嵌入式微控制器固件開發與應用（簡體書）

本書圍繞SDK的開發展開，通過分析MCU內核與外設工作原理，結合API介紹各個外設的編程和應用。希望通過本書，使傳統單片機工程師面向寄存器的開發思維得到一些轉變，能夠嘗試運用成熟的軟件框架來高效地完成應用開發。本書可供具有一定C語言知識和硬件基礎的嵌入式系統工程師使用，同時也可以作為高等院校電子信息工程相關專業的教學參考書。

工業和信息化部人才交流中心(以下簡稱中心)創建於1985年1月，1992年10月成為獨立事業法人單位，工業和信息化部所屬的黨政機關一類事業單位(正局級)，是經中央機構編制委員會辦公室批准，國家事業單位登記管理局註冊登記，是工業和信息化部在人才培養、人才交流、智力引進、國際交流、會議展覽等方面的支撐機構；也是人力資源和社會保障部、工業和信息化部“全國信息專業技術人才知識更新工程”及“信息化工程師”項目實施承辦單位。

序一
中國經濟已經由高速增長階段轉向高質量發展階段，正處在轉變發展方式、優化經濟結構、轉換增長動力的攻關期。習近平總書記在党的十九大報告中明確指出，要堅持新發展理念，主動參與和推動經濟全球化進程，發展更高層次的開放型經濟，不斷壯大我國的經濟實力和綜合國力。
對於我國的集成電路產業來說，當前正是一個實現產業跨越式發展的重要戰略機遇期，前景十分光明，挑戰也十分嚴峻。在政策層面，2014年《國家集成電路產業發展推進綱要》發佈，提出到2030年產業鏈主要環節達到國際先進水平，實現跨越發展的發展目標；2015年，國務院提出“中國製造2025”，將集成電路產業列為重點領域突破發展首位；2016年，國務院頒佈《“十三五”國家信息化規劃》，提出構建現代信息技術和產業生態體系，推進核心技術超越工程，其中集成電路被放在了首位。在技術層面，目前全球集成電路產業已進入重大調整變革期，中國集成電路技術創新能力和中高端芯片供給水平正在提升，中國企業設計、封測水平正在加快邁向第一陣營。在應用層面，5G移動通信、物聯網、人工智能等技術逐步成熟，各類智能終端、物聯網、汽車電子及工業控制領域的需求將推動集成電路的穩步增長，因此集成電路產業將成為這些產品創新發展的戰略制高點。
展望“十三五”，中國集成電路產業必將迎來重大發展，特別是黨的十九大提出要加快建設製造強國，加快發展先進製造業，推動互聯網、大數據、人工智能和實體經濟深度融合等新的要求，給集成電路發展開拓了新的發展空間，使得集成電路產業由技術驅動模式轉化為需求和效率優先模式。在這樣的大背景下，通過高層次的全球合作來促進我國國內集成電路產業的崛起，將成為我們發展集成電路的一個重要抓手。
在推進集成電路產業發展的過程中，建立創新體系、構建產業競爭力，最終都要落實在人才上。人才培養是集成電路產業發展的一個核心組成部分，我們的政府、企業、科研和出版單位對此都承擔著重要的責任和義務。所以我們非常支持工業和信息化部人才交流中心、恩智浦(中國)管理有限公司、電子工業出版社共同組織出版這套“物聯網與人工智能應用開發叢書”。這套叢書集中了眾多一線工程師和技術人員的集體智慧和經驗，並且經過了行業專家學者的反復論證。我希望廣大讀者可以將這套叢書作為日常工作中的一套工具書，指導應用開發工作，還能夠以這套叢書為基礎，從應用角度對我們未來產業的發展進行探索，並與中國的發展特色緊密結合，服務中國集成電路產業的轉型升級。

