单片机电源管理

大家好，我是张飞实战电子的黄忠老师，今天我们来讲解单片机电源管理。

市场上的产品越来越多的低功耗需求，对于单片机的电源管理就要求越来越高，关注度自然也会增加。

一起看一下Cortex-M3对于电源管理的一些特性吧。

1、休眠模式

Cortex-M3提供的休眠模式为一种电源管理特性，在休眠模式中，系统时钟可能会停止，而自由运行时钟输入仍可能在运行，以便处理器可由中断唤醒。

处理器有下面两种休眠模式：

休眠：Cortex-M3处理器的SLEEPING信号表示休眠状态

深度休眠：Cortex-M3处理器的SLEEPDEEP信号表示深度休眠状态

NVIC系统控制寄存器的SLEEPDEEP位决定休眠模式的类型。

休眠模式由等待中断（WFI）或等待事件（WFE）指令触发，事件可以是中断、之前触发的中断或者通过接收事件（EXEV）信号生成的信号脉冲。处理器内部具有事件锁存，因为之前的时间也可以将处理器从WFE中唤醒。

根据芯片的不同设计，进入休眠模式后处理器的实际动作可能会不同，不过一般是停止一些时钟以降低功耗，或者可能的话将芯片整个关掉，所有的时钟信号也会因此停止。在芯片被完全关掉的情况下，只能通过系统复位唤醒系统。

1、退出休眠特性

休眠模式的另外一个特性为它可以被设置为在退出中断程序后自动回到休眠。这样若没有需要处理的中断，内核就可以一直保持休眠状态。要使用这个特性，我们需要设置系统控制寄存器里的SLEEPONEXIT位。

应该注意的是，若使能了退出休眠特性，处理器可以在任何异常退出时进入休眠，即便是没有执行WFE/WFI指令。要确保处理器只在需要时进入休眠，那么若系统未准备好进入休眠，就不要设置SLEEPONEXIT位。

2、唤醒中断控制器

唤醒中断控制器（WIC）在Cortex-M3中作为一种可选单元出现，它被连接到已有的NVIC上，并且在中断到达时产生唤醒请求。

从软件的角度来看，WFI和WFE的效果是一样的。WIC中没有可编程寄存器，它可以从NVIC的接口上得到所需的所有信息。通过WIC的使用，进入处理器内核的时钟信号可以完全停止。当有中断请求到达时，WIC会向芯片中的系统控制器或电源管理单元（PMU）发出唤醒请求，通知芯片恢复处理器时钟。

如何学好嵌入式系统中的C语言编程

大家好，我是张实战电子黄忠老师；今天我们来学习如何学好嵌入式系统中的C语言编程。

1、真正深刻地认识存储器

冯.诺伊曼说过“程序等于算法加数据结构”。首先，算法是什么？算法是通过存储在存储器中的程序代码实现的。其次，数据结构又是什么？数据结构是存放在存储器中的各种类型的数据。程序本质上就是处理器通过执行存放在存储器中的程序代码对存放在存储器中的数据进行操作和变换的过程。在这个过程中除了处理器本身外，最核心的环节就是存储器。因为不管是程序的可执行代码还是数据都是存放在存储器中的。撇开代码、变量、数组、指针、结构、堆栈等这些软件中的各个元素的表象，剩下的本质就是存储器！因此，理解C语言的关键是真正理解存储器。

每一个存储单元都有两个属性：一是存储器里面存放的内容，二是存储器的地址。这个内容可以是代码，也可以是数据，甚至是另一个存储单元的地址（这个时候往往我们称这个存储单元放的是一个指针）。

2、认识和理解嵌入式C编程环境

嵌入式软件开发的 一个非常重要的特点就是交叉编译，也就是开发工具运行的环境和被调试的程序不是运行在同一个硬件平台（处理器）上的。一般而言编译器、汇编器、链接器等工具链软件以及调试工具都运行在通用的PC机平台上；调试工具通过一定的通信手段将链接器输出的可执行文件下载到嵌入式系统开发板（一般称为目标系统）的存储器中，并通过一定的机制控制和观测目标系统的寄存器、存储器等。这个开发过程往往需要使用多种不同的工具，对此初学者很容易感到困惑。只有真正理解开发过程中各个环节的作用，才能对嵌入式系统C编程有深入的认识。

另一个问题是，虽然C语言是一门高级语言，但是想真正用好C语言，程序员必须对编程过程中所使用的工具非常了解，清楚地知道每个工具的作用以及这些工具与硬件平台的相互关系。比如：编译器是如何处理全局变量和全局数组的？对于全局变量的处理与局部变量有什么不同？编译器是如何利用堆栈进行传递参数的？又比如：C语言的编译器、链接器是如何处理一个项目中多个C文件之间的相互依赖关系的？链接器最终是如何生成可执行文件的？可执行文件的内存映像又是如何安排的？这些问题初看起来似乎与C编程本身没有什么关系，但因为在嵌入式软件的开发过程中程序员要经常直接和底层的设备与工具打交道，所以一个嵌入式软件的程序员应该对这些问题了如指掌。

