基于ARM Cortex-M4的单片机原理与实践

ARM Cortex-M4处理器是由ARM专门开发的新嵌入式处理器，具有浮点、DSP、并行计算等功能，用以满足需要有效且易于使用的控制和信号处理功能混合的数字信号控制市场。其高效的信号处理功能与Cortex-M处理器系列的低功耗、低成本和易于使用的优点的组合，旨在满足专门面向电动机控制、汽车、电源管理、嵌入式音频和工业自动化市场的新兴类别的灵活解决方案 

本书以德州仪器公司的TM4C1294系列微处理器为蓝本，由浅入深地介绍了ARMCortex-M4内部结构、特点及片上功能模块的工作原理和操作方法以及集成开发环境（CodeComposerStudio，CCS）的使用方法。本书还阐述了TM4C1294处理器系统外设、串行通信外设接口、模拟外设以及运动控制外设的功能特点、内部结构、初始化与配置以及寄存器映射与描述等。本书在后还介绍了基于TM4C12x和TM4C1294处理器的综合应用实例，可使读者迅速掌握基于ARMCortex-M4微处理器的应用技巧，并可向读者提供配套开发板。本书既可以作为电子信息类的电子信息工程、自动化、电子科学与技术、通信工程、光电信息科学与工程、信息工程及相近专业的本专科生或研究生学习微处理器原理的教材，也可以作为相关专业技术人员的参考用书。本书注重知识点与读者动手实践相结合。

前言
第1章绪论
1.1 ARM体系概述
1.1.1 ARM简介
1.1.2 ARM架构的发展
1.1.3 Cortex内核分类
1.2 ARM Cortex-M4微处理器
1.2.1 ARM Cortex-M4微处理器特点
1.2.2 Cortex-M4微处理器结构
1.2.3 Cortex-M4微处理器的编程模式
1.2.4 Cortex-M4微处理器的堆栈
1.2.5 Cortex-M4微处理器的内核寄存器
1.2.6 Cortex-M4微处理器的存储器映射
1.2.7 Cortex-M4指令集
1.2.8 Cortex-M4的中断与异常处理
1.3 TM4C1294微处理器
1.3.1 TM4C1294微处理器概述
1.3.2 TM4C1294微处理器结构
1.3.3 TM4C1294微处理器性能特点
1.4 思考与练习
第2章Cortex-M4F微处理器的系统控制模块
2.1系统控制模块的相关信号描述
2.2系统控制模块的功能概述
2.2.1器件标识信息
2.2.2复位控制
2.2.3NMI控制
2.2.4电源控制
2.2.5时钟控制
2.2.6工作模式控制
2.2.7系统初始化与配置
2.3思考与练习
第3章CCS集成开发环境
3.1集成开发环境CCS
3.1.1 CCS功能及特点
3.1.2安装CCSv6
3.1.3启动CCSv6
3.1.4新建CCS工程
3.1.5建立工程
3.1.6基本调试功能
3.1.7使用观察窗口
3.1.8 CCS的其他基本操作
3.1.9 CCS编程简介
3.2 TivaWare软件
3.2.1 TivaWare功能及特点
3.2.2 TivaWare主要模块介绍
3.3思考与练习
第4章TM4C1294微处理器内部存储器和外部扩展接口
4.1 TM4C1294片内存储器功能框图
4.2 TM4C1294片内存储器功能描述
4.2.1 SRAM
4.2.2 ROM
4.2.3 Flash Memory
4.2.4 EEPROM
4.3 TM4C1294寄存器映射与描述
4.4 TM4C1294外部总线扩展接口（EPI）
4.4.1 EPI功能与特点
4.4.2 EPI内部结构
4.4.3 EPI功能描述
4.4.4 EPI初始化与配置
4.4.5 EPI寄存器映射
4.4.6 EPI应用例程
4.5思考与练习
第5章TM4C1294微处理器系统外设
5.1通用输入/输出端口（GPIO）
5.1.1 GPIO功能与特点
5.1.2 GPIO功能描述
5.1.3 GPIO初始化与配置
5.1.4 GPIO寄存器映射与描述
5.1.5 GPIO应用例程
5.2通用定时器模块（GPTM）
5.2.1 GPTM功能与特点