刁石京 工業和信息化部電子信息司司長
2018年1月

序二
隨著摩爾定律逐步逼近極限，以及雲計算、大數據、物聯網、人工智能、5G等新興應用領域的興起，細分領域競爭格局加快重塑，圍繞資金、技術、產品、人才等全方位的競爭加劇，當前全球集成電路產業進入了發展的重大轉型期和變革期。
自2014年《國家集成電路產業發展推進綱要》發佈以來，隨著“中國製造2025”“互聯網+”、大數據等國家戰略的深入推進，國內集成電路市場需求規模進一步擴大，產業發展空間進一步增大，發展環境進一步優化。在市場需求拉動和國家相關政策的支持下，我國集成電路產業繼續保持平穩快速、穩中有進的發展態勢，產業規模穩步增長，技術水平持續提升，資本運作漸趨活躍，國際合作層次不斷提升。
集成電路產業是一個高度全球化的產業，發展集成電路需要強調自主創新，也要強調開放與國際合作，中國不可能關起門來發展集成電路。
集成電路產業的發展需要知識的不斷更新。這一點隨著雲計算、大數據、物聯網、人工智能、5G等新業務、新平臺的不斷出現，已經顯得越來越重要、越來越迫切。由工業和信息化部人才交流中心、恩智浦(中國)管理有限公司與電子工業出版社共同組織編寫的“物聯網與人工智能應用開發叢書”，是我們產業開展國際知識交流與合作的一次有益嘗試。我們希望看到更多國內外企業持續為我國集成電路產業的人才培養和知識更新提供有效的支撐，通過各方的共同努力，真正實現中國集成電路產業的跨越式發展。
丁文武
2018年1月


序三
儘管有些人認為全球集成電路產業已經邁入成熟期，但隨著新興產業的崛起，集成電路技術還將繼續演進，並長期扮演核心關鍵角色。事實上，到現在為止還沒有出現集成電路的替代技術。
中國已經成為全球最大的集成電路市場，產業佈局基本合理，各領域進步明顯。2016年，中國集成電路產業出現了三個里程碑事件：第一，中國集成電路產業第一次出現製造、設計、封測三個領域銷售規模均超過1000億元，改變了多年來始終封測領頭，設計和製造跟隨的局面；第二，設計業超過封測業成為集成電路產業最大的組成部分，這是中國集成電路產業向好發展的重要信號；第三，中國集成電路製造業增速首次超過設計業和封測業，達到最快。隨著中國經濟的增長，中國集成電路產業的發展也將繼續保持良好態勢。未來中國將保持世界電子產品生產大國的地位，對集成電路的需求還會維持在高位。與此同時，我們也必須認識到，國內集成電路的自給率不高，在很長一段時間內對外依存度會停留在較高水平。
我們要充分利用當前物聯網、人工智能、大數據、雲計算加速發展的契機，實現我國集成電路產業的跨越式發展，一是要對自己的發展有清醒的認識；二是要保持足夠的定力，不忘初心、下定決心；三是要緊緊圍繞產品，以產品為中心，高端通用芯片必須面向主戰場。
產業要發展，人才是決定性因素。目前我國集成電路產業的人才情況不容樂觀，人才缺口很大，人才數量和質量均需大幅度提升。與市場、資本相比，人才的缺失是中國集成電路產業面臨的最大變量。人才的成長來自知識的更新和經驗的積累。我國一直強調產學研結合、全價值鏈推動產業發展，加強企業、研究機構、學校之間的交流合作，對於集成電路產業的人才培養和知識更新有非常正面的促進作用。由工業和信息化部人才交流中心、恩智浦(中國)管理有限公司與電子工業出版社共同組織編寫的這套“物聯網與人工智能應用開發叢書”，內容涉及安全應用與微控制器固件開發、電機控制與USB技術應用、車聯網與電動汽車電池管理、汽車控制技術應用等物聯網與人工智能應用開發的多個方面，對於專業技術人員的實際工作具有很強的指導價值。我對參與叢書編寫的專家、學者和工程師們表示感謝，並衷心希望能夠有越來越多的國際優秀企業參與到我國集成電路產業發展的大潮中來，實現全球技術與經驗和中國市場需求的融合，支持我國產業的長期可持續發展。

