微电子系统复习总览

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前言：课程概览

开发平台： NUCLEO-L432KC（STM32L432KC，ARM Cortex-M4 核心，80 MHz 主频），mbed Studio 开发环境

核心模型： Sense → Think → Act（感知 → 处理 → 执行），对应传感器 → ADC → 微控制器 → DAC/PWM → 执行器

第一章：嵌入式系统与微控制器架构 (Embedded Systems & MCU Architecture)

1.1 什么是嵌入式系统

嵌入式系统是一种内置于大型产品中的电子系统，使用集成电路感知环境、处理信息并控制输出。

五种实现方式：

方式	示例	优点	缺点
分立元件	555 定时器、晶体管	简单、便宜	不可编程
计算机	ATM 系统	高处理能力	体积大、功耗高
ASIC	iPhone 处理器	极高性能	极其昂贵、不灵活
FPGA	显示器、AI 加速器	可重构硬件	设计复杂
MCU（微控制器）	STM32	灵活、可编程、低成本	处理能力有限

1.2 微控制器架构 – 【考点】

Harvard 架构 vs von Neumann 架构：

特性	Harvard	von Neumann
指令/数据存储	分离的内存空间	单一内存空间
总线	分离的指令和数据总线	共享总线
并行访问	可同时访问指令和数据	不能同时访问
常见用途	微控制器	通用处理器
代表	ARM Cortex-M4 (STM32)	ARM Cortex-M0+

1.3 CPU 核心组件

组件	功能
ALU（算术逻辑单元）	执行算术和逻辑运算（加、乘、移位、与、或）
寄存器 (Registers)	CPU 内部小型超快存储，无地址，直接由 CPU 访问
程序计数器 (PC)	存放下一条指令的地址
指令寄存器 (IR)	存放当前正在执行的指令
控制单元 (CU)	解释指令并控制操作

指令执行周期：Fetch → Decode → Execute（取指 → 解码 → 执行）

1.4 时钟与地址总线 – 【3年3考·必考】

时钟：同步微控制器内所有操作，L432KC 为 80 MHz
32 位地址总线：可访问 $2^{32} = 4,294,967,296$ （4GB）地址空间

1.5 存储器类型 – 【3年3考·必考】

特性	SRAM（静态 RAM）	DRAM（动态 RAM）
速度	快	慢
成本	高	低
功耗	高	低
每 bit 晶体管数	6 个	1 个晶体管 + 1 个电容（最少）
用途	CPU 缓存、高速暂存	主存储器

寄存器 vs 普通存储器： 寄存器是 CPU 内部极小的超快存储，无地址，CPU 直接访问；普通存储器（如 RAM）容量大但速度慢，通过地址访问。

1.6 存储器层次结构

\text{CPU 寄存器} \rightarrow \text{CPU 缓存 (SRAM)} \rightarrow \text{主存 (SRAM/DRAM)} \rightarrow \text{Flash/本地存储} \rightarrow \text{外部存储}

速度递减，容量递增。

1.7 Cortex-M4 存储器映射 – 【考点·基础】

32 位地址总线，共 4GB 地址空间，分为 6 个区域：

区域	起始地址	大小	用途
Code	0x00000000	512 MB	片上 Flash 程序代码
SRAM	0x20000000	512 MB	片上 SRAM 数据
Peripheral	0x40000000	512 MB	存储器映射 I/O
External RAM	0x60000000	1 GB	外部 RAM
External Devices	0xA0000000	1 GB	外部设备
System	0xE0000000	512 MB	系统组件（SysTick、NVIC）

第二章：编程模型与 Embedded C

2.1 编程模型

三层抽象： 机器码（二进制）→ 汇编语言（符号化）→ 高级语言（C/Python）

编译器将高级语言代码翻译为机器指令。

2.2 Embedded C 特性

直接硬件交互：访问寄存器、内存和 I/O 外设
高效轻量：适合有限内存和处理能力的系统
可移植：可为不同微控制器重新编译
许多嵌入式程序直接运行在硬件上（无操作系统）或使用 RTOS

2.3 mbed API 速查 – 【考点】见考试 Q1(b)

