外设
什么是外设？
大多数微控制器不仅仅包含 CPU、RAM 或闪存 - 它们包含用于与微控制器外部系统交互的硅片部分，以及通过传感器、电机控制器或人机界面（如显示器或键盘）直接或间接地与周围环境交互。这些组件统称为外设。
这些外设很有用，因为它们允许开发人员将处理过程卸载到它们，避免必须在软件中处理所有内容。类似于桌面开发人员如何将图形处理卸载到显卡一样，嵌入式开发人员可以将一些任务卸载到外设，从而使 CPU 可以腾出时间做其他重要的事情，或者什么也不做以节省电量。
如果您查看 1970 年代或 1980 年代老式家用计算机中的主电路板（实际上，昨天的台式 PC 与今天的嵌入式系统并没有那么大的区别），您会期望看到
- 一个处理器
- 一个 RAM 芯片
- 一个 ROM 芯片
- 一个 I/O 控制器
RAM 芯片、ROM 芯片和 I/O 控制器（此系统中的外设）将通过一系列称为“总线”的并行轨迹连接到处理器。该总线承载地址信息，用于选择处理器希望与其通信的总线上的哪个设备，以及承载实际数据的 数据总线。在我们的嵌入式微控制器中，相同的原理适用 - 只是所有内容都打包到一块硅片上。
但是，与通常具有 Vulkan、Metal 或 OpenGL 等软件 API 的显卡不同，外设通过硬件接口暴露给我们的微控制器，该接口映射到内存的一部分。
线性内存空间和真实内存空间
在微控制器上，将一些数据写入其他任意地址，例如 0x4000_0000 或 0x0000_0000，也可能是一个完全有效的操作。
在台式系统上，对内存的访问受到 MMU（内存管理单元）的严格控制。该组件有两个主要职责：强制执行对内存部分的访问权限（防止一个进程读取或修改另一个进程的内存）；并将物理内存的段重新映射到软件中使用的虚拟内存范围。微控制器通常没有 MMU，而是只在软件中使用真实的物理地址。
尽管 32 位微控制器具有从 0x0000_0000 到 0xFFFF_FFFF 的真实线性地址空间，但它们通常只使用该范围中的几百 KB 用于实际内存。这留下了大量的地址空间。在前面的章节中，我们谈到 RAM 位于地址 0x2000_0000 处。如果我们的 RAM 长度为 64 KiB（即最大地址为 0xFFFF），那么地址 0x2000_0000 到 0x2000_FFFF 将对应于我们的 RAM。当我们写入位于地址 0x2000_1234 处的变量时，内部发生的事情是，一些逻辑检测到地址的上部（在本例中为 0x2000），然后激活 RAM 以便它可以对地址的下部（在本例中为 0x1234）进行操作。在 Cortex-M 上，我们还将我们的闪存 ROM 映射到地址 0x0000_0000，一直到地址 0x0007_FFFF（如果我们有 512 KiB 闪存 ROM）。与其忽略这两个区域之间的所有剩余空间，微控制器设计人员反而将外设的接口映射到某些内存位置。最终看起来像这样
内存映射外设
乍一看，与这些外设的交互很简单 - 将正确的数据写入正确的地址。例如，通过串行端口发送 32 位字可以像将该 32 位字写入某个内存地址一样直接。然后，串行端口外设将接管并自动发送数据。
这些外设的配置工作方式类似。与其调用函数来配置外设，不如暴露一块内存，作为硬件 API。将 0x8000_0000 写入 SPI 频率配置寄存器，SPI 端口将以 8 兆比特每秒的速度发送数据。将 0x0200_0000 写入同一个地址，SPI 端口将以 125 千比特每秒的速度发送数据。这些配置寄存器看起来有点像这样
无论使用什么语言，无论是汇编、C 还是 Rust，这种接口都是与硬件交互的方式。