魏少軍 教授
清華大學微電子所所長
2018年1月


序四
千里之行 始於足下

人工智能與物聯網、大數據的完美結合，正在成為未來十年新一輪科技與產業革命的主旋律。隨之而來的各個行業對計算、控制、連接、存儲及安全功能的強勁需求，也再次把半導體集成電路產業推向了中國乃至全球經濟的風口浪尖。
歷次產業革命所帶來的衝擊往往是顛覆性的改變。當我們正為目不暇接的電子信息技術創新的風起雲湧而喝彩，為龐大的產業資金在政府和金融機構的熱推下，正以前所未有的規模和速度投入集成電路行業而驚歎的同時，不少業界有識之士已經敏銳地意識到，構成並驅動即將到來的智能化社會的每一個電子系統、功能模塊、底層軟件乃至檢測技術都面臨著巨大的量變與質變。毫無疑問，一個以集成電路和相應軟件為核心的電子信息系統的深度而全面的更新換代浪潮正在向我們走來。
如此的產業巨變不僅引發了人工智能在不遠的將來是否會取代人類工作的思考，更加現實而且緊迫的問題在於，我們每一個人的知識結構和理解能力能否跟得上這一輪技術革新的發展步伐？內容及架構更新相對緩慢的傳統教材以及漫無邊際的網絡資料，是否足以為我們及時勾勒出物聯網與人工智能應用的重點要素？在如今僅憑獨到的商業模式和靠免費獲取的流量，就可以瞬間增加企業市值的IT盛宴裡，我們的工程師們需要靜下心來思考在哪些方面練好基本功，才能在未來翻天覆地般的技術變革時代立於不敗之地。
帶著這些問題，我們在政府和國內眾多知名院校的熱心支持與合作下，精心選題，推敲琢磨，策劃了這一套以物聯網與人工智能的開發實踐為主線，以集成電路核心器件及相應軟件開發的最新應用為基礎的科技系列叢書，以期對在人工智能新時代所面對的一些重要技術課題提出抛磚引玉式的線索和思路。
本套叢書的準備工作始終得到了工業和信息化部電子信息司刁石京司長，國家集成電路產業投資基金股份有限公司丁文武總裁，清華大學微電子所所長魏少軍教授，工業和信息化部人才交流中心王希征主任、李甯副主任，電子工業出版社黨委書記、社長王傳臣的肯定與支持，恩智浦半導體的任霞女士、張伊雯女士、陳劼女士，以及恩智浦半導體各個產品技術部門的技術專家們為叢書的編寫組織工作付出了大量的心血，電子工業出版社的董亞峰先生、徐薔薇女士為叢書的編輯出版做了精心的規劃。著書育人，功在後世，借此機會表示衷心的感謝。

未來已來，新一代產業革命的大趨勢把我們推上了又一程充滿精彩和想像空間的科技之旅。在憧憬人工智能和物聯網即將給整個人類社會帶來的無限機遇和美好前景的同時，打好基礎，不忘初心，用知識充實腳下的每一步，又何嘗不是一個主動迎接未來的良好途徑？

鄭力
寫於2018年拉斯維加斯CES科技展會現場

前言
在萬物互聯的時代，物聯網和傳感器網絡所產生的海量數據，可為人工智能的“大腦”做出準確的決策提供重要依據。在醫療、工業和教育等各行各業產生巨大變革的當今時代，人工智能和物聯網這兩個領域的技術碰撞出的能量，將改變人類的生活方式。對嵌入式開發者而言，要抓住變化帶來的機遇，既要修煉好內功，熟練掌握微控制器、軟件和算法，同時也要補充好網絡、存儲和雲計算等相關知識，這樣的挑戰是前所未有的。採用新的方法學和有效的工具來提高學習和開發效率，是物聯網時代嵌入式開發的必經之路。
長期以來，單片機工程師們為使用寄存器編程，或是調用庫函數編程，哪一種方法更好而爭論不休，各持己見。筆者于2005年開始接觸嵌入式開發，十餘年的學習和工作期間，先後經歷了以上兩種開發模式，對這

