微型計算機原理及應用——基於RISC-V架構

目　錄

第1 章　微型計算機概述及信息表示 ……………………………………… 1

1.1　微型計算機概述 ………………………………………………………………1

1.1.1　計算機的種類 …………………………………………………………1

1.1.2　微型計算機的發展簡史 ………………………………………………2

1.1.3　微型計算機的馮·諾依曼結構 ………………………………………3

1.1.4　微型計算機中的三總線 ………………………………………………5

1.1.5　計算機執行指令的簡明過程 …………………………………………7

1.2　微型計算機的發展方向 ………………………………………………………7

1.2.1　CPU 的結構與速度 ……………………………………………………8

1.2.2　存儲器的容量與速度 …………………………………………………9

1.2.3　指令系統的發展方向 ……………………………………………… 12

1.2.4　編譯技術的發展 …………………………………………………… 13

1.2.5　微型計算機其他新技術 …………………………………………… 14

1.3　“微機原理”課程的實踐選型 …………………………………………… 15

1.3.1　“微機原理”課程實踐選型的基本原則 ………………………… 15

1.3.2　口袋式Hulu-CH573 微機原理實驗套件概述 …………………… 16

1.4　數制及數制之間的轉換方法 ……………………………………………… 17

1.4.1　數制 ………………………………………………………………… 17

1.4.2　數制之間的轉換方法 ……………………………………………… 19

1.5　計算機中信息的基本表示方式 …………………………………………… 21

1.5.1　計算機中信息表示的相關基本概念 ……………………………… 21

1.5.2　整數在計算機中的補碼表示方法 ………………………………… 22

1.5.3　實數在計算機中的浮點數表示方法 ……………………………… 31

1.6　文字在計算機中的存儲方式——字符編碼 ……………………………… 34

1.6.1　英文編碼——ASCII 碼 …………………………………………… 34

1.6.2　中文編碼——GB 2312 及GBK …………………………………… 35

習題1 …………………………………………………………………………… 36

第2 章　微型計算機的硬件系統 ………………………………………… 38

2.1　微型計算機的硬件共性結構及基本性能指標 …………………………… 38

2.1.1　微型計算機的硬件共性結構 ……………………………………… 38

2.1.2　CH573 芯片的內部結構 …………………………………………… 39

2.1.3　微型計算機基本性能指標 ………………………………………… 40

2.2　通用嵌入式計算機的提出、定義及組成 ………………………………… 40

2.2.1　嵌入式終端開發方式存在的問題與解決辦法 …………………… 40

2.2.2　通用嵌入式計算機的概念與特點 ………………………………… 41

2.2.3　GEC 基本硬件系統的組成 ………………………………………… 42

2.3　基於RISC-V 架構的CH573 芯片構建GEC …………………………… 43

2.3.1　芯片最小硬件系統的電路組成 …………………………………… 43

2.3.2　CH573 的硬件最小系統 …………………………………………… 45

習題2 …………………………………………………………………………… 50

第3 章　指令系統與匯編語言程序設計 ………………………………… 51

3.1　RISC-V 架構概述 ………………………………………………………… 51

3.1.1　RISC 與ISA 名詞解釋 …………………………………………… 51

3.1.2　RISC-V 簡介 ……………………………………………………… 52

3.2　寄存器與尋址方式 ………………………………………………………… 53

3.2.1　寄存器的通用基礎知識 …………………………………………… 53

3.2.2　RISC-V 架構主要寄存器 ………………………………………… 54

3.2.3　指令保留字與尋址方式 …………………………………………… 55

3.2.4　機器碼的獲取方法 ………………………………………………… 57

3.3　RISC-V 基本指令 ………………………………………………………… 60

3.3.1　數據傳送類指令 …………………………………………………… 60

3.3.2　數據操作類指令 …………………………………………………… 61

3.3.3　跳轉類指令 ………………………………………………………… 63

3.3.4　控制狀態寄存器類指令 …………………………………………… 64

3.3.5　其他指令 …………………………………………………………… 64

3.4　匯編語言的基本語法 ……………………………………………………… 65

3.4.1　匯編語言的格式 …………………………………………………… 65

3.4.2　常用偽指令簡介 …………………………………………………… 66

3.5　RISC-V 匯編語言工程框架 ……………………………………………… 68

3.6　匯編程序設計實例 ………………………………………………………… 70

3.6.1　程序流程控制 ……………………………………………………… 70

3.6.2　代碼轉換程序設計 ………………………………………………… 75

3.6.3　冒泡排序程序設計 ………………………………………………… 77

【實驗3-1】　基於構件方法的匯編程序設計 ………………………………… 80

習題3 …………………………………………………………………………… 81

第4 章　通用輸入輸出接口 ……………………………………………… 85

4.1　GPIO 基礎知識 …………………………………………………………… 85

4.1.1　GPIO 的概念 ……………………………………………………… 85

4.1.2　輸出引腳的基本電路接法 ………………………………………… 86

4.1.3　上拉/ 下拉電阻與輸入引腳的基本接法 ………………………… 86

4.1.4　CH573 芯片的GPIO ……………………………………………… 87

4.2　軟件幹預硬件的方法 ……………………………………………………… 91

4.2.1　底層驅動構件的概念 ……………………………………………… 91

4.2.2　GPIO 構件的API ………………………………………………… 93

4.2.3　GPIO 構件的使用 ………………………………………………… 94

【實驗4-1】　基於匯編程序理解軟件如何幹預硬件 ………………………… 97

習題4 …………………………………………………………………………… 98

第5 章　底層驅動構件的制作 …………………………………………… 99

5.1　軟件構件的基本概念 ……………………………………………………… 99

5.1.1　軟件構件的定義 …………………………………………………… 99

