我們講了內(nèi)核、存儲器和時鐘，它們都是單片機核心功能的一部分，沒有它們中的任何一個，單片機都不能正常工作。而核心功能還包括復(fù)位和電源管理兩個部分，因為篇幅關(guān)系沒有寫完，這一期把它們補上。同時我還要繼續(xù)介紹單片機的多個重要功能。之所以說“重要”，是因為單片機如果沒有這些功能，雖然可以正常工作，但其性能和所發(fā)揮的作用會大大減弱。重要功能包括：低功耗模式、ADC、DMA、I/O端口、調(diào)試模式、定時器、看門狗定時器和嘀嗒定時器。因為我們現(xiàn)在是做入門的介紹，一開始不能講得太深、太復(fù)雜，對于每個功能，我只介紹其表面上的功能與原理。大家只要看過，有一個基本的印象即可。待日后講到編程設(shè)計時再深入講解，你便會有溫故知新的感覺。

【復(fù)位】

復(fù)位功能是核心功能的一部分，大到PC，小到單片機，每一臺計算機系統(tǒng)都有。在我小時候，臺式機的機箱上會有一個獨立的復(fù)位按鈕。隨著PC 越來越高級和穩(wěn)定，復(fù)位按鈕漸漸被取消了，但在主板上還是有復(fù)位電路的。單片機上的復(fù)位功能也有著類似的變化，在我學(xué)習(xí)單片機時，需要在單片機的一個復(fù)位專用引腳上接一個由電阻和電容組成的復(fù)位電路。如果沒有這個電路，單片機就沒法工作。近些年來的新款單片機都把復(fù)位功能內(nèi)置到單片機中，用戶甚至可以忽略復(fù)位這件事了。如果有必要，你可以在復(fù)位引腳上接一個按鍵用來手動復(fù)位，除此之外不需其他操作。

復(fù)位功能的作用是讓RAM 中的數(shù)據(jù)清空，讓所有連接到復(fù)位的相關(guān)功能都回到剛開始工作的（初始）狀態(tài)。在接通電源之前，單片機里的存儲器及其他功能的狀態(tài)是混亂、不穩(wěn)定的。如果上電后不復(fù)位，所有功能都處在無序狀態(tài)，就好像軍隊集合時沒有立正、稍息、向右看齊，直接齊步走的結(jié)果就是亂成一片。復(fù)位的作用就是讓單片機內(nèi)部秩序化，都回到設(shè)計者規(guī)定好的狀態(tài)。這個狀態(tài)為用戶程序的運行做了充分的準(zhǔn)備，就像計算機每次重啟一樣。

在STM32 單片機中，有一個供電監(jiān)控器，這個監(jiān)控器是一直工作的，它能監(jiān)測外部電源的電壓，當(dāng)電壓低于2V 時，監(jiān)控器會讓單片機復(fù)位。當(dāng)電壓高于2V 時，監(jiān)控器讓單片機進入工作狀態(tài)。這個監(jiān)控器本質(zhì)上達到了上電復(fù)位的效果，也就是說你每次給單片機接通電源時，電壓都是一次從0 升到3.3V（STM32 的工作電壓）的過程，這個過程使單片機復(fù)位，不需要再外接復(fù)位電路。還有一種復(fù)位的方法是在單片機的復(fù)位引腳上接一個微動開關(guān)，開關(guān)另一端接地。按下開關(guān)可手動復(fù)位，如圖1 所示。

**圖1 **外接復(fù)位按鍵電路原理圖

【電源管理】

電源管理是指對單片機外接電源處理、分配的功能。電源管理主要分成4 個部分，分別是備用電源輸入、端口輸入/ 輸出、邏輯電源輸入和模擬電源輸入。其結(jié)構(gòu)如圖2 所示，藍色方框里是單片機內(nèi)部電路，方框之外是單片機的外部電路。

先說邏輯電源輸入，這是單片機最基本的供電輸入端口。給這些接口輸入2 ～3.6V 的直流電壓，就能讓ARM 內(nèi)核、存儲器、I/O 端口和其他純數(shù)字電路工作了。邏輯輸入電壓還能讓I/O 端口輸入或輸出數(shù)字信號的電壓。在未來，我們使用I/O端口點亮LED 或者讓一個按鍵輸入，都會用到邏輯電源輸入的電壓。而模擬電源輸入的電壓是用在模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、RC振蕩器和PLL 倍頻等模擬電路上的。這兩部分電源輸入在引腳較多（64 腳以上）的單片機上是分開的。而在引腳較少的單片機上，邏輯電源和模擬電源并聯(lián)在一起使用。分開輸入的電源在使用上有很多好處，而合并輸入可以減少引腳的占用。合并輸入方式會對模擬電源的穩(wěn)定性造成影響，但如果設(shè)計中不要求高精度，一般會合并使用。