API	功能	示例
`DigitalOut`	控制数字输出引脚	`DigitalOut led(LED1);`
`DigitalIn`	读取数字输入引脚	`DigitalIn sw(D2, PullUp);`
`AnalogOut`	模拟输出 (DAC)	`AnalogOut Aout(A4);`
`AnalogIn`	模拟输入 (ADC)	`AnalogIn Ain(A6);`
`PwmOut`	PWM 输出	`PwmOut pwm(D3);`
`SPI`	SPI 通信	`SPI ser_port(A6, A5, A4);`
`ThisThread::sleep_for`	延时	`ThisThread::sleep_for(1s);`

关键运算符区分：

= 赋值运算符：“设为”
== 比较运算符：“等于”
两者不可互换使用
! 逻辑非：led = !led; 翻转 LED 状态
& 位与运算符：x & 0x01 提取最低位

2.4 mbed_blinky 程序结构

#include "mbed.h"
DigitalOut led(LED1);
int main() {
    while (true) {
        led = !led;
        ThisThread::sleep_for(500ms);
    }
}

while(true) 创建无限循环（嵌入式系统中是标准做法）
LED 每 0.5 秒翻转一次

第三章：数字输入输出 (GPIO & Digital I/O) – 【考点】

3.1 模拟信号 vs 数字信号

特性	模拟信号	数字信号
时间	连续	离散
幅值	连续	固定值（二进制）
示例	电压、电流、声音、光	0/1 二进制

STM32 逻辑阈值： Logic 1 ≈ 3.3 V，Logic 0 ≈ 0 V

3.2 GPIO 引脚

L432KC 有效 I/O 引脚：D0–D6, D9–D13, A0–A3, A6–A7。GPIO 引脚可配置为输入或输出。

3.3 LED 驱动 – 【考点】

LED 极性： 阳极（Anode, +）→ 长脚，阴极（Cathode, −）→ 短脚。电流从阳极流向阴极。

正向偏置（LED 亮）：

阳极接正，阴极接负 → 电流流过 → 发光
典型正向电压 $V_F$ ：红色 ~1.8 V，蓝色 ~3 V
必须串联限流电阻

限流电阻计算：

R = \frac{V_{MCU} - V_F}{I} = \frac{3.3 - 2.2}{0.005} = 220\,\Omega

Active High vs Active Low：

配置	LED 亮起条件
Active High	输出逻辑 1 (高电平)
Active Low	输出逻辑 0 (低电平)

3.4 开关与上拉/下拉电阻 – 【考点】

浮空输入问题： 当输入引脚未连接时电压不确定，可能随机读取 0 或 1。

解决方案：

上拉电阻 (Pull-Up)：开关断开 → 引脚接 VDD（HIGH）；开关闭合 → 引脚接 GND（LOW）
下拉电阻 (Pull-Down)：开关断开 → 引脚接 GND（LOW）；开关闭合 → 引脚接 VDD（HIGH）
mbed 内部可配置，默认上拉

功耗计算： 3V 供电、10kΩ 上拉电阻，按下时消耗电流：

I = \frac{V}{R} = \frac{3V}{10k\Omega} = 0.3\,\text{mA} = 300\,\mu\text{A}

3.5 七段数码管

共阴极配置：公共引脚接 GND
Logic 1 → 段亮，Logic 0 → 段灭
8 个 LED 段：a, b, c, d, e, f, g, dp（小数点）

第四章：编解码器与多路复用器 (Decoder, Encoder, MUX, DeMUX)

4.1 二进制表示

$n$ 位可表示 $2^n$ 种组合。二进制转十进制：

(b_2b_1b_0)_2 = b_2 \times 2^2 + b_1 \times 2^1 + b_0 \times 2^0

例： $(101)_2 = 1 \times 4 + 0 \times 2 + 1 \times 1 = 5$

4.2 四种器件总结 – 【考点】

器件	数据输入	控制输入	输出	方向
解码器 Decoder	n	无	$2^n$	少 → 多（扩展）
编码器 Encoder	$2^n$	无	n	多 → 少（压缩）
多路复用器 MUX	$2^n$	n	1	多 → 一（选择）
解复用器 DEMUX	1	n	$2^n$	一 → 多（分配）

4.3 在存储器和处理器中的应用

解码器 + MUX → 存储器寻址：解码器选择目标寄存器，MUX 选择输出数据
MUX/DEMUX → 处理器数据路径：选择 ALU 输入源，分配计算结果

第五章：模数转换器 (ADC) – 【3年2考·高频】

5.1 为什么需要 ADC/DAC？

现实世界是模拟的，数字世界是离散的。ADC 是连接两者的桥梁。

5.2 ADC 四步转换过程 – 【考点】

\text{模拟信号} \xrightarrow{\text{采样}} \xrightarrow{\text{保持}} \xrightarrow{\text{量化}} \xrightarrow{\text{编码}} \text{数字信号}

