Footnotes#

1. MPU_mpu为什么不能直接访问寄存器#

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   • 深入理解MPU_mpu为什么不能直接访问寄存器-CSDN博客
   • https://blog.csdn.net/qq_20334947/article/details/86603530
   • 文章浏览阅读1.9w次，点赞25次，收藏190次。文章目录前言何为MPUMPU适用场景探讨MPU相关寄存器介绍前言之前在一段时间内接触过MPU，当时由于要完成任务，所以对MPU没有做过多的研究，并且在网上搜索关于MPU的资料，能把他介绍的很全面的很少，下面是我个人结合ARM的官方文档以及自己整理的一些资料，以Cortex-M0+架构为基础讲解MPU，希望能对大家有所帮助。何为MPUMPU意思是Memory Protect Unit，即为存…_mpu为什么不能直接访问寄存器
   • 2024-09-28 14:38<18>

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   文章目录#

   • 前言

   • 何为MPU

   • MPU适用场景探讨

   • MPU相关寄存器介绍

   • MPU的使用和配置

   • 存储器屏障

   • 后记

   前言#

   之前在一段时间内接触过MPU，当时由于要完成任务，所以对MPU没有做过多的研究，并且在网上搜索关于MPU的资料，能把他介绍的很全面的很少，下面是我个人结合ARM的官方文档以及自己整理的一些资料，以Cortex-M0+架构为基础讲解MPU，希望能对大家有所帮助。

   何为MPU#

   MPU意思是Memory Protect Unit，即为存储保护单元，它是位于存储器内部的一个可编程的区域，定义了存储器的属性和存储器的访问权限。MPU不会提升嵌入式应用的性能，而是用于系统中问题的检测(比如试图访问非法或者不允许的存储器位置所导致的应用错误)。如果检测到有错误，则会触发HardFault异常。实际上，许多微控制器用不到MPU，但MPU可以提高嵌入式系统的健壮性，在如下的情况中使得系统更加安全：

   • 避免应用任务破坏其他任务或者OS内核使用的栈或数据存储器。
   • 避免非特权任务访问对系统可靠性和安全性很重要的外设。
   • 将SRAM或RAM定义为不可执行的(永不执行，XN)，可以防止代码注入攻击。

   还可以利用MPU定义其他存储器属性，例如可被输出到系统级的缓存单元或存储器 控制器的可缓存性。MPU默认是禁止的，此时对于存储器来说，其使用的是默认的存储器属性。

   MPU适用场景探讨#

   其实对于简单的应用，比如IO控制，不太可能会用到MPU，除非使用的微处理器中存在系统级的缓存且需要MPU对其进行定义。
   物联网，如果应用是和网络相关的东西，或者应用面临着无法信任的通信接口，则MPU有助于提高安全性。例如：将用于通信缓冲的存储器区域定义为不可执行的地址区域后，就可以防止代码注入攻击。
   工业控制领域，如果应用需要很高的可靠性，则MPU可为多任务系统中栈加以限制，以检测一些意想不到的错误。
   汽车应用，MPU常用于汽车部件中。软件部件间不能互相有接口，所以需要MPU处理存储器区域。

   我们可以将MPU的应用分为以下几类：

   • 安全管理：
     未受信任或者风险较高的软件部件，应该运行在非特权等级。MPU可以限制这些部件访问的存储器空间。
     用作通信缓冲RAM空间中可能包含通信注入的恶意代码，MPU可以将存储器空间定义为不可执行。
   • 系统可靠性：
     在多任务的系统中，MPU可以定义应用任务栈的合法存储器空间，使得任务不会破坏其他任务或OS数据栈的空间。
     若应用具有较高的安全需求，则MPU可以将栈空间最后定义为不可访问的存储器空间，这样可以检测出栈溢出。
     有些程序可能需要将代码复制到SRAM中执行，或者将向量表复制到SRAM中以提高访问速度。在复制完代码或者向量之后，存储器空间可以被定义为只读的，防止存储器空间被意外的修改。
   • 存储器属性管理：
     可以利用MPU定义可被缓存的存储器空间，以及存储策略(写通vs写回)。
     利用MPU配置覆盖掉某个存储器空间的默认配置。
     总之，我们需要根据具体的项目需要，选择MPU是默认配置还是需要改一些配置，这样才能使我们的应用更加符合要求。

   MPU相关寄存器介绍#

   Cortex-M0+处理器中的MPU最多支持8个可编程的存储器空间以及1个可选的背景区域。每个可编程的区域都有自己的起始地址、大小以及属性设置。对于ARM-v6M和ARM-v7M架构，MPU的区域可以重叠，如果某存储区域位于两个已编程的MPU区域中，则其存储属性和权限会基于编号更大的那个区域​，处理器在执行不可屏蔽中断(NMI)或HardFault处理时，MPU访问权限会被忽略。例如，可以将SRAM栈底的一小块SRAM空间定义为不可执行，将MPU用作栈溢出的检测机制。当栈到达边界的时候，HardFault可以忽略MPU限制并在错误的处理中使用预留的SRAM空间。
   下面介绍MPU相关寄存器。
   1.MPU类型寄存器
   其可用于确定MPU是否存在，若DREGION区域读出为0，则表明MPU不存在。
   (MPU->TYPE, 0xE000ED90)

   位	名称	类型	复位值	描述
   23<16>	IREGION	R	0	本MPU支持的指令区域数，由于ARM-v6M架构使用统一的MPU，其总数为0
   15<8>	DREGION	R	0或8	MPU支持区域数
   0	SEPARATE	R	0	由于MPU为统一的，其总为0

   2.MPU控制寄存器
   其有3个控制位，复位后，该寄存器数值为0，这样会禁止MPU。若要使能MPU，软件需要首先设置MPU区域，然后设置控制寄存器中的ENABLE位。
   (MPU->CTRL, 0xE000ED94)

   位	名称	类型	复位值	描述
   2	PRIVDEFENA	R/W	0	特权等级默认的存储器映射使能，设置为1且MPU使能时，同背景区域一样，特权访问会使用默认的存储器映射，若未设置该位，则背景区域禁止且任何不在使能区域范围内的访问都将引发错误
   1	HFNMIENA	R/W	0	若设置为1，则MPU在硬件错误处理和不可屏蔽中断(NMI)处理中也是使能的，否则在硬件错误以及NMI中不使能
   0	ENABLE	R/W	0	若设置为1则使能MPU

   说明：MPU控制寄存器中的PRIVDEFENA位用于使能背景区​(区域“-1”)，若未设置其他区域，那么通过PRIVDEFENA，特权程序可以访问所有的存储器位置，只有非特权程序才会被阻止。如果设置并使能其他的MPU区域，则背景区域可能会被覆盖。
   HFNMIENA用于定义NMI、HardFault异常执行期间或FAULTMASK置位时MPU的行为。MPU在这些情况下默认被禁止，即便是MPU设置的不正确，它也可以使HardFault和NMI异常处理正常执行。
   3.MPU区域编号寄存器
   在设置每个区域前，写入该区域以选择编程区域。
   (MPU->RNR, 0xE000ED98)

   位	名称	类型	复位值	描述
   7<0>	REGION	R/W	–	选择待编程的区域

   4.MPU区域基地址寄存器
   每个区域的起始地址在MPU区域基地址寄存器中，利用VALID和REGION域，可以跳过设置MPU区域编号寄存器这一步，可以降低程序的代码复杂度。
   (MPU->RBAR, 0xE000ED9C)

   位	名称	类型	复位值	描述
   31	ADDR	R/W	–	区域基地址，N取决于区域的大小，例如64KB大小区域的基地址为[31<16>]
   4	VALID	R/W	–	若为1，则bit[3<0>]定义的REGION会用在编程阶段，否则会使用MPU区域编号寄存器选择的区域
   3<0>	REGION	R/W	–	若VALID为1，该域会覆盖MPU区域编号寄存器，否则会被忽略。由于Cortex-M3和Cortex-M4的MPU支持8个区域，当REGION域大于7时，会忽略掉区域编号覆盖。

   5.MPU区域基本属性和大小寄存器
   此外需要配置每个区域的属性。
   (MPU->RASR, 0xE000EDA0)

   位	名称	类型	复位值	描述
   31<29>	保留	–	–
   28	XN	R/W	0	指令访问禁止(1=禁止从本区域取指令，强行访问会引起存储器管理错误)
   27	保留	–	–
   26<24>	AP	R/W	000	数据访问允许域
   23<22>	保留	–	–
   21<19>	TEX	R/W	000	类型展开域，在此架构中始终为0
   18	S	R/W	–	可共用
   17	C	R/W	–	可缓存
   16	B	R/W	–	可缓冲
   15<8>	SRD	R/W	0x00	子区域禁止
   7<6>	保留	–	–
   5<1>	REGIO大小	R/W	–	MPU保护区域大小
   0	ENABLE	R/W	0	区域使能

   其中REGION SIZE域决定了区域的大小，例如：

   REGION大小	大小
   b00111	256字节
   b01000	512字节
   b01010	2KB
   …	…
   b11100	512MB
   …	…
   b11111	4GB

   ​子区域禁止​用于将一个区域分为8个相等的子区域并定义每个部分为使能或禁止。若一个子区域被禁止且和另一区域重叠，则另一区域的访问规则会起作用。若子区域禁止但并未和其他区域重叠，则对该存储器区域访问会导致HardFault异常。
   数据访问权限(AP)域(bit[26<24>])定义了区域的AP，如下所示：

   AP数值	特权访问	用户访问	描述
   000	无访问	无访问	无访问
   001	R/W	无访问	只支持特权访问
   010	R/W	R	用户程序的写操作会导致异常
   011	R/W	R/W	全访问
   100	无法预测	无法预测	无法预测
   101	R	无访问	只支持特权读
   110	R	R	R
   111	R	R	R

   XN(永不执行)(bit[28])决定是否允许从该区域取指。
   TEX(类型扩展)、S(可共享)、B(可缓冲)、C(可缓存)域(bit[21<16>])，这些属性在每次寄存器和数据访问的时候都会被输出到总线系统，并且该信息可被写缓冲或缓存单元等总线系统使用。
   而对于微控制器来说，只有B(可缓冲)属性会影响到处理器中的写缓冲。
   若使用的微控制器支持设备缓存，则多数情况下可被配置为如下情况：

   类型	存储器类型	常用存储器操作
   ROM，Flash(可编程存储器)	普通存储器	不可共用，写通，C=1，B=0，TEX=0，S=0
   内部SRAM	普通寄存器	可共用，写通，C=1，B=0，TEX=0，S=0
   外部RAM	普通寄存器	可共用，写回，C=1，B=1，TEX=0，S=1
   外设	设备	可共用，设备，C=0，B=1，TEX=0，S=1

   其中，可共享属性​对于具有缓存的多处理器系统非常重要，若传输标志为可用的，则缓存系统需要额外一些工作以确保不同的处理期间的缓存数据的一致性。单处理系统一般用不到可共享属性。