備用電源輸入是一個獨立的存在，它是專門給實時時鐘（RTC）供電的，以保證在邏輯電源斷開后依然讓RTC 保持走時。同時它也給喚醒電路和后備寄存器供電，讓它們一直處在工作狀態(tài)。備用電源輸入可以外接獨立電源或者一塊1.8 ～3.6V 的電池。如果你不想使用單片機內(nèi)部的RTC 等功能，備用電源可以不接。

圖2 供電方案

【低功耗】

單片機在正常工作時，內(nèi)部大部分功能都處于開啟狀態(tài)，最耗電的ARM 內(nèi)核處在100% 全速運行狀態(tài)。試想一下你的PC，在玩大型游戲時，CPU 的風(fēng)扇強力旋轉(zhuǎn)，這就是CPU 處在100% 運行的時候。而平時CPU 只有5% 左右的工作量?？墒菃纹瑱C的內(nèi)核卻一直處在全速的狀態(tài)，只是單片機的性能遠低于PC，發(fā)熱量低，你感覺不到而已。當(dāng)單片機要用在電池供電的產(chǎn)品上時，降低功耗、讓電量使用更持久便成了重要的項目需求。STM32 單片機為應(yīng)對這樣的用戶需要，做出了低功耗功能。通過關(guān)掉一些耗電大的內(nèi)部功能來達到省電的目的，根據(jù)關(guān)掉的功能數(shù)量，可分為3 種低功耗模式，分別是睡眠模式、停機模式、待機模式，如附表所示。其實這些低功耗模式在不同的單片機手冊中會有不同的名字，如有的叫待機模式，有的叫斷電模式，但叫什么模式不重要，只要關(guān)心這個模式關(guān)掉了什么功能、怎么喚醒這些功能就行了，名字只是幫助你記憶的。

睡眠模式，只關(guān)掉ARM 內(nèi)核，其他所有功能正常工作。這種方式不怎么省電，但不會影響整個系統(tǒng)的工作。因為內(nèi)核在關(guān)掉之后，可以通過所有內(nèi)部和外部功能來喚醒（重新開啟）內(nèi)核。相當(dāng)于我們的PC 不用時，CPU 只有2% 左右的工作量，幾乎關(guān)閉。當(dāng)我們動動鼠標(biāo)時，CPU 又被這個行為喚醒，處理鼠標(biāo)移動的事件，完成后又回到幾乎關(guān)閉的狀態(tài)。單片機的睡眠模式與之大體相同。睡眠模式的好處是系統(tǒng)的正常工作不受任何影響，只是內(nèi)核在沒有工作時才關(guān)閉；缺點是只關(guān)內(nèi)核不夠省電。

停機模式是睡眠模式的升級版，它將ARM 內(nèi)核與幾乎所有內(nèi)部功能，包括外部高速晶體振蕩器和PLL 都關(guān)掉了，只有RTC、看門狗定時器、中斷控制器在工作，只是還能接收中斷，SRAM 中的數(shù)據(jù)還保存。喚醒的方式是外部中斷、RTC 的鬧鐘還有USB 接口喚醒，除此之外再沒有能恢復(fù)的方式，因為所有的內(nèi)部功能都被關(guān)掉了，時鐘電路都不工作了。這有點像PC 的睡眠模式，進入后只有按電源按鍵才可以喚醒，喚醒后系統(tǒng)數(shù)據(jù)、你打開的文件都還在，因為內(nèi)存沒有關(guān)掉。停機模式的優(yōu)點是非常省電；缺點是程序不能正常運行了，只有被喚醒后，內(nèi)部的功能才能工作。停機模式適用于平時工作任務(wù)很少的情況，單片機完成工作后有很長一段時間可以休息。這時開啟停機模式，可以最大程度省電。

最后也是最省電的模式是待機模式。它和停機模式的區(qū)別是把SRAM 和外部中斷控制器也關(guān)掉了，用戶運行的數(shù)據(jù)消失，也就表示喚醒后必須重頭開始，相當(dāng)于復(fù)位。喚醒的方式是按復(fù)位按鍵、看門狗定時器復(fù)位、專用喚醒引腳和RTC 鬧鐘喚醒。復(fù)位按鍵和專用喚醒引腳完全不耗電，看門狗定時器算是唯一需要耗電的。RTC 鬧鐘由備用電源供電，不耗邏輯電源的電。待機模式相當(dāng)于PC 的關(guān)機，只有按電源按鈕才能復(fù)位啟動。待機模式在實際的項目開發(fā)中很少用到，因為停機模式已經(jīng)很省電了，只有一些特殊需求才會用到。