步骤	功能
采样 (Sampling)	按采样频率从连续信号中取离散样本（连续时间 → 离散时间）
保持 (Holding)	保持当前样本值直到下一个样本到达
量化 (Quantizing)	将每个模拟样本映射到最近的离散电平（连续幅值 → 离散幅值）
编码 (Encoding)	将量化电平转换为二进制数字输出

5.3 ADC 核心公式 – 【3年3考·必考】

D_{out} = \frac{(2^n - 1) \times V_a}{V_{ref}}

其中 $n$ 为位深度， $V_a$ 为模拟输入电压， $V_{ref}$ 为参考电压。

量化误差：

\text{Quantization Error} = \frac{V_{step}}{2} = \frac{V_{ref}}{2^{n+1}}

5.4 ADC 主要特性

1. 采样率 (Sampling Rate / Frequency)：

每秒采样次数（SPS 或 Hz）
Nyquist-Shannon 定理：采样频率必须 大于信号最高频率的两倍

2. 分辨率 (Resolution / Bit Depth)：

$n$ 位 ADC → $2^n$ 个离散电平
8 位：256 级，16 位：65,536 级

5.5 L432KC ADC 规格 – 【考点】

参数	值
类型	逐次逼近型 (SAR)
分辨率	12 位 (4096 级)
最大采样率	5.33 Msps (@ 12-bit)
低分辨率下	8.88 Msps (@ 6-bit)

第六章：数模转换器 (DAC) – 【3年2考·高频】

6.1 DAC 定义

DAC 将数字（二进制）信号转换为模拟物理量（电压或电流）。

6.2 DAC 核心公式 – 【3年3考·必考】

通用 n 位 DAC 输出电压：

V_{out} = V_{ref} \times \frac{D}{2^n}

其中 $D$ 为数字输入的十进制值。

分辨率（步长）：

\text{Resolution} = \frac{V_{ref}}{2^n}

最大输出电压：

V_{max} = V_{ref} \times \frac{2^n - 1}{2^n} \quad (\text{永远不会等于 } V_{ref})

6.3 ADC vs DAC 分辨率

	ADC	DAC
分辨率含义	ADC 可区分的最小输入电压变化	DAC 可产生的最小输出电压步长
公式	同	$V_{ref} / 2^n$

6.4 DAC 功能模块

\text{输入电路} \rightarrow \text{电压开关电路} \rightarrow \text{电阻网络} \rightarrow \text{放大器}

6.5 电阻网络实现对比 – 【考点】

特性	加权电阻法	R-2R 梯形网络法
电阻种类	多种（ $R, 2R, 4R, 8R, \ldots$ ）	仅两种（ $R$ 和 $2R$ ）
精度	大电阻值不精确	精确、准确
可扩展性	难（电阻值指数增长）	易（直接添加 R-2R 级）
实用性	不实用	实用且常用

R-2R 梯形网络输出电压：

V_{out} = -V_{ref}\left[\frac{B_0}{2^N} + \frac{B_1}{2^{N-1}} + \frac{B_2}{2^{N-2}} + \cdots + \frac{B_{N-1}}{2^1}\right]

6.6 L432KC DAC 规格 – 【考点】见考试 Q2(a)

参数	值
分辨率	12 位
参考电压	3.6 V（内部稳压供电）
步数	4096
步长/分辨率	0.87890625 mV
输出范围	0 V ~ 3.599 V
转换速度	200,000 samples/s (5 μs/conversion)
时钟周期	400 个 (80 MHz × 5 μs)

第七章：脉宽调制 (PWM) – 【3年2考·高频】

7.1 基本概念

调制是将信息嵌入载波信号特征（频率、幅度、相位或脉冲宽度）的过程。

PWM（脉宽调制）： 通过改变电压脉冲的宽度来编码/传输信息，信息由信号的平均电压值表示。

7.2 PWM 关键参数 – 【3年3考·必考】

参数	符号	公式
周期 (Time Period)	$T$	$T = t_{on} + t_{off} = \frac{1}{f}$
频率 (Frequency)	$f$	$f = \frac{1}{T}$
占空比 (Duty Cycle)	$D$	$D = \frac{t_{on}}{T}$
平均电压 (Average Voltage)	$V_{avg}$	$V_{avg} = D \times V_H$
ON 时间	$t_{on}$	$t_{on} = D \times T$
OFF 时间	$t_{off}$	$t_{off} = T - t_{on}$

