用紫外线长时间照射才能擦除，使用很不方便。1980s又出现了电可擦除可编程只读存储器（EEPROM），它克服了EPROM的不足，但是集成度不高、价格较贵。于是又发展出了一种新型的存储单元结构同EPROM类似的快闪存储器（FLASH MEMORY）。FLASH集成度高、功耗低、体积小，又能在线快速擦除，因而获得了快速发展。
FLASH 存储器
Flash 存储器（FLASH EEPROM）又称闪存，快闪。它是EEPROM的一种。它结合了ROM和RAM的长处。不仅具备电子可擦除可编辑（EEPROM）的性能，还不会断电丢失数据同时可以快速读取数据。它于EEPROM的最大区别是，FLASH按扇区（block）操作，而EEPROM按照字节操作。FLASH的电路结构较简单，同样容量占芯片面积较小，成本自然比EEPROM低，因此适合用于做程序存储器。

RAM (Random Access Memory)随机访问存储器

RAM又称随机存取存储器(电脑的内存条)，存储单元的内容可按照需要随机取出或存入，且存取的速度与存储单元的位置无关。这种存储器在断电时，将丢失其存储内容，所以主要用于存储短时间使用的程序。

它主要用来存储程序中用到的变量。凡是整个程序中，所用到的需要被改写的量（包括全局变量、局部变量、堆栈段等），都存储在RAM中。

二、单片机介绍与仿真点灯

单片机，英文 Micro Controller Unit 简称MCU
内部集成了CPU、RAM、ROM、定时器、中断系统、通讯接口等一系列电脑的常用硬件功能，算是一个袖珍版计算机。

51单片机

名称由来

51单片机是对所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称，这一系列的单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着flash ROM技术的发展，8031单片机取得了长足的进展成为了应用最广泛的8bit单片机之一，他的代表型号就是ATMEL公司的AT89系列。

51单片机主要特性

51子系列单片机由CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、特殊功能寄存器、4个I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统等多个功能部件组成。

(1)MCS-51单片机的内核：8051CPU，CPU的内部集成有运算器和控制器，运算器完成运算操作(包括数据运算、逻辑运算等)，控制器完成取指令、对指令译码以及执行指令。

(2)MCS-51单片机的片内资源：中央处理器(CPU)、数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM)、定时/计数器(ROM)、并行输入输出(I/O)口、全双工串行口、中断系统、时钟电路。

(3)中央处理器(CPU)：是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。

(4)数据存储器(RAM)：8051内部有128字节数据存储器(RAM)和21个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器有专门的用途，通常用于存放控制指令数据，不能用作用户数据的存放，用户能使用的RAM只有128个字节，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。

(5)程序存储器(ROM)：8051共有4K字节程序存储器(ROM)，用于存放用户程序和数据表格。

(6)定时/计数器(ROM)：8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数，当定时/计数器产生溢出时，可用中断方式控制程序转向。

(7)并行输入输出(I/O)口：8051共有4个8位的并行I/O口(P0、P1、P2、P3)，用于对外部数据的传输。

(8)全双工串行口：8051内置一个全双工异步串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。

(9)中断系统：8051具备较完善的中断功能，有五个中断源(两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断)，可基本满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。

(10)时钟电路：仅有一个时钟，8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的时序脉冲，但需外接晶体振荡器和振荡电容。

最小系统原理图以STC89C52为例子

• 右上角三角箭头代表VCC电源正极，经过一个开关，再经过两个滤波电容（电源进来可能有干扰不稳定）类似先用一个大水池(C5)把输进来的水流接住,再平缓的输出
• 左下角晶振，给一个确定的周期，驱动程序一步一步向后执行
• 9号IO口复位电路给电容上电充电过程中相当于短路，把RST口电平拉高(RST高电平复位，低电平不复位)，充满电后断路接地，低电平

组成

命名规则

引脚八个一组，因为位数就是8位，一次控制8个引脚

从51到52

• 51有的功能52都有内核是一样的，所以在使用方法上没什么区别
• RAM:128提升到256
• EEPROM:4k提升到8k
• 多一个看门狗
• 最高外接晶振提升1/4左右
• 51现在基本淘汰，直接买52就可以了

#安装和熟悉Proteys电路仿真软件，完成一个C51程序设计和仿真。

Proteus仿真AT89C51点亮LED

电路如图

代码

#include <REGX51.H>
void main(void)
{
	
	P2=0x0E;
	
	while(1)
	{
	
	}
}
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• 左上角是晶振
• RST连接复位电路
• P2_0口置低电平点灯

stm32单片机

引脚定义

片上外设

GPIO模式

stm32命名规则

stm32最小系统电路

• 最下方 复位电路，添加滤波电容，供电一般都会添加滤波电容，
• vbat接备用电池，不用可以直接悬空
• 晶振stm32一般8MHZ,电容起振电容
• 复位电路，NRST低电平复位
• 启动配置，作为开关功能，用跳线帽实现

Proteus仿真stm32点亮LED灯

步骤如下

• 按图连接电路（一个外接电源提供高电平，一个限流电阻，黄色LED）

• 点击芯片设置晶振为8M，否则运行时会报错，我遇到的情况是软件直接卡死
  

• 点击设置，配置供电网，配置为如下图，把VDDA VSSA移动到右边
  
  