附表：低功耗模式表

【ADC】

在電源管理的部分提到了ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器），它需要模擬電源供電。ADC 的功能是讀取模擬量的電壓，類似于電壓表。如圖3 所示，在單片機中，I/O 端口是輸入或輸出邏輯電平的，也就是高電平（1）和低電平（0）。也就是說，I/O 端口只能讀取有電壓和沒電壓兩種狀態(tài)，至于有電壓時的電壓是多少伏，這就需要ADC 功能來判斷。ADC 可以讀出從0V 到電源電壓之間的具體電壓值，并把這個值變成一組數(shù)據(jù)。單片機的ADC 性能各有不同，有8位、10 位、12 位甚至更高的，位數(shù)越多，表示測得的電壓值更精密。STM32F103 中的ADC 是12 位的，對于一般的精度需要已經(jīng)足夠。

圖3 模擬量電壓關(guān)系

【DMA】

DMA 功能是一種比較新的功能，它是代替CPU 完成內(nèi)部功能間的數(shù)據(jù)傳遞的。這個概念很好理解，比如上面講到的ADC功能，在沒有DMA 功能的單片機里，想讀取ADC 的值，首先要在內(nèi)核向ADC 功能發(fā)出指令，然后等待ADC 讀取完成，內(nèi)核再從ADC 讀出數(shù)據(jù)，再存放到SRAM 當(dāng)中，如圖4 所示。這個過程需要內(nèi)核的過程參與，這占用了內(nèi)核的時間，內(nèi)核就不能做其他工作了。而DMA 功能可以在這種數(shù)據(jù)讀取、存放的任務(wù)上完全解放內(nèi)核。它能按預(yù)先設(shè)定好的設(shè)置從ADC 讀出數(shù)據(jù)，然后自動存放到SRAM 中指定的位置，不需要內(nèi)核的參與。當(dāng)內(nèi)核需要ADC 的數(shù)據(jù)時，只要讀SRAM 指定的位置這一步操作就行了。DMA 不只能讀ADC，它還能在Flash、SRAM、SPI、USART、定時器、I2C 等功能之間相互傳遞數(shù)據(jù)，如圖5 所示。STM32F103 的DMA 有7 個通道，可以設(shè)置7 組數(shù)據(jù)傳遞任務(wù)。DMA 大大提高了內(nèi)核的工作效率，真的是很重要的功能。

圖4 DMA工作原理舉例

圖5 DMA可在多個功能之間相互傳遞數(shù)據(jù)

【I/O端口】

終于講到了I/O 端口，學(xué)習(xí)單片機最先接觸的往往就是I/O 端口，它是內(nèi)部功能當(dāng)中最重要的一塊。因為I/O 端口也可以代替除ADC 之外所有的邏輯電平的通信接口，包括我們后面要講的I2C、USART、SPI、CAN 等。早年的單片機沒有那么多通信接口，也都是靠I/O 端口來模擬的，由此可見I/O 端口的全能。I/O 端口最原本的功能就是電平的輸入（IN）和輸出（OUT），所以才用I 和O 兩個首字母作為它的名字。在寫法上，正確的是I/O，但也有省去斜線直接寫成IO 的，在STM32 單片機上也被寫成GPIO，都是可以的。

STM32F103 最多有80 個I/O 端口，這些端口每16 個被分成一組，一共有5 組。組的名字分別是PA、PB、PC、PD 和PE，每組中16 個端口的名字可以是PA0 到PA15，其他組也一樣。但由于封裝引腳數(shù)量不同，端口的數(shù)量也不同。STM32F103C8T6 這款單片機的48 個引腳當(dāng)中有37 個可作I/O 端口，其接口定義如圖6 所示。其中PA 和PB 的16 個端口都引出了，PC組只引出3個，PD組只引出2個。