7.3 PWM 生成方式

模拟方式： 比较器电路 — 三角波 vs 控制电压

数字方式：

方式	方法	效率
GPIO 翻转	处理器直接控制引脚翻转	低效（占用 CPU 资源）
专用定时器/PWM 外设	定时器自动生成 PWM	高效（释放 CPU）

7.4 mbed PWM API – 【考点】

PwmOut pwmled(D3);
pwmled.period(0.002);        // 设置周期为 2ms → f = 500Hz
pwmled.write(0.6);           // 设置占空比为 60%
// 等效于 pwmled.pulsewidth(0.0012);

7.5 PWM 应用

逆变器（DC → AC）
直流电机控制
LED 亮度调节/调光
电池充电器

第八章：UART/USART 通信 – 【考点】

8.1 通信基础

通信方向：

模式	方向	示例
Simplex（单工）	仅单向	电视广播
Half Duplex（半双工）	双向，但一次一个方向	对讲机
Full Duplex（全双工）	同时双向	电话

8.2 并行 vs 串行通信 – 【考点】

特性	并行	串行
线数	多	少
距离	短	长
成本	高	低
数据传输	同时多 bit	逐 bit

现代系统倾向串行：更少的线、更低的成本、更远的距离、可达到高速。

8.3 同步 vs 异步

特性	同步 (SPI, I2C)	异步 (UART)
时钟	共享时钟信号	无共享时钟
同步方式	时钟信号	起始/停止位
速度	快	慢

8.4 UART 数据帧结构 – 【3年3考·必考】

\text{Idle (HIGH)} \rightarrow \text{Start Bit (LOW)} \rightarrow \text{Data Bits (5-9, LSB first)} \rightarrow \text{[Parity Bit]} \rightarrow \text{Stop Bit(s) (HIGH)} \rightarrow \text{Idle}

字段	大小	值	用途
起始位 (Start)	1 bit	0 (LOW)	标记帧开始
数据位 (Data)	5–9 bits（通常 8）	二进制数据	承载实际数据
奇偶校验位 (Parity)	0 或 1 bit（可选）	0 或 1	基本错误检测
停止位 (Stop)	1 或 2 bits	1 (HIGH)	标记帧结束

8.5 波特率 (Baud Rate) – 【考点】

波特率 = 每秒信号变化次数（每秒传输的符号数）。在二进制系统中：Baud Rate = Bit Rate。

8.6 UART 计算 – 【3年3考·必考】

通信效率：

\text{Efficiency} = \frac{\text{Data Bits}}{\text{Total Bits}} \times 100\%

传输时间：

T_{transmit} = \frac{\text{Total Bits}}{\text{Baud Rate}}

例：9600 bps，发送 50 字节（8 数据位、1 起始位、1 停止位、无校验）：

每帧 = 1 + 8 + 0 + 1 = 10 bits

50 字节： $50 \times 10 = 500$ bits

$T = 500 / 9600 = 52.08$ ms

8.7 错误类型

错误	原因
帧错误 (Framing Error)	在预期位置未检测到起始/停止位；通常由波特率不匹配或噪声引起
奇偶校验错误 (Parity Error)	接收到的数据 1 的计数与奇偶校验位不匹配

8.8 UART vs USART

特性	UART	USART
时钟	无	可选
支持同步模式	否	是
速度	较低	更高
复杂度	简单	更复杂

第九章：SPI 通信协议 – 【3年2考·高频】

9.1 SPI 基础

SPI (Serial Peripheral Interface)：4 线同步串行接口，Motorola 1980 年代开发，全双工通信。

参数	值
线数	4
最大速度	最高 10 Mbps
同步/异步	同步
串行/并行	串行
最大主设备数	1
最大从设备数	理论上无限

9.2 SPI 四条信号线 – 【3年3考·必考】

引脚名	别名	方向	功能
MOSI	SDO	Master → Slave	主机发送数据
MISO	SDI	Slave → Master	从机返回数据
SCLK	SCK, CLK	Master → Slave	时钟信号
SS/CS	CE	Master → Slave	片选（激活从机）