• 在keil中编写代码，设置GPIOA，PA0口为低电平

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
int main(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_initStructure;
	GPIO_initStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIO_initStructure.GPIO_Pin= GPIO_Pin_0;
	GPIO_initStructure.GPIO_Speed= GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_initStructure);
	
	
	GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_0,Bit_RESET);
	while (1) 
	{

	}
}

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面包板连接stm32c8t6点亮LED

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"

int main(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	while (1)
	{
		GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);
		Delay_ms(500);
		GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);
		Delay_ms(500);
		
		GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_0, Bit_RESET);
		Delay_ms(500);
		GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_0, Bit_SET);
		Delay_ms(500);
		
		GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_0, (BitAction)0);
		Delay_ms(500);
		GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_0, (BitAction)1);
		Delay_ms(500);
	}
}
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三、5132问答

嵌入式C程序代码对内存(RAM)中的某个变量的修改操作，与对外部设备（寄存器–>对应相关管脚）的操作有哪些相同与差别？

寻址方式不同
对于内存中的变量，已知地址，所以在C程序代码中直接操作寄存器改变目标地址指向的值，即寄存器映射

对于外设，不知道具体地址，外设上一般有自己的片内RAM(内存)，所以CPU只需要与外设的RAM交互就可以操作外设（CPU分出地址空间与片内RAM物理连接即内存映射的方式）

相同点，不管用什么方法，最后一步都需要改变目标地址指向的值。

为什么51单片机的LED点灯编程要比STM32简单？

51单片机点灯
只需要设置IO口的电平

stm32点灯
开启GPIO时钟
选择端口并初始化
端口输出模式
设置传输速率
设置IO口电平

由此可以看出两者的一些区别

• 51单片机IO口使用简单，单片机输出低电平的时候，驱动能力尚可，但是输出高电平的时候，就没有输出电流的能力。
• stm32使用者可以掌握功耗，对每个外设的时钟都设置了开关，让用户可以精确控制，关闭不需要的设备，节能省电，而51只有一个时钟所以不需要配置，虽然方便，但是功耗无法控制。

四、register与volatile区别

volatile是易变的，不稳定的意思，volatile是关键字，是一种类型修饰符，用它修饰的变量表示可以被某些编译器未知的因素更改，比如操作系统、硬件或者其他线程等，遇到这个关键字声明的变量，编译器对访问该变量的代码不在进行优化，从而可以提供对特殊地址的稳定访问。

#include <stdio.h>
int pass = 1;
int main()
{
	while(pass)
	{
		;
	} 	
	return 0;
}
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由于pass = 1，为真，编译器会优化此代码，将循环条件直接改为真，后续不再从内存中读取pass的值来判断循环是否停止。
加了volatile后，每次都会将pass的值导入cpu判断是否循环了。
结论
volatile忽略编译器的优化，保持内存可见性。

#include <stdio.h>
volatile int pass = 1; //加上volatile
int main()
{
	while (pass) {
	;
	} 
	return 0;
}
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register注册登录的意思，这个关键字请求编译器尽可能的将变量存在CPU内部寄存器中，而不是通过内存寻址访问，以提高效率。注意是尽可能，不是绝对,因为寄存器空间有限无法存储太多。
　　
注意事项：
1.register只是请求寄存器变量，不一定能够成功，

我们知道寄存器是有限的(各个部门)，如果定义了很多register变量，可能会超过CPU的寄存器个数，超过容量，(各个部门超负载了)
这时候就没有办法都变为寄存器变量了，这个数量主要看机器性能决定

2.register变量必须是能被CPU所接受的类型。

这通常意味着register变量必须是一个单个的值，并且长度应该小于或者等于整型的长度。不过，有些机器的寄存器也能存放浮点数。 (这个我们很容易理解，不是什么事都能作为大事的)

3.因为register变量可能不存放在内存中，所以不能用“&”来获取register变量的地址。

4.用register修饰的变量只能是局部变量，不能是全局变量。CPU的寄存器资源有限，因此不可能让一个变量一直占着CPU寄存器 (人不可能一直只处理一件事情)

5.register修饰符暗示编译程序相应的变量将被频繁地使用，如果可能的话，应将其保存在CPU的寄存器中，所以请注意，.register仅仅是暗示而不是命令。 这就好比寄存器可以说明这件事比较重要，但是不能直接命令CPU去做一件事

6.局部静态变量不能定义为寄存器变量。不能写成：register static int a, b, c;

虽然它被称作最近快的变量，但是也是比较不安全的变量，现在使用不多

#include <stdio.h>
int main()
{
    register int i;
    int tmp=0;
    for(i=1;i<=100;i++)
        tmp+=i;
    printf("总和为 %d\n",tmp);
    return 0;
}
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经测试同样的代码使用register int比int快

参考文章

https://blog.csdn.net/u011878611/article/details/132260504

https://blog.csdn.net/qq_46467126/article/details/120737655

https://blog.csdn.net/geek_monkey/article/details/86291377

https://blog.csdn.net/Alexayo/article/details/109964791

https://blog.csdn.net/asdfjkl01/article/details/39371961