3、认识和掌握C语言中的常见陷阱

C语言不是一门面向初学者的编程语言，C语言发明者的初衷是希望设计一种面向编译器和操作系统设计的高级语言，因此C语言中充满了各种各样对于初学者而言的陷阱。这些陷阱一方面来自于C语法本身的灵活性，另一方面来自于C对存储器边界的不检查，因此非常容易在代码中造成存储器越界访问的问题。在C语言中，最容易出错的地方是与存储器相关的内存访问越界以及内存泄漏的问题，C语言的使用者必须非常小心地规避这些陷阱。

4、掌握C语言程序设计过程中的调试方法

任何程序在编写的过程中都需要调试，尤其对于比较复杂的系统更是如此。面对程序编写过程中出现的问题，比较现实的问题应该是如何在最短的时间内发现程序错误的根源，修改这个错误，并且吸取教训争取在以后的程序中不再犯同样的错误。在这个环节中最重要也是最需要技巧的工作就是找到问题的根源。虽然很少有相关的参考书介绍这方面的内容，但事实上，程序的调试是有一定的方法和技巧的。

单片机支持操作系统的特性

大家好！我是张飞实战电子黄忠老师！今天给大家分享单片机支持操作系统的特性。

1、支持操作系统的特性概述：

就拿M0核的单片机来说，就有一部分特性是针对嵌入式操作系统的（OS），包括：

l SysTick定时器，24位向下计数，且周期产生SysTick异常。

l 栈指针，即进程栈指针，两个栈指针的结构可以使得应用栈和OS内核栈相互独立。

l SVC异常和SVC指令，通过异常机制，应用程序可以使用SVC访问OS服务。

l PendSV异常，其可以被OS、设备驱动或者应用程序使用来产生可延迟的服务请求。

2、为什么要使用嵌入式操作系统？

当提到操作系统的时候，大多数人首先会想到Windows和Linux之类的桌面操作系统。这些操作系统要想运行起来，需要强大的处理器、大量的存储器以及其他硬件，而对于嵌入式设备，各种OS的差别很大。嵌入式操作系统可以运行在低功耗的微控制器上，它们需要很少的存储器（相对于桌面系统），并且运行的时钟频率要低很多，比如Keil RTX只需要4KB的程序空间以及大约0.5KB的SRAM，一般情况下，这些操作系统设置不需要显示或者键盘。当然也可以增加一些显示接口和输入设备，并且通过运行在OS上的应用任务来访问这些输入和输出接口。

在嵌入式应用程序中，OS一般用来管理多任务。在这种情况下，OS将处理器时间划分多个时间片，并且在每个时间片上执行不同的任务。当一个时间片结束时，OS任务调度器开始执行，这样在下一个时间片开始的时候，处理器已经切换到其他任务执行了。这种任务切换一般被称作上下文切换。

每个时间片的长度依赖于硬件以及操作系统的设计，有些嵌入式操作系统每秒会进行几百次的任务切换。

有些嵌入式OS也为每个任务定义了优先级，这样高优先级的任务就能在低优先级任务之前执行。如果一个任务的优先级比其他的都要高，在其到达空闲状态前，OS可能会连续多个时间片都在执行这个任务。应该注意的是，OS的优先级的定义与异常优先级是完全独立的（例如中断的优先级）。任务的优先级基于特定的OS，并且随着OS的不同而有所区别。

除了支持多任务以外，嵌入式OS也提供了其他各种功能，包括资源管理、内存管理、电源管理，以及应用程序编程接口（API）用以访问外设、硬件和信道。

使用嵌入式OS并不总是有好处的，因为它需要额外的程序空间来存放OS内核，而且会增加执行周期的开销。多数简单应用并不需要嵌入式OS，不过，有些复杂的嵌入式应用需要并行执行任务，这时使用OS会使软件开发更加容易，并且降低出现错误的概率。

目前，可以应用在M0上的嵌入式OS有很多，例如，Keil 微控制器开发套件提供的免费且易于使用的RTX kernel，另外还有Micrium的uc/OS-II和uc/OS-III等都支持M0处理器。并且这个支持的操作系统在不断的增加中。

由于很多微控制器是不具备存储器管理单元（MMU），比如我们上面时候的M0核的处理器，所以它不能运行需要虚拟地址的嵌入式OS，比如Windows CE或Symbian OS。平常使用的Linux OS也需要MMU，它也不能再M0上工作。而uCLinux是Linux的特殊版，并且面向的是没有MMU的嵌入式设备，所以要在微控制器上加入OS也要先看能不能支持，并且支持哪些，再结合自己的项目实际选取。

USB的四种传输类型之中断传输等时传输

USB协议规定了4中传输类型:批量传输,等时传输,中断传输和控制传输.我们已经有相关文章介绍了批量传输,接着下面我们来说说中断传输和等时传输.