SS/CS 通常为低电平有效 (Active Low)。SPI 使用 SS 选择从机，而非地址。

9.3 SPI 数据传输步骤

主机配置时钟频率
主机拉低 SS/CS → 激活从机
主机通过 MOSI 逐 bit 发送数据
如果需要响应，从机通过 MISO 逐 bit 返回数据
每个时钟周期进行一次全双工数据传输（移位寄存器）

9.4 时钟极性 (CPOL) 和时钟相位 (CPHA) – 【考点】

4 种 SPI 模式：

CPOL	CPHA	采样边沿	输出边沿
0	0	前沿（上升沿）	后沿（下降沿）
0	1	后沿（下降沿）	前沿（上升沿）
1	0	前沿（下降沿）	后沿（上升沿）
1	1	后沿（上升沿）	前沿（下降沿）

CPOL = 0：时钟空闲为低；CPOL = 1：时钟空闲为高
CPHA = 0：前沿采样；CPHA = 1：后沿采样

9.5 多从机配置

1) 独立 SS： 每个从机一个 SS 引脚 → N 个从机需要 N 个 SS（线多但简单）

2) 菊花链 (Daisy Chain)： 从机串联 → 只需一个 SS（省线但复杂）

9.6 SPI 传输时间 – 【考点】

T_{transmit} = \frac{\text{Number of Bits}}{\text{Clock Frequency}}

例：1 MHz 时钟，2 字节 = 16 bits → $T = 16 \times 1\,\mu s = 16\,\mu s$

9.7 SPI 优缺点

优点： 速度快、全双工、无起始/停止开销

缺点： 线多（每个从机需 SS）、无 ACK 确认机制、多从机时布线复杂

第十章：I2C 通信协议 – 【考点】

10.1 I2C 基础

I²C (Inter-Integrated Circuit)：2 线同步串行通信，Philips 1982 年开发，用于短距离板内通信。

参数	值
线数	2 (SDA + SCL)
类型	同步
速度	标准 100 kbps / 快速 400 kbps / 高速 3.4 Mbps
最大从机数	1008 (10 位寻址)
多主	支持

10.2 I2C 两条线

线	全称	功能
SDA	Serial Data Line	双向数据传输
SCL	Serial Clock Line	时钟信号（由主机生成）

两条线都需要上拉电阻到 Vcc；I2C 设备使用开漏输出。

10.3 I2C 消息结构 – 【3年3考·必考】

\text{START} \rightarrow \text{地址帧 (7/10 bit + R/W)} \rightarrow \text{ACK} \rightarrow \text{数据帧 (8 bit)} \rightarrow \text{ACK} \rightarrow \text{数据帧} \rightarrow \cdots \rightarrow \text{STOP}

元素	功能
START 条件	SCL 为 HIGH 时，SDA 从 HIGH → LOW
STOP 条件	SCL 为 HIGH 时，SDA 从 LOW → HIGH
地址帧	7 位或 10 位唯一从机地址 + 1 位 R/W
R/W 位	0 = 写（主机→从机），1 = 读（从机→主机）
ACK/NACK	0 = ACK（成功接收），1 = NACK
数据帧	8 位数据，MSB 先传

10.4 I2C 寻址

7 位地址： $2^7 = 128$ 个唯一地址
10 位地址： $2^{10} = 1,024$ 个唯一地址
每个从机比较发送的地址与自己的地址
地址匹配 → 回复 ACK；不匹配 → 不响应

10.5 I2C 仲裁

多主模式下，每个主机在发送前检测 SDA 线
SDA 为 LOW → 总线正忙 → 等待
发送时同时监控：发送 1 但读到 0 → 失去仲裁 → 退出
LOW 在仲裁中优先（谁先拉低谁占优）

10.6 三大协议对比 – 【3年3考·必考】

特性	UART	SPI	I2C
线数	1 (TX) + 1 (RX)	4 (MOSI+MISO+SCLK+SS)	2 (SDA+SCL)
速度	最慢	最快	中等
同步/异步	异步	同步	同步
双工	全双工	全双工	半双工
主/从	一对一	1 主多从	多主多从
多设备	最多 2 个	多但复杂（每个从机要 SS）	多且简单（同两线）
寻址	无	SS 片选	7/10 位地址
起始/停止	起始位+停止位	无（SS 控制）	START+STOP 条件
确认	无	无	ACK/NACK
典型用途	调试、GPS、蓝牙	显示器、SD 卡、ADC/DAC	传感器网络、EEPROM