   MPU的使用和配置#

   在我们使用MPU之前，需要确定程序或应用程序访问的存储器区域，其中包括：

   • 中断处理和OS内核在内的特权应用代码，一般来说只支持特权访问​。
   • 中断处理和OS内核在内的特权应用使用的数据存储器，一般只支持特权访问​。
   • 非特权应用程序代码，全访问​。
   • 非特权应用栈等数据存储器，全访问​。
   • 中断处理和OS内核在内的特权应用使用外设，只支持特权访问​。
   • 用于非特权的外设，全访问。
     对于存储器来说，MPU的要求为：
   • 存储器大小必须为2的整数次方，在256KB到4GB之间。
   • 存储器起始地址必须对齐到区域大小的整数倍。例如我的区域大小为4KB(0x100)，那么我的起始地址必须为N*0x100​
     程序示例
     这里我只写一些通用的可配置的一些子函数，具体如何配置还要根据不同的使用情况来，但大致都是这个流程。

   //使能MPU时可以带有输入配置项
   void mpu_enable(uint32_t options)
   {
     MPU->CTRL = MPU_CTRL_ENABLE_MASK | options; //禁止MPU
     __DSB();  //确保MPU设置生效
     __ISB();  //利用更新后的设置
     return;
   }
   
   //禁止MPU
   void mpu_disable(void)
   {
     __DMB(); //确保之前传输全部完成
     MPU->CTRL = 0;  //禁止MPU
     return;
   }
   
   //禁止区域函数(0到7)
   void mpu_region_disable(uint32_t region_num)
   {
     MPU->RNR = region_num;
     MPU->RBAR = 0;
     MPU->RASR = 0;
     return;
   }
   
   //使能区域函数
   void mpu_region_config(uint32_t region_num, uint32_t addr, uint32_t size, uint32_t attributes)
   {
     MPU->RNR = region_num;
     MPU->RBAR = addr;
     MPU->RASR = size | attributes;
     return;
   }

   存储器屏障#

   在上述的代码示例中，我们使用到了存储器屏障指令：

   • ​DMB​（数据存储器屏障），在禁止MPU前使用，确保数据的传输不会重新排序，并且如果有未完成的传输，会等到传输完成之后在写入MPU相应寄存器。
   • ​DSB​（数据同步屏障），在使能MPU后使用，确保接下来的ISB指令只会在写入MPU控制寄存器结束后才执行，可以确保后续的数据传输使用新的MPU设置。
   • ​ISB​（指令同步屏障），用于DSB之后，确保处理器流水线被清空且接下来指令利用更新后的MPU设置被重新读出。
     建议使用上述指令，虽然处理器的流水线相对简单，忽略这些存储器特性也不会产生什么问题，但从软件可移植的角度来说，这样可以使软件可移植性得到提高。适用于其他Cortex-M系列处理器。
     若MPU应用于嵌入式OS中，且MPU配置在上下文切换操作中完成(一般是PendSV异常处理)，则异常入口和退出流程具有ISB的效果，所以从这个角度看就不需要ISB指令了。

   后记#

   后续如果还有时间，可能会更新关于MPU子区域禁止的一些使用，但个人感觉这篇文章可以作为新手的入门了，希望能对你有所帮助，大家一起学习，共同进步！ ↩

2. MPU详解及其应用#

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   • 小猫爪：嵌入式小知识11-MPU详解及其应用-CSDN博客
   • https://blog.csdn.net/Oushuwen/article/details/124712708
   • 文章浏览阅读8.4k次，点赞21次，收藏126次。小猫爪：嵌入式小知识11-MPU详解及其应用1 前言2 MPU简介3 MPU相关概念3.1 Memory Map3.2 MPU Region3.3 Region优先级3.4 Background Region3.5 Cache的读写策略3.5.1 Cache的读操作3.5.1 Cache的写操作4 MPU寄存器介绍4.1 MPU_TYPE4.2 MPU_CTRL4.3 MPU_RNR4.4 MPU_RBAR4.5 MPU_RASR4.5.1 XN4.5.2 AP4.5.3 TEX, C, B, S4.5_mpu
   • 2024-09-28 14:37<33>

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   小猫爪：嵌入式小知识11-MPU详解及其应用#

   • 1 前言

   • 2 MPU简介

   • 3 MPU相关概念

   • 3.1 Memory Map

   • 3.2 MPU Region

   • 3.3 Region优先级

   • 3.4 Background Region

   • 3.5 Cache的读写策略

   * [3.5.1 Cache的读操作](https://blog.csdn.net/Oushuwen/article/details/124712708#351_Cache_28)

   * [3.5.1 Cache的写操作](https://blog.csdn.net/Oushuwen/article/details/124712708#351_Cache_33)

   • 4 MPU寄存器介绍

   • 4.1 MPU_TYPE

   • 4.2 MPU_CTRL

   • 4.3 MPU_RNR

   • 4.4 MPU_RBAR

   • 4.5 MPU_RASR

   * [4.5.1 XN](https://blog.csdn.net/Oushuwen/article/details/124712708#451_XN_68)

   * [4.5.2 AP](https://blog.csdn.net/Oushuwen/article/details/124712708#452_AP_70)
   * [4.5.3 TEX, C, B, S](https://blog.csdn.net/Oushuwen/article/details/124712708#453_TEX_C_B_S_73)
   * [4.5.4 SRD](https://blog.csdn.net/Oushuwen/article/details/124712708#454_SRD_85)
   * [4.5.5 SIZE](https://blog.csdn.net/Oushuwen/article/details/124712708#455_SIZE_87)

   • 5 MPU应用注意事项

   • 6 MPU的errata和Workaround

   • 6.1 1259864

   • 6.2 1013783

   • 6.3 834922

   • 6.4 838169

   • 6.5 834923

   • END

   1 前言#

     前段时间被MPU（Memory Protection Unit）搞得头疼欲裂，所以就简单的学习了一下，得空做个总结，接下来就来看看这个MPU到底是个什么玩意？MPU其实是属于ARM核自带的一个外设，是跟核绑定在一起的，所以关于它的资料都在ARM核的各种参考指南中，大家请自行下载参考。

   2 MPU简介#

     MPU说简单点其实就是一个内存访问权限控制器，如果CPU在访问内存时不符合MPU定义的访问权限的话，那么访问就会被驳回，并且会触发一次错误异常，即Hardfault异常（或者MemManage异常，可通过SCB->SHCSR来配置）。配置内存访问权限的好处主要有：

   1. 避免应用程序破坏其他任务或者OS使用的栈和堆
   2. 避免非特权任务访问对系统可靠性和安全性很重要的外设
   3. 防止恶意代码注入攻击
   4. 控制存储器相关访问属性

   3 MPU相关概念#

   3.1 Memory Map#

     众所周知，大部分M核目前是32位寻址，那就代表了核能访问0~2^32-1地址范围，总共4G大小的内存空间。芯片厂商会根据自己的设计将内部Flash，内部SRAM，TCM，外设寄存器，还有外部存储器等等的访问地址映射分布在这4G中，这就被称为Memory Map，所以MPU管理的对象就是整个4G空间。

   3.2 MPU Region#

     MPU可将整个4G分成若干个区域，然后对每个区域设置地址区间（起始地址和大小）和不同的访问权限来达到预期的保护目标。一般来说，M3核和M4最大支持8个区域，而M7最大支持16个区域，而这个区域就叫做MPU Region。

   3.3 Region优先级#

     上面提到可对每一个MPU Region设置地址区间，那么如果两个Region有重叠的部分，那么这个时候Region Number大的优先级高。即对于同一块内存区间，Region0设置该区间可访问，而Region3设置该该区间不可访问，那么这个区间的权限遵循Region3的配置为不可访问。基本如下图所示：
   ​

   3.4 Background Region#

     由于每个区间可设置地址区间，那么就会存在一种情况，那就是等所有的Region都配置完之后，4G空间中还有一些区域没有被所有的Region覆盖到，而这些没有被Region覆盖的区域就叫做Background Region。MPU可单独配置对Background Region的属性为默认特权访问权限还是不可访问。
   ​

   3.5 Cache的读写策略#

     Cache是M核中的一个高速读写缓存区，在这里对其就不多做介绍了，在这里简单的介绍一下Cache的读写策略，另外Cache的读写策略被MPU控制。

   3.5.1 Cache的读操作#

     如果CPU要读取的数据在Cache中已经加载好，这就叫读命中（Cache hit），如果Cache里面没有则就叫做读失效（Cache Miss）。如果Cache Miss后，就会有下列两种情况：

   1. 读通（Read through）：直接从内存区读取数据，不经过Cache
   2. 读分配（Read allocate）：先把数据读取到Cache中，再从Cache中读取数据

   3.5.1 Cache的写操作#

     如果CPU要写的数据在Cache中已经开辟了对应的区域（专业词汇叫Cache Line，以32字节为单位），这就叫写命中（Cache hit），如果Cache里面没有开辟对应的区域，这就叫写失效（Cache Miss）。

     如果如果Cache hit后，就会有下列两种情况：

   1. 写通（Write-through）：在数据更新时，把数据同时写入Cache和存储区操作简单，写入速度慢
   2. 写回（Write-back）：只有在数据被替换出Cache时，被修改的缓存数据才会被写到后端存储器，写入速度快，但是一旦Cache中更新的数据未被写入到存储器中去时出现断电，则数据会丢失

     如果如果Cache Miss后，就会有下列两种情况：

   1. 写分配（Write allocate）：先把要写的数据载入到Cache中，写Cache，然后再通过flush的方式写入到内存中。
   2. 写不分配（No-write allocate）：直接把要写的数据写入到存储器中，不经过Cache。

   4 MPU寄存器介绍#

     与MPU相关的寄存器也是非常的简单，如下：
   ​

   4.1 MPU_TYPE#

   ​
     里面记录了MPU的最基础信息，那就是当前的这个MPU所能支持的Region个数（DREGION），一般可以通过读这个寄存器来了解当前片子是否支持MPU。

   4.2 MPU_CTRL#

   ​
   ​PRIVDEFENA​：使能特权模式下的默认存储器映射使能，即Background Region在特权访问模式下的访问权限，1特权访问可正常访问Background Region；0禁止访问，一切访问都会触发错误异常。
   ​HFNMIENA​：MPU的规则在异常（NMI, HardFault，MemManage，BusFault等等）中是否起作用。1是，0否。