中断传输是一种保证查询频率的传输中断端点在端点描述符中要报告它的查询间隔,主机会保证在小于这个时间间隔的范围内安排一次传输这里所说的中断,跟我们硬件上的中断是不一样的。它不是由设备主动地发出一个中断请求,而是由主机保证在不大于某个时间间隔内安排一次传输。中断传输通常用在数据量不大,但是对时间要求较严格的设备中,例如人机接口设备(HID)中的鼠标、键盘、轨迹球等。中断传输也可以用来不断地检测某个状态,当条件满足后再使用批量传输来传送大量的数据。除了在对端点查询的策略上不一样之外中断传输和批量传输的结构基本上是一样的,只是中断传输中没有PING和NYE两种包。中断传输使用中断事务(interrupt-transaction),中断事务的流程图如图1所示

等时传输(同步传输)用在数据量大、对实时性要求高的场合,例如音频设备、视频设备等,这些设备对数据延迟很敏感。对于音频或者视频设备来说,对数据的100%正确要求不高,少量数据的错误还是能够容忍的,主要的是要保证不能停顿;所以等时传输是不保证数据100%正确的。当数据错误时,并不进行重传操作。因此等时传输也就没有应答包。数据是否正确,可以由数据包的CRC校验来确认。至于出错的数据如何处理,由软件来决定。等时传输使用等时事务(isochronous-transaction)来传输数据。图2是等时事务的流程图

以上就是中断传输和等时传输了,你明白了吗?

USB之特殊包

前面文章我们说了令牌包、数据包、握手包,今天我们来看最后一个特殊包,本篇文章主要说明特殊包以及如何处理数据包,下面们开说.

特殊包是一些在特殊场合使用的包。总共有4种:pE、r、 SPLIT和PNG其中PRE、 SPLIT、PING是令牌包,ERR是握手包。ERR、 SPLIT、PING三个是在USB2.0协议中新增的。

PRE是通知集线器打开其低速端口的一种前导包。PRE只使用在全速模式中。平时,为了防止全速信号使低速设备误动作,集线器是没有将全速信号传送给低速设备的。只有当收到PRE令牌包时,才打开其低速端口。PRE令牌包与握手包的结构一样,只有同步域、PID和EOP。当需要传送低速事务时,主机首先发送一个PRE令牌包(以全速模式发送)。对于全速设备,将会忽略这个令牌包。集线器在收到这个令牌包后,打开其连接了低速设备的端口。接着,主机就会以低速模式给低速设备发送令牌包、数据包等。

PING令牌包与OUT令牌包具有一样的结构,但是PING令牌包后并不发送数据,而是等待设备返回ACK或者NAK,以判断设备是否能够传送数据。在USB1.1中,是没有PING令牌包的。只有在USB.0高速环境中才会使用PING令牌包,它只被使用在批量传输和控制传输的输出事务中直接使用OUT令牌包发送数据时,不管设备是否有空间接收数据,都会在OUT令牌包之后跟着发送一个数据包,如果设备没有空间接收数据,就返回一个NAK这样的结果就是浪费了总线带宽,白白传送了数据。在高速设备中增加了这个PING机制,主机先用PING令牌包试试设备是否有空间接收数据,而不用事先把数据发送出去。在全速模式下,有时会遇到一个很有趣的现象,就是下位机程序慢了一点点处理完数据,结果传输速度却下降了很多。这就是前面所说的OUT过程直接发送数据导致的,也就是说,虽然程序只慢了一点,但是却丢弃了整个数据包。

接下来我们来说说如何处理数据包. SPLIT令牌包是高速事务分裂令牌包,通知集线器将高速数据包转化为全速或者低速数据包发送给其下面的端口。ERR握手包是在分裂事务中表示错误使用。由于高速分裂事务过程比较复杂,主要属于集线器的功能,在此就不详述了,感兴趣的读者可以阅读USB2.0协议相关部分。

这么多类型的包以及传输过程,那我们该怎么去处理呢?其实,如果使用现成的USB接口芯片,很多过程,USB接口芯片都已经处理好了,可以不用太关心这些细节,只要知道有这么一个过程就行了。

一般的USB接口芯片会完成如CRC校验、位填充、PD识别、数据包切换、握手等协议的处理。

当USB接口芯片正确接收到数据时,如果有空间保存,则它将数据保存并返回ACK,同时,设置一个标志表示已经正确接收到数据;如果没有空间保存数据,则自动会返回NAK。

收到输入请求时,如果有数据需要发送,发送数据,并等待接收ACK。只有当数据成功发送出去(即接收到应答信号AC)之后,它才设置标志,表示数据已成功发送;如果无数据需要发送,则它自动返回NAK。

通常只需要根据芯片提供的一些标志,准备要发送的数据到端点,或者从端点读取接收到的数据即可。所要发送和接收的数据是指数据包中的数据,至于同步域、包标识、地址、端点、CRC等是看不到的在 BUS Hound中抓到数据也是如此,仅是数据包;并且, BUS Hound中只能看到成功传输的数据,即只有ACK确认过的数据包。在USB接口芯片中,通过一些标志可以知道是哪个端点接收或者成功发送了数据。另外,由于控制传输比较特殊, SETUP包也会有相应的标志供我们使用。

至此为止我们的包结构和包分类就全部说完了,通过对这些包的了解,我们会更加清楚的认识USB的通信知识.对我们做USB通信有很大的帮助.希望通过文章的内容分享,能给大家带来收获.