选型速记：

高速显示/存储 → SPI
多传感器（需要简洁布线）→ I2C
简单 PC 调试 → UART

附录 A：公式总表

A.1 微控制器基础

公式	说明
$2^k$	k 位地址总线可访问的内存地址数
$2^{32} = 4\text{ GB}$	32 位地址总线 = 4GB 地址空间

A.2 ADC

公式	说明
$D_{out} = \frac{(2^n - 1) \times V_a}{V_{ref}}$	ADC 数字输出
$V_{step} = \frac{V_{ref}}{2^n}$	ADC 步长
$\text{Quantization Error} = \frac{V_{step}}{2}$	量化误差
$f_s > 2 \times f_{max}$	Nyquist 采样定理

A.3 DAC

公式	说明
$V_{out} = V_{ref} \times \frac{D}{2^n}$	DAC 输出电压
$\text{Resolution} = \frac{V_{ref}}{2^n}$	DAC 分辨率/步长
步数 = $2^n$	n 位 DAC 的输出电平数
$V_{max} = V_{ref} \times \frac{2^n-1}{2^n}$	最大输出电压

A.4 PWM

公式	说明
$T = t_{on} + t_{off} = \frac{1}{f}$	周期
$f = \frac{1}{T}$	频率
$D = \frac{t_{on}}{T}$	占空比
$V_{avg} = D \times V_H$	平均电压

A.5 通信

公式	说明
$\text{Efficiency} = \frac{\text{Data Bits}}{\text{Total Bits}} \times 100\%$	UART 通信效率
$T_{tx} = \frac{\text{Total Bits}}{\text{Baud Rate}}$	UART 传输时间
$T_{tx} = \frac{\text{Bits}}{\text{Clock Frequency}}$	SPI 传输时间
$T = \frac{1}{f}$	周期与频率关系

附录 B：高频考点总表

期末考点（按考频排序）

排序	考点名称	考频	分值	所属章节	关键技巧
1	DAC 参数计算（步数、分辨率、范围、转换速度、时钟周期）	3年3考·必考	10分	Ch6	$2^{12}=4096$ steps, $3.6/4096$ mV/step
2	PWM 计算（周期、频率、占空比、平均电压）	3年3考·必考	6分	Ch7	$D=t_{on}/T$ , $V_{avg}=D\times V_H$
3	ADC→DAC 级联（量化误差、数字输出、电压还原）	3年2考·高频	8分	Ch5+6	ADC: $D=(2^n-1)V_a/V_{ref}$ , DAC: $V_{out}=V_{ref}\times D/2^n$
4	SPI vs I2C 选型与对比	3年2考·高频	4分	Ch9+10	速度：SPI>I2C；布线简洁：I2C>SPI
5	mbed 编程题（GPIO 控制、PWM、定时循环）	3年2考·高频	8分	Ch2	DigitalOut, while 循环, sleep_for
6	微控制器架构（Harvard vs von Neumann, CPU 组件）	2年1考	3分	Ch1	Harvard=分离总线，可同时访问指令和数据
7	SRAM vs DRAM	2年1考	5分	Ch1	SRAM 快/贵/6晶体管；DRAM 慢/便宜/1晶体管+1电容
8	地址总线计算	2年1考	2分	Ch1	32 bit → $2^{32}=4\text{GB}$
9	寄存器 vs 内存	2年1考	3分	Ch1	寄存器无地址/CPU内部/极快
10	SPI 代码分析（MOSI/MISO, 位运算, SPI.write()）	2年1考	8分	Ch9	A6=MOSI, A5=MISO; & 位与; = vs ==
11	SPI 传输时间	2年1考	2分	Ch9	$T_{tx}=\text{Bits}/f_{clk}$
12	UART 帧结构与效率	1年1考	—	Ch8	Start+Data+Parity+Stop
13	R-2R vs 加权电阻	1年1考	—	Ch6	R-2R: 仅两种电阻，易扩展
14	通信方向（单工/半双工/全双工）	1年1考	—	Ch8	SPI=全双工，I2C=半双工

附录 C：样题解析 (Sample Exam Walkthrough)

Q1: 微控制器架构与 mbed 编程（20 分）

(a)(i) 寄存器 vs 普通存储器 [3 marks]