   4.3 MPU_RNR#

   ​
     决定当前配置哪一个Region，其中REGION决定Region的序号。在设置每个区域前，写入这个寄存器可以选择要配置的Region。

   4.4 MPU_RBAR#

   ​
   ​REGION​：决定当前配置哪一个Region，其中REGION决定Region的序号。
   ​VALID​：决定​MPU_RBAR​[​REGION​]是否有效。1则有效；0则无效，这个时候​MPU_RNR​[​REGION​]有效。
   ​ADDR​：配置起始地址，起始地址必须要是Region大小的整数倍。仔细看ADDR所占的bit为[31]，这个N是由Region大小决定。举个例子，如果设置Region的大小为64K（0x10000），那么起始地址必须为64K的倍数，N则为16，即[31<16>]有效。

   4.5 MPU_RASR#

   ​
     这是MPU的核心寄存器了，其控制着每个Region的访问属性。

   4.5.1 XN#

     决定该Region是否可以取指令，类似于Linux中的可执行和不可执行。0可执行，1不可执行。

   4.5.2 AP#

     决定这块区域针对特权模式和非特权模式的最基本的访问属性，具体如下：
   ​

   4.5.3 TEX, C, B, S#

     在说TEX, C, B, S之前，先得介绍一下M核访问存储器数据的一个流程如下：
   
     在图中可以看到MPU不仅控制核内的访问属性，还控制着核外的访问属性，总之及其复杂，而TEX(类型展开), C（可缓存）, B（可缓冲）, S（可共享）则就是控制这些和内核外的访问权限。其中S（可共享）决定在多核系统中该Region是否可被其他核访问；对于一般的M核控制器来说，它没有实现系统级缓存，所以对我们来说其实就一个写缓冲（B）需要我们去关心，即上面提到的cache读写策略，但是其它的属性也不能胡乱设置，总之复杂无比。

     系统级缓存又分为inner缓存和outer缓存两级缓存。上面提到一般M核控制器没有实现系统级缓存，那么inner缓存和outer缓存属性一致；如果控制器实现了系统级缓存，这两级缓存是可以被单独控制的，属性可不一致。

     所以在设置TEX, C, B, S这几个属性的时候，需要将这4个属性结合在一起去考虑，具体如下表：
   
     仔细看表中最后一项，当TEX最高位=1时，那么这个时候TEX的低两位（AA）决定outer缓存属性，而CB（BB）共同决定inner缓存属性，这适用于那些实现了系统级两级缓存的控制器。AA和BB具体如下：
   ​

   4.5.4 SRD#

     子Region失能位。MPU将SIZE大于128字节的Region按照大小八等分分成8个子Region，而SRD总共8bit，则依次对应这8个子Region，可以通过SRD分被对这8个Region进行控制。0使能，1失能。

   4.5.5 SIZE#

     决定了该Region的大小，具体请参考如下代码：

   #define ARM_MPU_REGION_SIZE_32B      ((uint8_t)0x04U) ///!< MPU Region Size 32 Bytes
   #define ARM_MPU_REGION_SIZE_64B      ((uint8_t)0x05U) ///!< MPU Region Size 64 Bytes
   #define ARM_MPU_REGION_SIZE_128B     ((uint8_t)0x06U) ///!< MPU Region Size 128 Bytes
   #define ARM_MPU_REGION_SIZE_256B     ((uint8_t)0x07U) ///!< MPU Region Size 256 Bytes
   #define ARM_MPU_REGION_SIZE_512B     ((uint8_t)0x08U) ///!< MPU Region Size 512 Bytes
   #define ARM_MPU_REGION_SIZE_1KB      ((uint8_t)0x09U) ///!< MPU Region Size 1 KByte
   #define ARM_MPU_REGION_SIZE_2KB      ((uint8_t)0x0AU) ///!< MPU Region Size 2 KBytes
   #define ARM_MPU_REGION_SIZE_4KB      ((uint8_t)0x0BU) ///!< MPU Region Size 4 KBytes
   #define ARM_MPU_REGION_SIZE_8KB      ((uint8_t)0x0CU) ///!< MPU Region Size 8 KBytes
   #define ARM_MPU_REGION_SIZE_16KB     ((uint8_t)0x0DU) ///!< MPU Region Size 16 KBytes
   #define ARM_MPU_REGION_SIZE_32KB     ((uint8_t)0x0EU) ///!< MPU Region Size 32 KBytes
   #define ARM_MPU_REGION_SIZE_64KB     ((uint8_t)0x0FU) ///!< MPU Region Size 64 KBytes
   #define ARM_MPU_REGION_SIZE_128KB    ((uint8_t)0x10U) ///!< MPU Region Size 128 KBytes
   #define ARM_MPU_REGION_SIZE_256KB    ((uint8_t)0x11U) ///!< MPU Region Size 256 KBytes
   #define ARM_MPU_REGION_SIZE_512KB    ((uint8_t)0x12U) ///!< MPU Region Size 512 KBytes
   #define ARM_MPU_REGION_SIZE_1MB      ((uint8_t)0x13U) ///!< MPU Region Size 1 MByte
   #define ARM_MPU_REGION_SIZE_2MB      ((uint8_t)0x14U) ///!< MPU Region Size 2 MBytes
   #define ARM_MPU_REGION_SIZE_4MB      ((uint8_t)0x15U) ///!< MPU Region Size 4 MBytes
   #define ARM_MPU_REGION_SIZE_8MB      ((uint8_t)0x16U) ///!< MPU Region Size 8 MBytes
   #define ARM_MPU_REGION_SIZE_16MB     ((uint8_t)0x17U) ///!< MPU Region Size 16 MBytes
   #define ARM_MPU_REGION_SIZE_32MB     ((uint8_t)0x18U) ///!< MPU Region Size 32 MBytes
   #define ARM_MPU_REGION_SIZE_64MB     ((uint8_t)0x19U) ///!< MPU Region Size 64 MBytes
   #define ARM_MPU_REGION_SIZE_128MB    ((uint8_t)0x1AU) ///!< MPU Region Size 128 MBytes
   #define ARM_MPU_REGION_SIZE_256MB    ((uint8_t)0x1BU) ///!< MPU Region Size 256 MBytes
   #define ARM_MPU_REGION_SIZE_512MB    ((uint8_t)0x1CU) ///!< MPU Region Size 512 MBytes
   #define ARM_MPU_REGION_SIZE_1GB      ((uint8_t)0x1DU) ///!< MPU Region Size 1 GByte
   #define ARM_MPU_REGION_SIZE_2GB      ((uint8_t)0x1EU) ///!< MPU Region Size 2 GBytes
   #define ARM_MPU_REGION_SIZE_4GB      ((uint8_t)0x1FU) ///!< MPU Region Size 4 GBytes

   5 MPU应用注意事项#

     下面列出一些MPU的一些使用注意事项，如下：

   1. Region的起始地址必须是SIZE的整数倍
   2. 下面根据一些常见的存储器属性列出TEX, C, B, S的配置：
      ​​
   3. MPU_CTRL[ENABLE]可使能和失能MPU，正确配置MPU流程为：失能MPU，配置Region属性，使能MPU。
   4. 在配置MPU过程中需要使用存储器屏障指令：DMB（数据存储器屏障），在禁止MPU前使用，确保数据的传输不会重新排序，并且如果有未完成的传输，会等到传输完成之后在写入MPU相应寄存器。DSB（数据同步屏障），在使能MPU后使用，确保接下来的ISB指令只会在写入MPU控制寄存器结束后才执行，可以确保后续的数据传输使用新的MPU设置。ISB（指令同步屏障），用于DSB之后，确保处理器流水线被清空且接下来指令利用更新后的MPU设置被重新读出。
   5. 在实际调试过程中，如果出现问题，可查看SCB寄存器组的CFSR寄存器和MMFAR查看MPU错误标志和触发MPU错误的地址：
      ​​

   6 MPU的errata和Workaround#

     在ARM官网中，查看相关errata文件，会发现有几条跟MPU相关的errata，就以M7为例，对应文件《Cortex-M7 (AT610) and Cortex-M7 with FPU (AT611) Product Revision r0p1 Software Developers Errata Notice》，每一条errata都标明了有此errata的core版本已经已经在哪一版已被修复。

   6.1 1259864#

   ​
     这一条的大概意思就是M7在执行cache的写通操作时，如果满足一定条件并满足一定时序则会偶尔发生写通操作时序被打断导致最后数据不正确。该errata暂时没有直接的Workaround，可以通过将该Region的缓冲属性设置成写回，或者将其设置成不可缓冲（no-cacheable）。

   6.2 1013783#

   ​
     这一条的大概意思就是如果使能了MPU，并使能了PRIVDEFENA位，那么如果执行PLD指令去访问了那些没有被MPU Region覆盖的地址区域的话，可能会导致触发异常（HardFault或者MemManage）。另外M核的Speculative Access可能就会触发一个PLD指令，所以当存在这个bug的时候就会出现一个非常离奇的现象，那就是程序跑着跑着突然就挂了，而且这个挂死的程序位置还在不停的变化。

     这条errata的Workaround也是及其的简单，那就是让MPU的Region覆盖整个4G空间，并且将未被使用的区域的属性设置成no-access。具体做法就是让Region0覆盖整个4G区间，并且配置其AP属性为no-access，再配置其他的Region配置其他已被使用的内存空间，因为Region的优先级特性，后面的Region会覆盖掉Region0的属性。具体操作如下：
   ​

     ​插入个小经历​：之前接触RT1170的时候遇到了一个bug，就是程序跑着跑着程序就挂了，挂了之后，也没有进入异常，调试器连接不上核。后来经过一大堆人的努力，最后就查到了M核的这个errata，而这个errata出现错误是会触发HardFault的，而在RT1170上的现象并不一样。之所以没有触发异常，而是直接挂死，这跟RT1170本身的存储器控制器结构有关，RT1170去访问一个未被使用的一些特定区域时，RT1170是不会触发异常的，而是会把总线直接卡死。所以对这个现象所能给出的推测是：Speculative Access触发了PLD指令，因为被访问目的地址所在Region的访问属性被配置为可访问（比如这个区域处于在Background Region中，或者用户人为将其属性配置成可访问），所以PLD指令就会偶发的去访问该Region，而该Region在RT1170中正好又是未被使用特殊的区域（如未使用外部SDRAM），所以就会导致RT1170内部总线卡死。 (​其实至今也没办法证明确实就是这个问题导致的，但是目前只有这一个合理的解释，而且这样修改后，死机问题也没有再次出现了​)。解决办法其实跟上述一致，那就是让MPU的Region覆盖整个4G空间，并且将未被使用的区域的属性设置成no-access，具体操作方法同上所述。下面贴出RT1170的errata截图，上面描述了具体的描述和Workaround，感兴趣的人可以自行查阅。
   ​

   6.3 834922#

   ​
     这一条的大概意思就是当HFNMIENA没有被使能时，即MPU的规则在异常中不生效，而且还要使用MPU的默认的Memory Map配置，这个时候去设置FAULTMASK的时候如果被打断了，那么接下来就会导致不可预估的事情发生（其实这个bug大概率是遇不到了，不仅产生条件苛刻，而且在r0p2版本早就修复了，不用太过担心）。