目錄
第1章 微控制器開發基礎 001
1.1 微控制器的發展與趨勢 002
1.2 ARM Cortex-M微控制器內核 006
1.2.1 ARM與Cortex處理器的發展 006
1.2.2 Cortex-M家族成員 007
1.2.3 Cortex-M內核技術特點與優勢 010
1.3 CMSIS微控制器外設庫 014
1.4 Cortex-M集成開發環境和調試工具 018
1.4.1 集成開發環境 018
1.4.2 調試工具 019
1.5 恩智浦LPC5411X系列低功耗通用微控制器 021
1.5.1 家族成員與功能概要 021
1.5.2 系統框圖與內存映射 023
1.5.3 評估板與擴展板介紹 024
1.6 小結 025
第2章 MCUXpresso軟件與工具開發套件 027
2.1 MCUXpresso IDE集成開發環境 028
2.1.1 MCUXpresso IDE的主要特性 029
2.1.2 安裝MCUXpresso IDE 029
2.1.3 初識MCUXpresso IDE 031
2.2 MCUXpresso Config Tools配置工具 033
2.2.1 SDK生成器工具 033
2.2.2 Pins Tool引腳分配工具 036
2.2.3 Clocks Tool時鐘配置工具 037
2.3 MCUXpresso SDK軟件開發套件 038
2.3.1 架構分析 038
2.3.2 文件目錄 040
2.3.3 外設驅動命名與依賴 041
2.3.4 外設驅動API 043
2.4 實例：Hello world 052
2.5 小結 058
第3章 微控制器的啟動過程 059
3.1 上電啟動後硬件自動執行的操作序列 061
3.2 從複位中斷向量進入C程序的世界 062
3.2.1 複位中斷函數概述 062
3.2.2 詳解LPC54114的啟動代碼 064
3.3 LPC54114的BootLoader 075
3.3.1 BootLoader概述 075
3.3.2 BootLoader在LPC54114上的應用 076
3.4 小結 081
第4章 時鐘子系統與管理 083
4.1 LPC54114的片上時鐘系統 084
4.1.1 時鐘源 085
4.1.2 上電後默認情況下的時鐘系統 086
4.1.3 使用PLL獲取更高頻率的時鐘信號 087
4.2 MCUXpresso SDK時鐘管理API 090
4.2.1 常用時鐘管理API 090
4.2.2 MCUXpresso SDK應用程序中配置時鐘的典型框架 094
4.3 MCUXpresso時鐘配置工具Clock Tool簡介 095
4.3.1 概述 095
4.3.2 在Clock Tool中創建LPC54114Xpresso板配置工程 097
4.4 實例：使用PLL倍頻輸出產生系統時鐘 102
4.5 小結 106
第5章 IO子系統與中斷 107
5.1 IO子系統的相關硬件模塊 108
5.1.1 IOCON IO引腳配置模塊 108
5.1.2 GPIO通用輸入/輸出模塊 109
5.1.3 PINT 引腳中斷模塊 110
5.1.4 INPUT MUX 輸入複用器 110
5.2 MCUXpresso SDK中的GPIO與PINT驅動 111
5.2.1 GPIO驅動API 112
5.2.2 PINT驅動API 113
5.3 MCUXpresso時鐘配置工具Pin Tool應用 116
5.3.1 概述 116
5.3.2 在MCUXpresso SDK工程中用Pin Tool分配引腳功能 117
5.4 實例：通過按鍵控制LED 121
5.5 小結 125
第6章 DMA原理與應用 127
6.1 DMA控制器概述 128
6.2 DMA特性和內部框圖 128
6.2.1 LPC5411x DMA特性 128
6.2.2 DMA內部框圖 129
6.3 DMA 外部引腳描述 130
6.4 DMA的幾個概念和功能說明 131
6.4.1 DMA的工作原理 131
6.4.2 DMA請求和觸發 131
6.4.3 DMA傳輸描述符 134
6.4.4 DMA傳輸模式 136
6.4.5 DMA低功耗模式 139
6.5 DMA模塊的SDK驅動介紹 140
6.6 實例：從DMA Memory到Memory的數據傳輸 144
6.6.1 環境準備 145
6.6.2 代碼分析 145
6.6.3 實驗現象 148
6.7 小結 149
第7章 ADC數模轉換器原理與應用 151