寄存器：CPU 内小型超快存储，临时存放处理中的数据，无地址，CPU 直接访问。普通存储器（如 RAM）：速度较慢，用于存储大量数据，通过地址访问。

(a)(ii) SRAM vs DRAM [5 marks]

	SRAM	DRAM
速度	快	慢
成本	贵	便宜
功耗	高	低（更节能）
每 bit 晶体管	6 个	1 晶体管 + 1 电容（最少）

(a)(iii) 时钟的重要性 [2 marks]

时钟提供定时信号，同步微控制器内的所有操作。

(a)(iv) 32 位地址总线 [2 marks]

$2^{32} = 4,294,967,296$ （4GB）可寻址内存空间。

(b) 灌溉系统 mbed 编程 [8 marks]

要求：D5 引脚控制水泵，ON 1 秒 → OFF 4 秒，循环 5 次。

#include "mbed.h"
DigitalOut pump(D5);
int main() {
    int count = 0;
    while (count <= 4) {
        pump = 1;
        ThisThread::sleep_for(1s);
        pump = 0;
        ThisThread::sleep_for(4s);
        count = count + 1;
    }
}

Q2: DAC 与 ADC 计算（20 分）

(a) L432KC 12-bit DAC, Vref = 3.6V [10 marks]

参数	计算	答案
步数	$2^{12}$	4096
分辨率	$3.6 / 4096$	0.8789 mV
范围	$(2^{12}-1)/2^{12} \times 3.6$	3.599 V
转换速度	$1 / 5\mu s$	200,000/s
时钟周期	$80\text{ MHz} \times 5\mu s$	400 周期

(b) 4-bit ADC → 4-bit DAC 级联 [10 marks]

ADC: $V_{ref}=5V$ , DAC: $V_{ref}=3.3V$ , 输入 = 3.8V

(i) ADC 数字输出：

$V_{step} = 5/2^4 = 0.3125V$

$(3.8 - 0.15625) / 0.3125 = 11.66$ → 第 12 步 → 1100 (二进制)

(ii) 量化误差：

$V_{step}/2 = 0.3125/2 = \mathbf{0.15625V}$

(iii) DAC 输出：

$V_{out} = 12/2^4 \times 3.3 = \mathbf{2.475V}$

Q3: PWM + 通信协议（20 分）

(a) PWM: $t_{on} = 4\mu s$ , $D = 25\%$ [6 marks]

参数	计算	答案
$T$	$4/0.25$	16 μs
$t_{off}$	$16 - 4$	12 μs
$f$	$1/(16 \times 10^{-6})$	62.5 kHz

(b)(i) SPI vs I2C — 43 个传感器 [4 marks]

选择 I2C。布线复杂度：I2C 仅需 2 线（SDA+SCL）连接全部 43 个设备；SPI 需 4+43=47 线（1 MOSI+1 MISO+1 SCK+43 SS），布线极其复杂。速度：SPI 更快，但在工厂自动化场景中布线的简洁性更重要。

(b)(ii) SPI 传输时间 [2 marks]

1 MHz 时钟，2 字节 = 16 bits → $T = 16 \times 1\mu s = \mathbf{16\,\mu s}$

1	`SPI ser_port(A6, A5, A4); // MOSI, MISO, SCK`

(i) A6 = MOSI（主机发送数据），A5 = MISO（主机接收数据）

(ii) switch_word = 0xB0, switch_word & 0x01 → B0 & 01 = B0（若 switch_ip1==1），否则为 B0

(iii) recd_val = ser_port.write(switch_word) — 发送 switch_word 并同时接收从机返回的数据存入 recd_val

(iv) == 是比较运算符（判断左右是否相等），= 是赋值运算符（将右侧值赋给左侧）。两者不可互换。

附录 D：实验与项目速查

实验平台

开发板： NUCLEO-L432KC (STM32L432KC, ARM Cortex-M4, 80 MHz)
IDE： mbed Studio（在线版或桌面版）
编译输出： .bin 文件 → 复制到 MCU 文件夹运行

关键引脚

功能	NUCLEO-L432KC 引脚
用户 LED	LED1 (LD3)
数字 I/O	D0–D6, D9–D13
模拟输入	A0–A3, A6–A7
模拟输出 (DAC)	A4
PWM	D3, D5, D6 等
SPI	A6 (MOSI), A5 (MISO), A4 (SCK)
UART	D0 (TX), D1 (RX)
I2C	D4 (SDA), D5 (SCL)