每一個I/O 端口都有8 種工作模式，也就是I/O 端口的狀態(tài)是輸出還是輸入？是輸入的話，是模擬量輸入還是邏輯電平輸入？我們需要在啟動I/O 端口之前先把它設(shè)置成正確的狀態(tài)。圖7 所示是GPIO的8 個工作模式，模擬輸入是在作ADC 輸入接口時使用的，浮空輸入是內(nèi)部不接電阻，下拉和上拉輸入是在I/O 內(nèi)部接一個約10kΩ的下拉或上拉電阻，根據(jù)外部連接的電路可以設(shè)置它們。輸出的模式有推挽輸出、開漏輸出，還有復(fù)用推挽和復(fù)用開漏。推挽是指I/O 端口有很強的電流推動能力，可以輸出一定量的電流，用于推動一些元器件（如LED）工作。開漏則是弱電流的輸出，用于邏輯電平的數(shù)據(jù)信號通信。復(fù)用的推挽和開漏是用在復(fù)用狀態(tài)下的，這在后面講到復(fù)用功能時再說吧。

圖６ I/O端口的引腳定義

圖７ I/O端口的工作模式

【調(diào)試模式】

在ARM 的內(nèi)核中，有一組用于仿真調(diào)試的接口。不僅是STM32，所有用ARM 內(nèi)核的單片機都支持這個接口，它叫JTAG。JTAG 接口的功能主要是做程序仿真。所謂仿真，就是不把程序下載到Flash 里，而是在計算機端直接控制單片機內(nèi)核，使單片機能達到和運行下載到Flash 里的程序一樣的工作效果。因為不是真的運行程序，而是在計算機上模擬的，所以叫仿真。

仿真的好處是可以在計算機上實時改動參數(shù)，還可以慢速一步一步地執(zhí)行程序，看每一步的效果。用仿真功能要比把程序下載到Flash 里再看效果要高效很多。JTAG 還有一個功能是控制I/O 端口的輸出電平狀態(tài)，以測試端口是否正常。但測試端口功能很少有人使用，甚至大家都不太知道有這個功能。所有STM32 單片機都帶有JTAG 接口，還有JATG 的簡化接口SWD。圖8 所示是調(diào)試接口與單片機的關(guān)系，可以看出JTAG 是內(nèi)核的一部分，并不是一個獨立的功能。連接上，可以用5 條線的標(biāo)準(zhǔn)JATG，也可以用簡化版的2條線的SWD，它們的功能是一樣的，只是連接的方式不同。未來講到程序開發(fā)時，我會再專門細講仿真調(diào)試的操作方法。

圖8 調(diào)試接口的原理示意

【定時器、看門狗、嘀嗒定時器】

定時器在單片機內(nèi)部有很多種，之前說過的RTC 就屬于定時器。定時器的本質(zhì)是計時，當(dāng)達到設(shè)置的時間后去做某個事件。那定時器是怎么知道時間的呢？主要是通過系統(tǒng)時鐘，時鐘產(chǎn)生機械周期，內(nèi)核以機械周期為單位工作，定時器也以此計數(shù)。所以定時器也被說成計數(shù)器，因為它就是以機械周期為間隔時間進行計數(shù)。當(dāng)定時器到達了設(shè)置的數(shù)值時，就會產(chǎn)生一個中斷或事件。普通定時器產(chǎn)生中斷信號給內(nèi)核，看門狗定時器則產(chǎn)生復(fù)位，如圖9 所示。

STM32F103 單片機有1 個高級定時器和3 個普通定時器，它們不僅能定時和計數(shù)，還能做很多復(fù)雜的工作。其功能非常強大，但限于篇幅關(guān)系就不展開介紹了。另外還有2 個看門狗定時器定時器，看門狗定時器的作用是在定時時間到了之后讓單片機復(fù)位。比如設(shè)看門狗定時器定時5秒，那么5 秒后，看門狗定時器會讓單片機復(fù)位。但如果我們在復(fù)位之前，用程序不斷把看門狗定時器的計數(shù)值清0，那么看門狗定時器就不能讓單片機復(fù)位。于是它的真正價值就在這里：如果我們的程序不正常工作了，比如程序中有錯或者外部干擾導(dǎo)致死機，當(dāng)程序不能把看門狗定時器的計數(shù)值清0 時，5 秒后單片機就會被復(fù)位，看門狗定時器就把單片機從死機狀態(tài)中解救出來了。所以它被取了一個很形象的名字，是保護內(nèi)核正常工作的忠實伙伴。STM32 單片機中還有一個功能很小的定時器叫嘀嗒定時器，它是專用于實時操作系統(tǒng)中的任務(wù)切換的。如果你的單片機沒有安裝操作系統(tǒng)，那么嘀嗒定時器可以作為普通定時器來使用。

圖9 定時器和看門狗的關(guān)系

好了，這一講我們簡單介紹了單片機內(nèi)部的重要功能，每一個功能都沒有深入展開。主要的目的是讓大家先對這些功能產(chǎn)生基本印象，為今后深入介紹其使用方法打下基礎(chǔ)。