     这条errata的Workaround也是及其的简单，就是在置位FAULTMASK之前，先把PRIMASK置位，具体操作如下：
   ​

   6.4 838169#

   ​
     这一条errata其实是cache的bug，跟MPU本身并没有多大的关系，只是说在配置MPU和cache存储之间如果没有DSB屏障指令的话可能会间接导致这个bug的发生。所以在这里再次强调，在配置MPU的时候，一定要按照5 MPU应用注意事项中的第四条的要求插入存储器屏障指令。

   6.5 834923#

   ​
   这一条的大概意思就是有一种情况可能会导致MPU工作不正常，由于导致这种情况出现的条件非常苛刻，而且也没有workaround去避免，所以只能做的就是尽量去避免这种情况发生，在这里就不多作解释和介绍了，具体的条件如下：
   ​

   END#

   ↩

3. 硬件基础元器件【2.电容篇】_电容等效模型#

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   • 硬件基础元器件【2.电容篇】_电容等效模型-CSDN博客
   • https://blog.csdn.net/qq_43417647/article/details/128163045
   • 文章浏览阅读1.4w次，点赞48次，收藏274次。电容是电子设备中不可缺少的电子元器件，应用十分广泛。电容的种类繁多，结构也各不相同，但其基本原理是一样的，都是依靠电荷的相互作用力把电荷存储起来。电容相比于电阻，种类更多，更加复杂。作为电子工程师，需要掌握各种电容的基本原理、基本参数、电气特性、选型方法等。_电容等效模型
   • 2024-09-28 14:54<02>

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   2 电容

   文章目录#

   • 2.1 电容的主要作用

   • 2.2 电容的主要参数

   • 2.3 电容的等效模型

   • 2.3.1 等效串联电阻ESR

   • 2.3.2 等效串联电感ESL

   • 2.3.3 电容阻抗的频率特性

   • 2.4 选型要点

   • 2.4.1 多层陶瓷电容(MLCC)

   * [通用MLCC的分类](https://blog.csdn.net/qq_43417647/article/details/128163045#MLCC_116)

   * [MLCC选型要点](https://blog.csdn.net/qq_43417647/article/details/128163045#MLCC_127)

   • 2.4.2 钽电容

   • 2.4.3 电解电容

   • 2.5 电容的主要应用场景

   • 2.5.1 电容

   * [去耦半径](https://blog.csdn.net/qq_43417647/article/details/128163045#_154)

   • 2.5.2 旁路电容
   • 2.5.3 耦合电容

    电容是电子设备中不可缺少的电子元器件，应用十分广泛。电容的种类繁多，结构也各不相同，但其基本原理是一样的，都是依靠电荷的相互作用力把电荷存储起来。电容相比于电阻，种类更多，更加复杂。作为电子工程师，需要掌握各种电容的基本原理、基本参数、电气特性、选型方法等。

   2.1 电容的主要作用#

   • 作为电荷缓冲池
     在电路中，电源的负载是动态的，即器件的电流和功耗是不断变化的。为了保证电路稳定工作，可以使用电容作为电荷的缓冲池，保证器件工作电压的稳定。($\Delta U = \dfrac{\Delta Q}{C}$，$\Delta U$表示电容两端电压变化量，$\Delta Q$表示电荷变化量，C为电容容值)
   • 用来泄放高频噪声
     高速电路中，无时无刻都存在状态改变，从而在电路中产生大量噪声干扰。在电源的传输路径上，需要通过电容将这些高频噪声写放到相对稳定的地平面中，避免干扰器件的正常工作。(根据阻抗公式：$Z=\dfrac{1}{j\omega C}$，在频率较高时，电容表现为低阻抗)
   • 用于交流耦合
     当两个器件通过高速信号相连时，信号想断的器件可能对直流分量有不同的要求。在这种情况下，需要使用电容将信号携带的直流分量在接收端之前滤除。

   2.2 电容的主要参数#

   1、标称电容量
   标称电容量为电容的标注值。其实际容值会随着工作频率、工作电压、测量方法等变化而变化。
   2、额定电压
   指在额定环境温度下，可以连续加在电容两端的最高直流电压有效值。
   3、精度
   实际容量与标称容量之间的偏差。
   4、谐振频率
   由于电容的寄生参数，在谐振点以上频率工作时，会表现为感性。应避免电容的工作频率高于谐振频率。
   5、损耗因数
   又称耗散系数，用字母$DF$表示。因为电容的泄露电阻、ESR、ESL比较难分开，所以许多厂家会将他们合并成一个指标，损耗因数。定义为：​电容每周期损耗能量与存储能量之比，又称损耗角正切​，表示为$\tan{\delta}$。在电容的泄露电阻、ESR、ESL三个指标中，ESR起主要作用，所以损耗因数计算时通常只考虑ESR值：
   $DF = \tan \delta\text{(损耗角)} = \dfrac{ESR}{X_C} = 2\pi f C\cdot ESR$
   6、​品质因数Q​：电容的品质因数(Q值)为电容存储功率与损耗功率之比：
   $Q_C = \dfrac{\dfrac{1}{\omega C}}{ESR}$

   2.3 电容的等效模型#

    在普通电路设计中，通常只需要关注电容的容值、精度、耐压值、封装、工作温度、温漂等参数。但是，在高速电路或者电源系统中，以及一些对电容要求很高的时钟电路中，需要考虑电容的各种寄生参数。此时的电容是由一个等效串联电阻ESR、等效串联电感ESL和一个等效并联电阻Rleak组成的电路。
   电容的等效模型如下图所示：
   ​

   图2.1 电容等效模型 * ​ESL​：由电容器的引脚电感和电容器两极间的等效电感串联组成

   • ​ESR​：由电容器件的引脚电阻和电容器件两极间等效电阻构成，主要取决于电容的工作温度、工作频率以及电容本身的导线电阻等
   • ​Rleak​：取决于电容的泄露特性

   2.3.1 等效串联电阻ESR#

    电容的数据手册中给出的ESR一般为一定工作频率内，电容器内部串行电阻的最大值，该值随工作频率变化而变化。图2.2是YAGEO(国巨)公司的电容数据手册中，给出的阻抗和ESR随频率变化的曲线。图中的虚线为该电容在不同频率下的ESR值。

   ​​

   图2.2 国巨的电容阻抗频率特性曲线

    ​同一封装下，容值越小，ESR越大；同一容值，封装越大，ESR越大​。图2.3是muRata(村田)公司官网提供的电容ESR频率特性曲线(这是一个链接)。其中浅蓝色曲线是0603、0.1uF电容，红色曲线是0402、0.1uF电容，绿色曲线是0603、1uF电容，深蓝色曲线是0402、1uF电容。

   ​​

   图2.3 不同封装、容值的电容ESR频率特性曲线

   电容的ESR往往会带来以下影响：

   • 电容的ESR会产生损耗功率。
     根据电容损耗角正切值的定义，较大的ESR会产生较大的损耗功率，虽然比较小，但电容数量较多时也需要考虑其功耗。
   • 滤波电容中影响滤波效果
     对于电源滤波电容来说，是通过给高频噪声一个低阻抗的对地回路，来实现滤除噪声的效果，ESR太大明显对滤波不利。
   • 耦合电容中造成高频信号衰减
     在交流耦合电路中，电容串接在信号两端，高ESR会对高频信号产生一定的衰减。

   ​注意​：通常来说，电容的ESR越小越好。但也存在例外情况，例如在LDO电源电路中，有时对输出电容有最低ESR要求，具体会在电源滤波电容章节叙述。

   2.3.2 等效串联电感ESL#

    电容的ESL值通常取决于电容的类型和封装。需要考虑电容ESL的电路通常是高速电路，信号频率较高。这种情况下，往往采用ESL小的贴片电容，对于插孔式的电容，如铝电解电容，其ESL大得多。通常来说，​贴片电容的封装越小，其ESL越小​。这里的封装小，是指封装影响其寄生电感大小：内部电容体距PCB焊盘的距离更近，pcb焊盘与电容接触面积更大，则ESL更小。(0612封装的贴片电容与1206封装对比，0612封装电容的ESL小得多，甚至小于0201封装的电容)

   2.3.3 电容阻抗的频率特性#

    如图2.4所示，对电容器件而言，由于电容分量的存在，电容器件的阻抗随着频率的升高而逐渐降低，这是电容器件的本体属性；ESL分量则使电容的阻抗随着频率的升高而逐渐增加。这两种作用正好相反。在电容分量和ESL分量的共同作用下，电容器件的整体阻抗表现为，随着频率的升高，首先是电容分量起主导作用，使阻抗逐步变小，器件表现为电容的阻抗特性，滤波效果渐强；当达到某一频点时发生​谐振​，此时电容分量和ESL分量对阻抗的效果正好抵消，在谐振点上，电容器件阻抗最小，​等于电容的ESR分量​；此后，随着频率继续升高，ESL分量起主导作用，使阻抗逐步增大，器件表现为电感的阻抗特性，滤波效果渐弱。

   ​​

   图2.4 电容阻抗频率特性曲线

    滤波电容的作用机制是为噪声等干扰提供一条低阻抗回路，在噪声频率点上，要求滤波电容的阻抗较小，即当噪声频率落在谐振点附近时，电容的滤波效果最好。如图2.3所示，谐振点由两条曲线交会而成，左边的曲线取决于电容器件的容值C，右边的曲线取决于电容器件的ESL。由谐振频率公式$F=(ESR \times C)^{-\frac{1}{2}}$可知，​容值和ESL越大，则谐振频率越低​，即电容对高频干扰的滤波效果越差；​容值和ESL越小，谐振频率越高​，越适于滤除高频干扰。

    噪声等干扰的频率往往并不确定，高速电路中需要的是一个比较宽的低阻抗频带，满足电路滤除各频段噪声的滤波要求。理想电容的阻抗会随频率不断降低，但由于等效串联电感的存在，当频率增大到一定值时，阻抗反而会增大。也正是因为谐振频率的存在，我们可以利用不同型号电容谐振频率不一的特点，构筑一段低阻抗的频带，达到更好的滤波效果。因此，我们经常可以看到滤波电路中，采用了多种不同型号的的电容。

   那么实际使用多个电容并联来滤波时，该如何确定各个电容的参数呢？

    电路设计需要考虑高频和低频两种噪声，针对这两种噪声，应选取不同的滤波电容。​低频噪声选用大电容，高频噪声选用小电容​，这是许多工程师达成的共识。在实际工作中，这种说法并不完全正确。

    在前面我们已经论述过，电容的阻抗随频率变化的曲线与他的寄生参数密切相关。其寄生参数对阻抗-频率特性曲线的具体影响如图2.5所示。当使用的电容的容值更大时，阻抗的低频特性会更好，低频阻抗会更低。当使用的电容ESL更小时，电容的高频阻抗会更小，拥有更好的高频性能。而电容的ESR则决定了电容的全频段阻抗，电容的ESR更小，则谐振点的阻抗会越低。在滤波时，选用电容的ESR自然是越小越好。