7.1 逐次逼近型ADC工作原理和過程 153
7.2 ADC數模轉換器常用性能指標 154
7.3 ADC特性和內部框圖 155
7.3.1 ADC特性 155
7.3.2 ADC內部框圖 156
7.4 ADC外部引腳描述 156
7.5 ADC功能說明 157
7.5.1 ADC時鐘 157
7.5.2 轉換序列 158
7.5.3 觸發轉換 159
7.5.4 轉換模式 159
7.5.5 轉換輸出 160
7.5.6 偏移誤差校準 161
7.6 ADC模塊的SDK驅動介紹 161
7.7 實例：使用ADC測量內部溫度 164
7.7.1 環境準備 164
7.7.2 代碼分析 165
7.7.3 現象描述 170
7.8 小結 171
第8章 USART異步串行通信接口原理與應用 173
8.1 USART控制器概述 174
8.2 USART模塊特性和內部框圖 175
8.2.1 LPC5411x USART特性 175
8.2.2 LPC5411x USART內部框圖 176
8.3 Flexcomm接口概述 176
8.3.1 Flexcomm功能說明 177
8.3.2 Flexcomm內部框圖 177
8.4 USART外部引腳描述 178
8.4.1 USART模塊引腳功能定義 178
8.4.2 USART引腳配置說明 179
8.5 USART基本功能說明 179
8.5.1 USART模塊初始化 180
8.5.2 USART的時鐘源與波特率配置 180
8.5.3 收發控制 182
8.5.4 低功耗模式下USART的喚醒 182
8.6 USART模塊的SDK驅動介紹 183
8.7 USART數據收發 189
8.7.1 環境準備 190
8.7.2 代碼分析 191
8.7.3 現象描述 195
8.8 小結 195
第9章 SPI同步串行通信接口原理與應用 197
9.1 SPI控制器概述 198
9.2 SPI特性和內部框圖 198
9.2.1 LPC5411x SPI特性 198
9.2.2 SPI內部框圖 199
9.3 SPI 外部引腳描述 200
9.4 SPI功能說明 201
9.4.1 SPI工作模式 201
9.4.2 SPI時鐘源和數據傳輸速率 203
9.4.3 超出16位的數據傳輸 204
9.4.4 低功耗模式下SPI喚醒 205
9.4.5 SPI數據幀延遲 205
9.5 SPI模塊的SDK驅動介紹 208
9.6 實例：SPI讀/寫外部Flash 214
9.6.1 實驗目的和環境準備 215
9.6.2 代碼分析 216
9.6.3 實驗現象 224
9.7 小結 225
第10章 I2C總線接口與應用 227
10.1 I2C控制器概述 228
10.2 I2C特性和內部框圖 229
10.2.1 LPC5411x I2C特性 229
10.2.2 I2C內部框圖 229
10.3 I2C外部引腳描述 230
10.4 I2C功能說明 232
10.4.1 I2C協議簡介 232
10.4.2 I2C總線速率和時鐘延伸 233
10.4.3 I2C的尋址方式和低功耗喚醒 235
10.4.4 I2C的死鎖和超時機制 238
10.5 I2C模塊的SDK驅動 241
10.6 實例：I2C中斷方式實現數據收發 249
10.6.1 實驗目的和硬件電路設計 249
10.6.2 實例軟件設計 250
10.6.3 main文件 251
10.6.4 現象描述 255
10.7 小結 255
第11章 I2S總線協議與應用 257
11.1 I2S總線協議簡介 258
11.2 I2S特性和內部框圖 260
11.2.1 I2S特性 260
11.2.2 I2S內部框圖 261
11.3 I2S外部引腳描述 262
11.4 I2S功能說明 262
11.4.1 I2S時鐘 263
11.4.2 數據速率 263
11.4.3 數據幀格式和模式 264
11.4.4 FIFO緩衝區的使用方法 266
11.5 I2S模塊的SDK驅動介紹 267
11.6 實例：使用I2S中斷方式傳輸播放音頻 271
11.6.1 環境準備 271
11.6.2 代碼分析 272
11.6.3 現象描述 276
11.7 小結 277
第12章 FlashlAP在應用編程模塊的應用 279
12.1 IAP在應用編程的通用基礎知識 280
12.2 IAP命令執行詳解 280
12.3 IAP模塊的SDK驅動介紹 283
12.4 使用IAP驅動讀/寫內部Flash 284
12.4.1 環境準備 284
1