5.2.2 GPTM内部结构
5.2.3 GPTM功能描述
5.2.4 GPTM初始化与配置
5.2.5 GPTM寄存器映射与描述
5.2.6 GPTM应用例程
5.3看门狗定时器（WDT）
5.3.1 WDT功能与特点
5.3.2 WDT内部结构
5.3.3 WDT功能描述
5.3.4 WDT初始化与配置
5.3.5 WDT寄存器映射与描述
5.3.6 WDT应用例程
5.4微型直接存储器访问 （μDMA）
5.4.1 μDMA控制器功能与特点
5.4.2 μDMA控制器内部结构
5.4.3 μDMA控制器功能描述
5.4.4 μDMA控制器初始化与配置
5.4.5 μDMA通道控制结构体
5.4.6 μDMA寄存器映射与描述
5.4.7 μDMA应用例程
5.5思考与练习
第6章TM4C1294微处理器的串行通信外设接口
6.1通用异步收发器（UART）
6.1.1 UART功能与特点
6.1.2 UART内部结构
6.1.3 UART功能描述
6.1.4 UART初始化与配置
6.1.5 UART寄存器映射与描述
6.1.6 UART应用例程
6.2四路同步串行接口（QSSI）
6.2.1 QSSI功能与特点
6.2.2 QSSI内部结构
6.2.3 QSSI功能描述
6.2.4 QSSI初始化与配置
6.2.5 QSSI寄存器映射与描述
6.2.6 QSSI应用例程
6.3 I2C总线
6.3.1 I2C功能与特点
6.3.2 I2C内部结构
6.3.3 I2C功能描述
6.3.4 I2C初始化与配置
6.3.5 I2C寄存器映射与描述
6.3.6 I2C应用例程
6.4 CAN总线
6.4.1 CAN功能与特点
6.4.2 CAN控制器内部结构
6.4.3 CAN功能描述
6.4.4 CAN初始化与配置
6.4.5 CAN寄存器映射与描述
6.4.6 CAN应用例程
6.5 通用串行总线（USB）
6.5.1 USB功能与特点
6.5.2 USB内部结构
6.5.3 USB功能描述
6.5.4 USB初始化与配置
6.5.5 USB寄存器映射与描述
6.6以太网控制器
6.6.1以太网控制器的功能与特点
6.6.2以太网控制器的内部结构
6.6.3以太网控制器的功能描述
6.6.4以太网控制器的初始化与配置
6.6.5以太网控制器的寄存器映射与描述
6.7思考与练习
第7章TM4C1294微处理器的模拟外设
7.1 TM4C1294微处理器的模拟比较器
7.1.1 模拟比较器的内部结构
7.1.2模拟比较器的功能描述
7.1.3模拟比较器的内部参考电压编程
7.1.4模拟比较器的初始化与配置
7.1.5模拟比较器的寄存器映射与描述
7.1.6模拟比较器的应用例程
7.2 TM4C1294微处理器的模-数转换器（ADC）
7.2.1 ADC功能与特点
7.2.2 ADC内部结构
7.2.3 ADC功能描述
7.2.4 ADC初始化与配置
7.2.5 ADC寄存器映射与描述
7.2.6 ADC的应用例程
7.3思考与练习
第8章TM4C1294微处理器的运动控制外设
8.1脉冲宽度调制（PWM）
8.1.1 PWM功能与特点
8.1.2 PWM内部结构
8.1.3 PWM功能描述
8.1.4 PWM初始化与配置
8.1.5 PWM寄存器映射
8.1.6 PWM应用例程
8.2正交编码器接口（QEI）
8.2.1 QEI功能与特点
8.2.2 QEI内部结构
8.2.3 QEI功能描述
8.2.4 QEI初始化与配置
8.2.5 QEI寄存器映射与描述
8.2.6 QEI应用例程
8.3思考与练习
第9章基于TM4C12x的综合应用实例
9.1基于TM4C123 LaunchPad的硬件平台介绍
9.1.1硬件平台性能概述
9.1.2硬件平台功能模块介绍
9.1.3软件介绍
9.2基于TM4C123 LaunchPad的步进电动机驱动应用设计
9.2.1TM4C1

当今，ARM技术被广泛应用，领域涉及手机、数字机顶盒以及汽车制动系统和网络路由器等，并且迅速向传统的嵌入式领域渗透。全球95%以上的手机以及超过四分之一的电子设备都在使用ARM技术。