   ​​

   图2.5 电容阻抗频率特性曲线随寄生参数变化

    电容的容值可以通过通过额定电容量来选择，而电容的ESL与封装大小相关。因此我们通过选用不同容值，不同封装的电容就可以实现想要的滤波效果。总的选取原则为​低频噪声选用大封装大电容，高频噪声选用小封装小电容​。例如图2.6中红色曲线和绿色曲线构成的滤波频带，是我们想要达成的效果。

    图2.6是muRata(村田)公司官网提供的电容阻抗频率特性曲线。其中浅蓝色曲线是0603、0.1uF电容，红色曲线是0402、0.1uF电容，绿色曲线是0603、1uF电容，深蓝色曲线是0402、1uF电容。

   ​​

   图2.6 不同封装、容值的电容阻抗频率特性曲线

    当同封装，不同容值电容并联时，电容的ESL基本相当，容值小的ESR更大；参考图2.6中浅蓝色和绿色曲线、深蓝色和红色曲线；可以看出小容值电容起不到我们想要的拓宽滤波频带的作用，只能降低滤波电路阻抗。同理，当同容值、不同封装时，也达不到想要的滤波效果。实际电源滤波电路中，也存在许多个同容值、同封装电容并联的情况，如图2.7所示。这样做的目的，一方面是起到去耦电容的本地“小池塘”作用，另一方面是为了在谐振点上得到更低的阻抗。需要说明的是，这样做，并没有展宽低阻抗频带。

   ​​

   图2.7 同容值、封装电容阻抗频率特性曲线

   扩展补充
   大电容与小电容的容值差距不能太小，太小不能构成足够宽的低阻抗滤波频带；也不能太大，大电容在高频带呈感性，可能会与小电容构成LC并联谐振电路，在谐振状态时，电容和电感之间进行周期性的能量交换，以至流经电源层的电流非常小，电源层表现为高阻抗状态，称这种现象为反谐振。

   ​​

   图2.8 电容并联阻抗频率特性曲线-反谐振

   2.4 选型要点#

   在各种电容选型时，需要考虑的因素很多。除了标称容量、精度、额定电压、工作频率、封装尺寸、工作温度、阻抗(低频ESR、高频ESL)、纹波电流能力等基本参数外，不同型号、不同用途的电容还有一些需要特别注意的要点。

   2.4.1 多层陶瓷电容(MLCC)#

   通用MLCC的分类#

    MLCC可分为I类电容(低电容率系列、顺电体)和II类电容(高电容率系列、铁电体)。

    I类陶瓷电容为温度补偿类电容，其电气性能稳定，基本不随温度、电压、时间的变化而变化，但容量一般比较小。通常使用在对稳定性、可靠性要求高的电路中。温度补偿型陶瓷电容NP0(Negative Positive Zero)就是I类陶瓷电容，温度范围为-55 ~ +125$^\circ C$，温度系数为$0\pm30ppm/^\circ C$。NP0采用的是美国军用标准(MIL)来命名的，当采用美国电子工业协会(EIA)的命名标准时，表示为C0G。

    II类陶瓷电容就是我们常见的X7R、X5R、Y5V等。其温度稳定性较差，但容量相对较大。图2.8展示的是II类陶瓷电容命名符号的含义。

   ​​

   图2.8 MLCC的II类电容命名表

   MLCC选型要点#

   • ​容值降额至少20% ​。电容的标称容值为工作电压0V、环境温度25$^\circ C$时的值。在实际使用中，工作电压升高，电容的有效容值会降低；环境温度相对于25$^\circ C$不管是升高还是降低，都会引起电容的有效容值下降。
   • ​优先选用X7R和X5R电容​，高精度场景选用NP0介质电容。
   • ​关注电容的ESR参数​，注意满足线性电源稳定性和ESR要求。

   2.4.2 钽电容#

    钽电容使用金属钽作为介质，基于钽的固态特质，具有温度特性好、ESL值小、高频滤波性能好、体积小、容值较大等特点。因此钽电容一般被应用在需要大容量电容滤波的场合，如为CPU等高耗能器件滤波。钽电容的缺点是耐电压和耐电流的能力较弱。

    一般要求钽电容的工作电压​相对额定电压降额50%以上​。遇到以下三种场合之一，钽电容的额定电压需降额70%以上使用:

   • 负载呈现较强的感性
   • 串联电阻小
   • 瞬变电流大

    其原因在于，感性负载或较小的串联电阻会导致​较大的瞬变电流​，造成钽电容的金属钽介质被击穿。这使得在以下环节，铝电容的失效概率增大、老化测试、系统开机瞬间、单板热插拔瞬间。

    一般而言，容值越大的钽电容，其ESR值往往越小。根据电容的等效电路，ESR相当于电容器件的串联电阻，串联电阻越小越容易造成钽电容失效。因此在应用中需要注意，对于大容值的钽电容，更需要电压降额。从成本上来说，在使用大容值的钮电容时，还需要增加电压降额的比例，这势必造成成本的上升。因而在设计中，往往将若干小容值的钮电容并联以提供和大容值钮电容相同的容量。

    ​钽电容本身具有一定的自愈能力​，钽电容失效后不一定永久失效，只要外界环境的影响在一定范围之内，钽电容都能自我恢复。因此，为了保证单板长期稳定的工作，必须严格执行钮电容的电压降额，同时在设计时需注意，在涉及热插拔的电源滤波电路上，尽量避免使用钽电容。

   2.4.3 电解电容#

    优点是容量大、耐压高；缺点是精度差、温度稳定性差、高频特性差(ESL大、谐振频率低)。选用时，​电压降额至少20% ​。

   2.5 电容的主要应用场景#

   2.5.1 去耦电容#

    去耦电容，其作用是为保证器件稳定工作而给器件电源提供的本地“小池塘”。在高速运行的器件上，会不断产生快速变化的电荷需求，对于这种快速的需求，电源模块无法及时给器件提供电流以补充，只能依靠器件附近的电容给予解决。去耦电容还有另一个作用，是为高速运行器件产生的高频噪声提供一条就近流入地平面的低阻抗路径，避免这些噪声干扰影响到该电源的其他负载。

   去耦半径#

    理解去耦半径最好的办法就是考察噪声源和电容补偿电流之间的​相位关系​。当芯片对电流的需求发生变化时，会在电源平面的一个很小的局部区域内产生电压扰动，电容要补偿这一电流（或电压），就必须先感知到这个电压扰动。信号在介质中传播需要一定的时间，因此​从发生局部电压扰动到电容感知到这一扰动之间有一个时间延迟​。同样，电容的补偿电流到达扰动区也需要一个延迟。因此必然造成噪声源和电容补偿电流之间的相位上的不一致。

    电容，对与它自谐振频率相同的噪声补偿效果最好，我们以这个频率来衡量这种相位关系。设自谐振频率为$f$，对应波长为$\lambda$，补偿电流表达式可写为：
   $I = A e^{j2 \pi f \dfrac{2r}{v}}$
    其中，$A$是电流幅度，$r$是需要补偿的区域到电容的距离，$v$为信号传输速度。
    ​当扰动到电容的距离达到​**$\lambda /4$​时，相位相差​$90^{\circ}$​ ，补偿电流达到扰动点的相位为​$180^{\circ}$​ ，即完全反向，去耦电容失去作用​。此时补偿电流不再起作用，补偿的能量无法及时送达。为了能有效传递补偿能量，应使噪声源和补偿电流的相位差尽可能的小，最好是同相位的。距离越近，相位差越小，补偿能量传递越多。这就要求噪声源距离电容尽可能的近，要​远小于​$\lambda /4$**​。实际应用中，这一距离最好控制在 $\lambda /40 - \lambda /60$ ，这是经验数据。

    因此一个电容确定去耦半径的过程为：

   1. 计算电容的​自谐振频率​：$f=\frac{1}{2\pi \sqrt{LC}}$，或直接从手册中找到。
   2. 计算信号在PCB上的传输速度：$v = \frac{c}{\sqrt{E_r}}$，$E_r$是传播介质的相对介电常数。
   3. 计算对应频率信号的波长：$\lambda = \frac{v}{f}$。
   4. 按 $\lambda /40 - \lambda /60$ 确定该电容的去耦半径。

   2.5.2 旁路电容#

    旁路电容，其作用是为前级(如电源产生的高频噪声等干扰)提供一条流到地平面的低阻抗路径，以避免这些干扰影响正在高速工作的器件。

   2.5.3 耦合电容#

    选择交流耦合电容时，需要考虑数据帧的连续0和连续1比特位长度，用来确定选用电容的最小值。连续1相当于直流信号，给电容充电过程，接收端电压会逐渐下降，电路阻抗的耦合电容越大，压降越慢。
   选择的参考公式如下：

   $C_{min}=7.8\times NUM \times \dfrac{T_c}{R}$

   • $T_c$为每比特位的数据周期
   • $NUM$为最大允许连续0或连续1比特位数目
   • $R$为负载阻抗

    耦合电容也不能取太大，太大会导致无法满足高速信号变换的边沿斜率要求。
   由于电容的ESL和安装电感存在，电容在高频呈感性。电容太大，谐振点太靠前，会使高频信号的阻抗太大，造成信号衰减，上升沿变缓。 ↩

4. VCC、VDD、VSS等是什么意思#

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   • VCC、VDD、VSS等是什么意思_vdd vss-CSDN博客
   • https://blog.csdn.net/mahoon411/article/details/119301577
   • 文章浏览阅读2.3w次，点赞22次，收藏157次。参考资料：电源符号：VCC、VDD、VEE、VSS、VBAT各表示什么意思？1. 解释VCC：C=circuit 表示电路的意思, 即接入电路的电压；VDD：D=device 表示器件的意思, 即器件内部的工作电压；VSS：S=series 表示公共连接的意思，通常指电路公共接地端电压；其中：对于数字电路来说，VCC是电路的供电电压,VDD是芯片的工作电压(通常Vcc>Vdd)，VSS是接地点。例如，对于ARM单片机来说，其供电电压VCC一般为5V，一般经过稳压模块将其转换为单片机工_vdd vss
   • 2024-09-28 14:55<35>

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   参考资料：
   电源符号：VCC、VDD、VEE、VSS、VBAT各表示什么意思？

   这27个电源符号，还傻傻分不清楚？

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   1. 含义#

   VCC：C=circuit 表示电路的意思, 即接入电路的电压；
   VDD：D=device 表示器件的意思, 即器件内部的工作电压；
   VSS：S=series 表示公共连接的意思，通常指电路公共接地端电压；