5.1.2　軟件構件的分類 ……………………………………………………100

5.1.3　構件設計的基本思想與原則 ………………………………………101

5.1.4　基於構件的軟件設計步驟 …………………………………………103

5.2　底層驅動構件制作的通用知識 ……………………………………………104

5.2.1　底層驅動構件的概念及作用 ………………………………………104

5.2.2　底層驅動構件制作的基本知識 ……………………………………104

5.2.3　構件制作的基本要求與一般步驟 …………………………………105

5.3　GPIO 構件的制作 …………………………………………………………106

5.3.1　與GPIO 相關的寄存器及編程步驟 ………………………………106

5.3.2　通過直接地址控制LED ……………………………………………107

5.3.3　封裝成GPIO 構件 …………………………………………………109

習題5 …………………………………………………………………………… 116

第6 章　串行通信及中斷系統 …………………………………………… 117

6.1　串行通信的基礎知識 ……………………………………………………… 117

6.1.1　串行通信的相關概念 ……………………………………………… 117

6.1.2　RS232 和RS485 總線標準 ………………………………………… 119

6.1.3　TTL-USB 串口 ……………………………………………………120

6.1.4　串行通信編程模型 …………………………………………………120

6.2　基於構件的串行通信編程方法 ……………………………………………121

6.2.1　CH573 芯片UART 對外引腳 ……………………………………121

6.2.2　CH573 芯片UART 的寄存器 ……………………………………121

6.2.3　UART 構件API ……………………………………………………122

6.2.4　UART 構件API 的發送測試 ………………………………………128

6.3　中斷機制及中斷編程步驟 …………………………………………………130

6.3.1　中斷基本概念及處理過程 …………………………………………130

6.3.2　CH573 中斷源與RISC-V3A 中斷結構 ……………………………132

6.3.3　CH573 中斷編程實例 ………………………………………………135

【實驗6-1】　基於串行通信構件的匯編程序設計 ……………………………144

習題6 ……………………………………………………………………………145

第7 章　存儲器 …………………………………………………………… 146

7.1　存儲器的功能與分類 ………………………………………………………146

7.2　隨機存儲器與只讀存儲器 …………………………………………………147

7.2.1　RAM ………………………………………………………………147

7.2.2　ROM ………………………………………………………………150

7.2.3　Flash 存儲器 ………………………………………………………152

7.3　SD 卡與高速緩存 …………………………………………………………153

7.3.1　SD 卡 ………………………………………………………………153

7.3.2　高速緩存 ……………………………………………………………154

7.4　CH573 的存儲空間 …………………………………………………………157

7.4.1　CH573 的存儲器映射 ………………………………………………157

7.4.2　用戶非易失數據存儲區的操作 ……………………………………158

【實驗7-1】　存儲器實驗 ………………………………………………………160

習題7 ……………………………………………………………………………161

第8 章　定時器與PWM ………………………………………………… 162

8.1　定時器 ………………………………………………………………………162

8.1.1　定時器的基本概念 …………………………………………………162

8.1.2　系統定時器SysTick ………………………………………………162

8.1.3　通用定時器TMRx …………………………………………………169

8.2　PWM ………………………………………………………………………180

8.2.1　PWM 的基礎知識 …………………………………………………181

8.2.2　CH573 的PWM 功能實現 …………………………………………182

【實驗8-1】　理解中斷與定時器 ………………………………………………198

習題8 ……………………………………………………………………………199

第9 章　模數轉換與數模轉換 …………………………………………… 200

9.1　ADC 的基礎知識 …………………………………………………………200

9.1.1　與模數轉換編程相關的概念 ………………………………………200

9.1.2　與模數轉換編程關聯度較弱的概念 ………………………………202

9.1.3　模數轉換采樣電路舉例 ……………………………………………203

9.2　CH573 芯片的ADC 模塊 …………………………………………………204

9.2.1　CH573 芯片的ADC 簡介 …………………………………………204

9.2.2　CH573 芯片的ADC 寄存器 ………………………………………205

9.2.3　CH573 芯片的ADC 應用 …………………………………………209

9.3　DAC …………………………………………………………………………215

【實驗9-1】　AD 轉換模塊實驗 …………………………………………………216

習題9 ……………………………………………………………………………216

第10 章　通用計算機的基本結構及啟動過程 ………………………… 217

10.1　PC 系統的基本結構 ………………………………………………………217

10.1.1　PC 的基本硬件組成 ……………………………………………217

10.1.2　USB 設備 …………………………………………………………220

10.2　PC 系統的啟動流程 ………………………………………………………222

10.2.1　啟動固件 …………………………………………………………223

10.2.2　PC 系統中的硬盤 ………………………………………………225

10.2.3　從固件到硬盤的啟動流程 ………………………………………230

10.3　PC 的操作系統 ……………………………………………………………232

10.3.1　PC 操作系統的鼻祖 ……………………………………………232

10.3.2　現代PC 的操作系統 ……………………………………………233

10.3.3　PC 操作系統的共性 ……………………………………………234

習題10 ……………………………………………………………………………235

參考文獻 …………………………………………………………………… 236

附錄A　Hulu-CH573 用戶手冊 ………………………………………… 237