近些年来，随着电子制造工艺的不断发展进步，ARM Cortex-M4微处理器的成本也在不断降低，已经与8位和16位微处理器的成本处于同等水平。如今，越来越多的微处理器供应商提供基于ARM的微处理器，这些产品在外设、性能、内存大小、封装以及成本等方面具有越来越多的选择。其中，基于ARM Cortex-M4微处理器是由ARM专门开发的新型嵌入式处理器，用以满足有效且易于使用的控制和信号处理功能混合的数字信号控制市场。
本书基于ARM Cortex-M4内核的TM4C1294微处理器和CCS（Code Composer Studio）集成开发环境详细介绍了ARM Cortex-M4原理与实践。
本书注重知识点与实践相结合。在概述ARM Cortex-M4微处理器资源后，介绍了Cortex-M4F微处理器的系统控制内容。之后介绍了CCS集成开发环境的使用，包括CCS工程的建立以及调试等。从第4章开始，在每一章节都会配有几个应用例程，供读者参考。所配的程序有的来自TI官方网站，作为基础巩固；有的来自编者项目开发中的实例，作为拓展提高。读者在每学习完一个外设模块后，都可以结合本书的应用例程，编写对应的应用程序，并在Cortex-M4开发板上调试，进而让读者在实际操作中掌握该外设模块的操作方法，真正实现理论与实践相结合。本书所附程序均已在Cortex-M4开发板上调试通过。
本书共9章，具体内容如下。
第1章绪论，从总体上介绍ARM体系，以及Cortex内核的分类及特点，然后重点阐述ARM Cortex-M4微处理器的特点以及TI公司的Cortex-M4芯片TM4C1294。
第2章介绍Cortex-M4F微处理器的系统控制，包括系统控制相关信号的描述以及系统控制的功能概述。
第3章介绍TI公司集成开发环境CCS的基本知识及操作。
第4章介绍TM4C1294微处理器的内部存储器和外部扩展接口，包括整体功能框图，SRAM、ROM、Flash Memory和EEPROM的功能描述和相关寄存器映射，后介绍了外部总线扩展接口EPI。
第5章重点阐述TM4C1294微处理器的系统外设，包括通用输入/输出端口（GPIO），通用定时器模块（GPTM），看门狗定时器（WDT）和微型直接存储器访问（μDMA）等模块的功能特点、内部结构、初始化与配置以及寄存器映射与描述。
第6章介绍TM4C1294微处理器的串行通信外设接口，包括通用异步接收/发送装置UART、同步串行接口SSI、I2C总线、CAN总线、USB总线和以太网控制器等模块的功能特点、内部结构、初始化与配置以及寄存器映射与描述。
第7章介绍TM4C1294微处理器的模拟外设，包括模拟比较器和模-数转换器（ADC）模块的功能特点、内部结构、初始化与配置以及寄存器映射与描述。
第8章介绍TM4C1294微处理器的运动控制外设，包括脉冲宽带调制（PWM）和正交编码接口（QEI）模块的功能特点、内部结构、初始化与配置以及寄存器映射与描述。
第9章介绍基于TM4C12x的应用实例，包括基于TM4C123 Launchpad的步进电动机驱动应用设计以及Wi-Fi应用，基于TM4C1294的加速度计重力感应游戏、音乐播放器设计以及贪吃蛇游戏。
参与本书编写工作的主要人员有陈朋、梁荣华和刘义鹏，终方案的确定和本书的定稿工作由陈朋负责。德州仪器半导体技术（上海）有限公司王沁工程师负责第9章前3节内容的编写。浙江工业大学梅一珉、欧林林、邢科新、陈德富和禹鑫燚教师参加了本教材的试用，并提供了具体的修改意见。感谢浙江工业大学控制科学与工程学科对本书出版的支持。感谢机械工业出版社的编辑，他们在本书的创作与出版过程中提出了很多宝贵意见，使本书不断完善。
由于作者水平和实践能力有限，书中难免会存在不足和疏漏之处，恳请读者提出宝贵的意见，以便以后予以补充和修订。
本书在出版之前，已经作为讲义在编者学校本科学生中试用3年，融合编者多年工作经验和心得体会。本书的反馈邮箱为chenpeng@zjuteducn，真诚希望得到来自读者的宝贵意见和建议。