   2. 说明#

   1. 一般来说，VCC=模拟电源,VDD=数字电源,VSS=数字地。
   2. 对于数字电路来说，VCC是电路的供电电压,VDD是芯片的工作电压(通常Vcc>Vdd)，VSS是接地点。例如，对于ARM单片机来说，其供电电压VCC一般为5V，一般经过稳压模块将其转换为单片机工作电压VDD = 3.3V
   3. 有些IC既有VDD引脚又有VCC引脚，说明这种器件自身带有电压转换功能。
   4. 在场效应管(或COMS器件)中，VDD为漏极，VSS为源极，VDD和VSS指的是元件引脚，而不表示供电电压。

   3. 助记#

   1、VCC：C可以理解为三极管的集电极Collector或者电路Circuit，指电源正极。

   2、VDD：D可以理解为MOS管的漏极Drain或者设备Device，指电源正极。

   3、VEE：E可以理解为三极管的发射极Emitter，指电源负极。

   4、VSS：S可以理解为MOS管的源极Source，指电源负极。

   5、VBB：B可以理解为三极管的基极B，一般指电源正极。

   6、AVCC，A是Analog的意思，模拟VCC，一般模拟器件会有。

   7、AVDD，A是Analog的意思，模拟VDD，一般模拟器件会有。

   8、DVCC，D是Digital的意思，数字VCC，一般在数字电路中。

   9、DVDD，D是Digital的意思，数字VDD，一般在数字电路中。

   10、AGND，模拟GND，对应AVCC或者AVDD的负极。

   11、DGND，数字GND，对应DVCC或者DVDD的负极。

   12、PGND，P是Power的意思，功率GND，比如DC-DC中就会有功率地和信号地区分。

   13、Vpp，有的好像叫Vpk，电压峰峰值，对于正弦信号，就是波峰电压减去波谷电压，最大值减去最小值。

   14、Vrms，rms是root mean squre的缩写，均方根的意思，Vrms一般指交流信号的有效值。

   15、VBAT，BAT是电池BATTERY的简写，一般指电池电压。

   16、VSYS，SYS是SYSTEM的简写，一般指平台方案（如MTK）的系统供电。

   17、VCORE，CORE指核心的意思，一般指CPU、GPU等芯片的核电压。

   18、VREF，REF是reference的意思，参考电压，比如ADC内部的参考电压等。

   19、PVDD，P是Power的意思，功率VDD。

   20、CVDD，这个C也是CORE，核电源VDD的意思。

   21、IOVDD，IO就是GPIO，指给GPIO供电的VDD，CAMERA里面会用到，I2C通信的上拉电源。

   22、DOVDD，CAMERA里面用到的，由外部供给CAMERA，一般也是模拟电源。

   23、AFVDD，Auto Focus VDD，意为自动对焦VDD电源，CAMERA里面会用到，给马达供电用的。

   24、VDDQ，DDR里面用到的，DDR里面有一个DQ信号，可以理解为给这些数据信号供电的。

   25、VPP，这个VPP是全大写的，DDR4里面用到的，DD3里面是没有的，称为激活电压，字位线的开启电压。

   26、VTT，一般VTT=1/2VDDQ，也是在DDR里面用到的，给一些控制信号提供电源的。

   27、VCCQ，在nand flash里面会用到，比如手机常用的eMMC、UFS等存储器，一般给IO供电。

   ‍ ↩

5. 三极管#

   三极管：电流控制型元件，因为使其导通的原理，是在BE上加电压，使其有电流经过。

   三极管用的很少了，因为他的导通需要持续的电流，一块电路上有巨多的三极管，功耗还是很大的。优势就是便宜，可以用在控制led灯、电平转换电路；耐高压大电流（这点我们几乎用不到）b基极、c集电极、e发射极

   三极管原理

   B集有电流时，CBE导通；B集没有电流时，CDB截止。

   三极管可以看作两个二极管的P区合为一体。但是厚度和掺杂的其他原子浓度和二极管不同。

   发射集E掺杂浓度很高，基集B掺杂浓度很低且很薄。直接在两个N区接电源，是不会导通的。

   ​​

   为了让三极管导通，则需要在EB之间再加一个电源，使得E区的自由电子向B移动。但是B区很薄且浓度低，其余的自由电子就通过C集流入电源，形成电流

   ​​

   选三极管要注意的参数：耐压值、额定电流、Vbe

   ​​

   三极管
   NPN	PNP
   ​ Base高，吸引电子，导通	​Base低，排斥电子，导通
   ​ 导通之后，BE之间有电流通过
   ​小箭头是：微小电流的流向

   ‍

   简单应用：

   ​​

   ​​

   8050三极管，当USB插入时，1处高电平，三极管导通，USB_DETECT被拉低，检测到USB插入。USB未插入时USB_DETECT电平不确定，需要设置为上拉输入，与USB插入作出区分

   ​​ ↩

6. 状态机按键消抖#

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   • 状态机按键消抖_状态机消抖-CSDN博客
   • https://blog.csdn.net/Yin_w/article/details/129570325
   • 文章浏览阅读1.9k次，点赞6次，收藏36次。最近研究了一下状态机消抖，不占用MCU资源的非阻塞消抖方式。_状态机消抖
   • 2024-09-28 14:59<33>

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   嵌入式_状态机按键消抖#

   状态机，FSM（Finite State Machine），也称为同步有限状态机从。指的是在同步电路系统中使用的，跟随同步时钟变化的，状态数量有限的状态机，简称有限状态机。

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   文章目录#

   • 嵌入式_状态机按键消抖

   • 前言

   • 一、状态机消抖原理

   • 二、实现步骤

   • 1、一共有四个按键，定义一个按键表：

   • 2、再定义一个按键属性结构体

   • 3、再定义一个按键状态

   • 4、接口函数

   • 5、按键结构体数据定义以及状态检测切换函数实现

   • 三、完整代码

   • 1、.h文件

   • 2、.c文件

   • 四、使用方法

   • 总结

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   前言#

   此代码是在STMF407平台使用标准库函数实现的，需要移植时请根据实际情况进行分析和修改。

   按键抖动：按键抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5ms～10ms。这是一个很重要的时间参数，在很多场合都要用到。按键稳定闭合时间的长短则是由操作人员的按键动作决定的，一般为零点几秒至数秒。键抖动会引起一次按键被误读多次。为确保单片机对按键的一次闭合仅作一次处理，必须去除键抖动。在键闭合稳定时读取键的状态，并且必须判别到按键释放到稳定状态后再去作处理。
   ​

   一般软件消抖一般又是直接一个简短延时Delay函数，数据阻塞式消抖效率低下，占用MCU资源，最近研究了一下状态机消抖，不占用MCU资源的非阻塞消抖。
   传统硬件消抖：利用电容的充放电特性来对抖动过程中产生的电压毛刺进行平滑处理，从而实现消抖。在按键的两端并联一个0.1uf的电容
   ​

   ---

   一、状态机消抖原理#

   如图：
   初始状态：图以黑色方框表示，此时按键没有按下，MCU会检测到有一个初始电平（可以是高电平也可以是低电平），此时状态没有边沿信号触发，触次数为0，当有手按这个按键时候会产生毛刺，当检测到首次与初始电平不一样的电平信号时，就会变为初始抖动状态。

   初始抖动状态：图以右上角灰色方框表示，接上文，按键状态变为初始抖动状态，会持续记录与初始电平不一样的电平信号触发次数，当持续N次时表示已经是持续的反转信号了说明按键确实按下了，此时就会直接跳转到反转状态，表示按键确实被按下。如果某一次检测到的信号还是和初始电平一样，那么就会重新置为初始状态，重新记录触发次数，直至持续N次的反转信号才会跳转到反转状态。

   反转状态：图以白色方框表示，接上文，此时按键确实是按下状态，MCU会检测到一个反转电平（与初始状态电平相反），此状态没有边沿信号触发时触次数为0，当有手重新按这个按键或松开按键时候会产生毛刺，当检测到首次与反转电平不一样的电平信号时，就会变为反转抖动状态。

   反转抖动状态：图以左下角灰色方框表示，接上文，按键状态变为反转抖动状态，会持续记录与反转电平不一样的电平信号触发次数，当持续N次时表示已经是持续的另一种信号了说明按键确实重新按下或松开，此时就会直接跳转到初始状态，表示按键确实被重新按下或松开。如果某一次检测到的信号还是和反转电平一样，那么就会重新置为反转状态，重新记录触发次数，直至持续N次的反转信号才会跳转到初始状态。

   ​​

   二、实现步骤#

   ​ 提示：本代码基于STM32F407标准库写的，主义修改及兼容性​

   1、一共有四个按键，定义一个按键表：#

   typedef enum                   // 按键表,
   {
     KEY0 = 0,
     KEY1,
     KEY2,
     KEY3,
     KEY_NUM,                     // 必须要有的记录按钮数量，必须在最后
   }KEY_LIST;

   2、再定义一个按键属性结构体#

   代码如下（示例）：

   typedef struct
   {
     uint8_t  KeysNum;            //序号
     GPIO_TypeDef*  GPIOX;          //端口
     uint16_t GPIO_PinsNum;          //引脚号
     uint16 KEY_TIMECOUNT;          //时间计数器
     GPIO_Pulltype GPIO_Pull;        //初始状态(未按下时候电平 0/1)
     KEY_STATUS key_NowStatus;        //按键当前状态
     uint8_t Key_Event;            //按键事件
   }KEY_COMPONENTS;

   3、再定义一个按键状态#

   代码如下（示例）：

   #define ENUM_ITEM(ITEM) ITEM,          //逗号不可省略
   #define ENUM_STRING(ITEM) #ITEM,
   
   #define KEY_STATUS_ENUM(STATUS)                  \
       STATUS(KS_RELEASE)           /*稳定松开状态*/       \
       STATUS(KS_PRESS_SHAKE)       /*按下抖动状态*/       \
       STATUS(KS_PRESS)             /*稳定按下状态*/       \
       STATUS(KS_RELEASE_SHAKE)     /*松开抖动状态*/       \
       STATUS(KS_NUM)               /*状态总数(无效状态)*/  \

   4、接口函数#

   extern void ScanKey(void);                //持续扫描函数
   extern KEY_STATUS key_status_check(uint Key_index);    //状态检测函数
   extern uint8_t Key_GetPinsVolt(uint8_t Pin_index);    //获取GPIO电平函数

   5、按键结构体数据定义以及状态检测切换函数实现#

   KEY_COMPONENTS Key_TestGrop[KEYSNUMBERS] =
   {
     { 0,GPIOE,GPIO_Pin_4,0,PuLL_UP,KS_RELEASE,0},      //key0
     { 1,GPIOE,GPIO_Pin_3,0,PuLL_UP,KS_RELEASE,0},      //key1
     { 2,GPIOE,GPIO_Pin_2,0,PuLL_UP,KS_RELEASE,0},      //key2
     { 3,GPIOA,GPIO_Pin_0,0,PuLL_DOWN,KS_RELEASE,0}      //WE_UP
   };
   /*分别是：编号 端口 引脚号 触发次数计数器 初始电平 初始状态 触发事件标记位*/
   /************************************************************************************
   *@fuction  :key_status_check
   *@brief    :状态机去抖动核心代码
   *@param    :--
   *@return  :按键状态
   *@author  :_Awen
   *@date    :2022-12-10
   ************************************************************************************/
   KEY_STATUS key_status_check(uint Key_index)
   {
     switch(Key_TestGrop[Key_index].key_NowStatus)
     {
       case KS_RELEASE:  //按键释放状态
       {
         Key_TestGrop[Key_index].KEY_TIMECOUNT = 0;
         /*判断是否有触发，有触发则进入抖动状态*/
         if (GET_VT(Key_index) != Key_TestGrop[Key_index].GPIO_Pull)
         {
           Key_TestGrop[Key_index].key_NowStatus = KS_PRESS_SHAKE;  //变为抖动状态
           Key_TestGrop[Key_index].KEY_TIMECOUNT = 0;              //初始触发次数
         }
       }
       break;
       case KS_PRESS_SHAKE://按键为触发抖动状态
       {
         /*累计触发次数+1*/
         Key_TestGrop[Key_index].KEY_TIMECOUNT++;
         /*判断是否有触发，无持续触发则保持正常释放状态*/
         if (GET_VT(Key_index) == Key_TestGrop[Key_index].GPIO_Pull)
         {
           Key_TestGrop[Key_index].key_NowStatus = KS_RELEASE;
         }
         /*检测到持续触发，触发次数大于最大次数，则变为按下状态*/
         else if (Key_TestGrop[Key_index].KEY_TIMECOUNT > MAXDEBOUNCING_DELAY)
         {
           Key_TestGrop[Key_index].key_NowStatus = KS_PRESS;
         }
       }
       break;
       case KS_PRESS: //触发状态
        {
         /*判断有无，无持续触发则进入释放抖动状态*/
         if (GET_VT(Key_index) == Key_TestGrop[Key_index].GPIO_Pull)
         {
           Key_TestGrop[Key_index].key_NowStatus = KS_RELEASE_SHAKE;
           Key_TestGrop[Key_index].KEY_TIMECOUNT = 0;
         }
       }
       break;
       case KS_RELEASE_SHAKE://释放抖动状态
       {
         /*累计触发次数+1*/
         Key_TestGrop[Key_index].KEY_TIMECOUNT++;
         /*判断是否有释放，无持续持续释放则保持触发状态*/
         if (GET_VT(Key_index) != Key_TestGrop[Key_index].GPIO_Pull)
         {
           Key_TestGrop[Key_index].key_NowStatus = KS_PRESS;
         }
         /*检测到持续释放信号，释放次数大于最大次数，则变为释放状态*/
         else if (Key_TestGrop[Key_index].KEY_TIMECOUNT > MAXDEBOUNCING_DELAY)
         {
           Key_TestGrop[Key_index].key_NowStatus = KS_RELEASE;
         }
       }
       break;
   
       default:break;
     }
   
     /*当前状态与正常释放状态不一致时，返回触发*/
     if(Key_TestGrop[Key_index].key_NowStatus != KS_RELEASE)  //按键按下
     {
       return KS_PRESS;
     }
     else
     {
       return KS_RELEASE;
     }
   }

   三、完整代码#

   1、.h文件#

   #ifndef __KEY_H
   #define __KEY_H
   
   #include "Config.h"
   
   #define KEYSNUMBERS    (4U)            //按键数量
   #define MAXDEBOUNCING_DELAY    (4U)   //消抖计数
   
   #define  GET_VT(i)    Key_GetPinsVolt(i)
   
   #define ENUM_ITEM(ITEM) ITEM,          //逗号不可省略
   #define ENUM_STRING(ITEM) #ITEM,
   
   #define KEY_STATUS_ENUM(STATUS)                  \
       STATUS(KS_RELEASE)           /*稳定松开状态*/       \
       STATUS(KS_PRESS_SHAKE)       /*按下抖动状态*/       \
       STATUS(KS_PRESS)             /*稳定按下状态*/       \
       STATUS(KS_RELEASE_SHAKE)     /*松开抖动状态*/       \
       STATUS(KS_NUM)               /*状态总数(无效状态)*/  \
   
   typedef enum
   {
     KEY_STATUS_ENUM(ENUM_ITEM)
   }KEY_STATUS;
   
   typedef enum                   // 按键表,
   {
     KEY0 = 0,
     KEY1,
     KEY2,
     KEY3,
     KEY_NUM,                     // 必须要有的记录按钮数量，必须在最后
   }KEY_LIST;
   
   typedef enum                  //未按按键状态下，按键高低电平状态
   {
     PuLL_DOWN = 0,
     PuLL_UP = !PuLL_DOWN
   }GPIO_Pulltype;
   
   typedef struct
   {
     uint8_t  KeysNum;            //序号
     GPIO_TypeDef*  GPIOX;        //端口
     uint16_t GPIO_PinsNum;      //引脚号
     uint16 KEY_TIMECOUNT;        //时间计数器
     GPIO_Pulltype GPIO_Pull;    //初始状态(未按下时候电平 0/1)
     KEY_STATUS key_NowStatus;    //按键当前状态
     uint8_t Key_Event;          //按键事件
   }KEY_COMPONENTS;
   
   extern KEY_COMPONENTS Key_TestGrop[];
   
   extern void ScanKey(void);
   extern KEY_STATUS key_status_check(uint Key_index);
   extern uint8_t Key_GetPinsVolt(uint8_t Pin_index);
   
   #endif

   2、.c文件#

   #include "KEY_Dev.h"
   
   uint8_t KK;
   
   KEY_COMPONENTS Key_TestGrop[KEYSNUMBERS] =
   {
     { 0,GPIOE,GPIO_Pin_4,0,PuLL_UP,KS_RELEASE,0},      //key0
     { 1,GPIOE,GPIO_Pin_3,0,PuLL_UP,KS_RELEASE,0},      //key1
     { 2,GPIOE,GPIO_Pin_2,0,PuLL_UP,KS_RELEASE,0},      //key2
     { 3,GPIOA,GPIO_Pin_0,0,PuLL_DOWN,KS_RELEASE,0}      //WE_UP
   };
   
   /************************************************************************************
   *@fuction  :key_status_check
   *@brief    :状态机去抖动核心代码
   *@param    :--
   *@return  :按键状态
   *@author  :_Awen
   *@date    :2022-12-10
   ************************************************************************************/
   KEY_STATUS key_status_check(uint Key_index)
   {
     switch(Key_TestGrop[Key_index].key_NowStatus)
     {
       case KS_RELEASE:  //按键释放状态
       {
         Key_TestGrop[Key_index].KEY_TIMECOUNT = 0;
         /*判断是否有触发，有触发则进入抖动状态*/
         if (GET_VT(Key_index) != Key_TestGrop[Key_index].GPIO_Pull)
         {
           Key_TestGrop[Key_index].key_NowStatus = KS_PRESS_SHAKE;  //变为抖动状态
           Key_TestGrop[Key_index].KEY_TIMECOUNT = 0;              //初始触发次数
         }
       }
       break;
       case KS_PRESS_SHAKE://按键为触发抖动状态
       {
         /*累计触发次数+1*/
         Key_TestGrop[Key_index].KEY_TIMECOUNT++;
         /*判断是否有触发，无持续触发则保持正常释放状态*/
         if (GET_VT(Key_index) == Key_TestGrop[Key_index].GPIO_Pull)
         {
           Key_TestGrop[Key_index].key_NowStatus = KS_RELEASE;
         }
         /*检测到持续触发，触发次数大于最大次数，则变为按下状态*/
         else if (Key_TestGrop[Key_index].KEY_TIMECOUNT > MAXDEBOUNCING_DELAY)
         {
           Key_TestGrop[Key_index].key_NowStatus = KS_PRESS;
         }
       }
       break;
       case KS_PRESS: //触发状态
        {
         /*判断有无，无持续触发则进入释放抖动状态*/
         if (GET_VT(Key_index) == Key_TestGrop[Key_index].GPIO_Pull)
         {
           Key_TestGrop[Key_index].key_NowStatus = KS_RELEASE_SHAKE;
           Key_TestGrop[Key_index].KEY_TIMECOUNT = 0;
         }
       }
       break;
       case KS_RELEASE_SHAKE://释放抖动状态
       {
         /*累计触发次数+1*/
         Key_TestGrop[Key_index].KEY_TIMECOUNT++;
         /*判断是否有释放，无持续持续释放则保持触发状态*/
         if (GET_VT(Key_index) != Key_TestGrop[Key_index].GPIO_Pull)
         {
           Key_TestGrop[Key_index].key_NowStatus = KS_PRESS;
         }
         /*检测到持续释放信号，释放次数大于最大次数，则变为释放状态*/
         else if (Key_TestGrop[Key_index].KEY_TIMECOUNT > MAXDEBOUNCING_DELAY)
         {
           Key_TestGrop[Key_index].key_NowStatus = KS_RELEASE;
         }
       }
       break;
   
       default:break;
     }
   
     /*当前状态与正常释放状态不一致时，返回触发*/
     if(Key_TestGrop[Key_index].key_NowStatus != KS_RELEASE)  //按键按下
     {
       return KS_PRESS;
     }
     else
     {
       return KS_RELEASE;
     }
   }
   
   
   uint8_t Key_GetPinsVolt(uint8_t Pin_index)
   {
     return  GPIO_ReadInputDataBit(Key_TestGrop[Pin_index].GPIOX,Key_TestGrop[Pin_index].GPIO_PinsNum);
   }
   
   /************************************************************************************
   *@fuction  :ScanKey
   *@brief    :
   *@param    :--
   *@return  :按键状态
   *@author  :_Awen
   *@date    :2022-12-10
   ************************************************************************************/
   void ScanKey(void)
   {
     uint8_t i = 0;
     for(i = 0;i < KEY_NUM;i++)
     {
       if(key_status_check(i) == KS_PRESS)
       {
         KK = i;
       }
     }
   }

   四、使用方法#

   1、根据实际需求配置按键表和Key_TestGrop结构体。

   2、在while循环或子任务中调用void ScanKey(void)函数.

   3、在需要判断按键是否按下或释放的位置调用KEY_STATUS key_status_check(uint Key_index)，判断其返回值即可.

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   总结#

   1、这里只对反转两种电平信号作判断，扩展一下可以做按下按键、长按按键、短按按键、双击或三击按键做判断。
   2、状态机应用非常实用，尤其是Switch case语句常用来作为多状态切换，不同状态使用不同功能的一种常用框架，必须掌握。
   如有错误，欢迎指正，原创不易，转载留名！ ↩

7. 使用串口下载程序_stm32串口下载#

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   • STM32 使用串口下载程序_stm32串口下载-CSDN博客
   • https://blog.csdn.net/m0_73640344/article/details/133131900
   • 文章浏览阅读2.7k次，点赞6次，收藏11次。本文介绍了STM32使用串口下载程序的过程，包括BootLoader的作用、启动配置以及如何解决每次串口下载都需要切换跳线帽的问题。通过BootLoader，STM32可以在接收串口数据后更新程序，即使在更新期间主程序处于瘫痪状态。
   • 2024-09-28 15:03<10>

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   STM32 使用串口下载程序#

   STM32 使用串口下载程序#

   1.串口下载的原理#

   ​​

   • 在ROM区的0x0800 0000位置，存储的就是编译后的程序代码，你把什么程序写入到这个位置，STM32就执行什么样的程序。如果想使用串口下载程序的话，我们只需要把数据通过串口发送给STM32，STM32接收数据，然后刷新到0x0800 0000这一块位置就行了。但是接收并转存数据，这个过程本身也是程序，如果利用程序进行自我更新，这是一个问题。

   就像是一个机器人，给自己换电池一样，换电池，需要先拆掉旧电池，再装上新电池，但是一旦把旧电池拆掉，机器人本身就无法工作了，这样之后装上新电池的工作就没法完成了，所以为了能让机器人换电池，我们还需要再额外做一个小机器人，需要换电池的时候，就启动这个小机器人，小机器人完成整个换电池的工作之后，再返回大机器人运行。

   同理，STM32通过串口进行程序的自我更新，就需要这样一个小机器人，这个小机器人就是BootLoader，BootLoader是ST公司写好的一段程序代码，这段程序的存储位置，就是ROM区的最后，0x1FFF F000，这段区域叫做系统存储器，存储的是BootLoader程序，或者叫自举程序。用途是程序自我更新，串口下载。在更新过程中，BootLoader接收USART1数据，刷新到程序存储器Flash，这是主程序就处于瘫痪状态，更新好之后再启动主程序，执行新程序，这就是串口下载的流程。

   1.1启动配置#

   ​​

   • 当Boot0 为0时，就是从主闪存，也就是0x0800 0000的位置开始运行
   • 当Boot0为1，Boot1为0时，就是从系统存储器，也就是0x1FFF F000开始运行
   • 当Boot0为1，Boot1为1时，就是从SRAM，也就是0x2000 0000开始运行

   由于系统复位后，在SYSCLK的第四个上升沿，BOOT引脚的值将被锁存，所以说，每次切换Boot引脚之后，都要按一下复位。

   2.每次串口下载都要切换跳线帽，如何解决#

   • ==1.STM32一键下载电路==
   • 或者在FlyMcu中选择编程后执行，并且取消选择编程到FLASH时写选项字节
   • ​​

   ​​

   由于其在软件上，人工加入了一条跳转指令（成功从0x0800 0000开始运行），这样就能执行主程序了，但是这样只是一次性的，复位之后，执行的程序仍然是BootLoader ↩

8. 程序的烧录方式 与 ISP一键下载#

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   • STM32程序的烧录方式 与 ISP一键下载_dtr的低电平复位,rts高电平进bootloader-CSDN博客
   • https://blog.csdn.net/tyler880/article/details/90311773
   • 文章浏览阅读2.6w次，点赞30次，收藏194次。一、启动模式（Boot modes）阅读：STM32中文参考手册_V10.pdf 查看启动配置（Boot modes）。在STM32F10xxx里，可以通过BOOT[1<0>]引脚选择三种不同启动模式。STM32三种启动模式对应的存储介质均是芯片内置的，它们是：1）用户闪存 = 芯片内置的Flash。2）SRAM = 芯片内置的RAM区，就是内存啦。3）系统存储器 = 芯片内部一块…_dtr的低电平复位,rts高电平进bootloader
   • 2024-09-28 15:03<49>

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   一、启动模式（Boot modes）#

   阅读：STM32中文参考手册_V10.pdf 查看启动配置（Boot modes）。

   在STM32F10xxx里，可以通过BOOT[1<0>]引脚选择三种不同启动模式。​

   STM32三种启动模式对应的存储介质均是芯片内置的，它们是：1）用户闪存=芯片内置的Flash。2）系统存储器=芯片内部一块特定的区域，芯片出厂时在这个区域预置了一段Bootloader，就是通常说的ISP程序。这个区域的内容在芯片出厂后没有人能够修改或擦除，即它是一个ROM区。3）SRAM=芯片内置的RAM区，就是内存啦。

   在每个STM32的芯片上都有两个管脚BOOT0和BOOT1，这两个管脚在芯片复位时的电平状态决定了芯片复位后从哪个区域开始执行程序，见下表：BOOT1=x BOOT0=0 从用户闪存启动，这是正常的工作模式。BOOT1=0 BOOT0=1 从系统存储器启动，这种模式启动的程序功能由厂家设置。BOOT1=1 BOOT0=1 从内置SRAM启动，这种模式可以用于调试。

   在系统复位后， SYSCLK的第4个上升沿， BOOT引脚的值将被锁存。用户可以通过设置BOOT1和BOOT0引脚的状态，来选择在复位后的启动模式。

   在从待机模式退出时， BOOT引脚的值将被被重新锁存；因此，在待机模式下BOOT引脚应保持为需要的启动配置。在启动延迟之后， CPU从地址0x0000 0000获取堆栈顶的地址，并从启动存储器的0x0000 0004指示的地址开始执行代码。

   因为固定的存储器映像，代码区始终从地址0x0000 0000开始(通过ICode和DCode总线访问)，而数据区(SRAM)始终从地址0x2000 0000开始(通过系统总线访问)。 Cortex-M3的CPU始终从ICode总线获取复位向量，即启动仅适合于从代码区开始(典型地从Flash启动)。 STM32F10xxx微控制器实现了一个特殊的机制，系统可以不仅仅从Flash存储器或系统存储器启动，还可以从内置SRAM启动。

   根据选定的启动模式，主闪存存储器、系统存储器或SRAM可以按照以下方式访问：
   ● 从主闪存存储器启动： 主闪存存储器被映射到启动空间(0x0000 0000)，但仍然能够在它原有的地址(0x0800 0000)访问它，即闪存存储器的内容可以在两个地址区域访问， 0x0000 0000 或 0x0800 0000。
   ● 从系统存储器启动： 系统存储器被映射到启动空间(0x0000 0000)，但仍然能够在它原有的地址(互联型产品原有地址为0x1FFF B000，其它产品原有地址为0x1FFF F000)访问它。(可用于串口下载)

   ● 从内置SRAM启动： 只能在0x2000 0000开始的地址区访问SRAM。

   注意： 当从内置SRAM启动，在应用程序的初始化代码中，必须使用NVIC的异常表和偏移寄存器，从新映射向量表之SRAM中。

   1， ST-LINK烧写#

   1.1 ST-LINK烧写的SWD模式#

   ST-LINK烧写的SWD模式 是ST-LINK烧写的一种方式，只需要4根接线。 分别为​VCC，GND，SWCLK, SWDIO​；

   如果用SWD模式下载的话，只需要接：J-LINK的第1脚（VDD）、第7脚（TMS/SWDIO对应stm32的PA13）、第9脚（TCK/SWCLK对应stm32的PA14）、第4.6.8.10.12.14.16.18.20中的任意一个脚（GND地脚）、需要说明的是第15脚（RESET对应stm32的NRST）可接可不接，大家根据实际自己决定（保险起见还是建议接上，不接时可以在MDK仿真器的设置里面不使用硬件复位，而是用system reset或者vect reset）！

   ​​

   用SWD下载参考电路图：

   ​​

   #

   1.2 ST-LINK烧写的JTAG模式#

   ​​

   ​​

   在JTAG模式下的程序烧写过程中需要进行单独对板子进行供电

   STM32F10XXX JTAG的引脚：

   ​​

   STM32F10XXX 芯片内部的JTAG引脚已带有内部上拉和下拉：

   ​​

   JTAG下载参考电路图：

   ​​

   2 ，USB转串口连接线烧写（又称ISP烧写，且使用的串口必须是串口1）#

   2.1 方法一（该方法用于手动设置下载）#

   ​Step1​<将boot0设置为1>，BOOT1设置为0，然后按下复位键，这样才能从系统存储器启动BootLoader;
   ​Step2​<最后在bootloader的帮助下>，通过串口下载程序到Flash中;
   ​Step3​<程序下载完成后>，必须要将BOOT0设置为GND，手动复位，这样，STM32才可以从Flash中启动。

   2.2 方法二（该方法用于软件一键下载）#

   我们想用串口下载代码，就要配置BOOT0为1，BOOT1为0，但是如果想让STM32一复位就运行代码，就要配置BOOT0为0，BOOT1配置为什么都可以，为了解决这个问题，我们可以设计一个电路，通过串口转USB芯片CH340G的DTR#和RTS#​引脚的信号来控制一键下载电路，从而间接控制STM32的RESET和BOOT0引脚的信号，来达到通过串口一键下载和运行的效果。

   一键下载电路参考：

   ​​

   串口下载软件选用的是FlyMcu或MCUISP，通过串口的DTR和RTS信号来自动配置BOOT0和RESET信号，不需要用户手动切换它们的状态，直接串口软件自动控制，可以方便的下载代码。

   ​​

   我们需要注意一点：CH340G上电后DTR​**#和RTS#​都为高电平，在用MCUISP烧写软件时，我们在软件下方选择“DTR的低电平复位，RTS高电平进BootLoader”，CH340G IC在实际操作时引脚的变化为“DTR​#拉高，RTS#​拉低”，即软件设置和实际情况是取非的，相反的。**

   首先，FlyMcu软件控制DTR输出低电平，则DTR#引脚输出高， 然后RTS置高，则RTS#​引脚输出低，这样Q3导通了，BOOT0被拉高，即实现设置BOOT0为1，同时Q2也会导通，STM32的复位脚被拉低，实现复位。

   然后，延时100ms后，FlyMcu软件控制DTR为高电平，则DTR#引脚输出低电平，RTS维持高电平，则RTS#​引脚继续为低电平，此时STM32的复位引脚，由于Q2不再导通，变为高电平，STM32结束复位，但是BOOT0还是维持为1，从而进入ISP模式，接着mcuisp就可以开始连接STM32，下载代码了，从而实现一键下载。​

   DTR#和RTS#​信号的时序图如下图所示：​
   ​
   程序下载完毕后，如果设置了编程后执行，STM32会再次被复位，此时DTR#引脚为高，RTS#​引脚为低，STM32复位后，DTR#引脚设置为低，RTS#​引脚设置为高，那么Q2和Q3都不导通，此时，STM32重新开始启动后，检测到BOOT0为0，程序开始正常运行，一键下载至此就完成了。

   参考：https://blog.csdn.net/weixin_42295502/article/details/80916124

   https://blog.csdn.net/Hola_ya/article/details/81323743 ↩