外设
什么是外设？
大多数微控制器不仅仅有 CPU、RAM 或闪存——它们还包含硅片区域，用于与微控制器外部的系统交互，以及通过传感器、电机控制器或人机界面（如显示器或键盘）直接和间接地与周围环境互动。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任务卸载到它们，从而避免必须在软件中处理所有事情。类似于桌面开发人员将图形处理卸载到显卡的方式，嵌入式开发人员可以将一些任务卸载到外设，从而使 CPU 可以将时间花在其他重要的事情上，或者为了节省功耗而什么都不做。
如果您查看 20 世纪 70 年代或 80 年代的老式家用计算机的主电路板（实际上，昨天的台式电脑与今天的嵌入式系统并没有太大区别），您会看到：
- 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（本系统中的外设）通过一系列称为“总线”的并行走线连接到处理器。该总线携带地址信息，该信息选择处理器希望与之通信的总线上的哪个设备，以及携带实际数据的总线。在我们的嵌入式微控制器中，相同的原理适用——只是所有东西都被打包到了一块硅片上。
然而，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，该接口映射到内存块。
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，也可能完全是有效的操作。
在桌面系统中，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：强制执行对内存段的访问权限（防止一个进程读取或修改另一个进程的内存）；以及将物理内存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，而是在软件中仅使用真实的物理地址。
虽然 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 来存储实际内存。这留下了大量的剩余地址空间。在前面的章节中，我们讨论过 RAM 位于地址 0x2000_0000。如果我们的 RAM 长 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。当我们写入一个位于地址 0x2000_1234 的变量时，内部发生的事情是一些逻辑检测到地址的上半部分（在本例中为 0x2000），然后激活 RAM，以便它可以对地址的下半部分（在本例中为 0x1234）进行操作。在 Cortex-M 上，我们的闪存 ROM 也映射到地址 0x0000_0000，最高可达地址 0x0007_FFFF（如果我们有 512 KiB 的闪存 ROM）。微控制器设计者没有忽略这两个区域之间的所有剩余空间，而是将外设的接口映射到特定的内存位置。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，通过串行端口发送一个 32 位字就像将该 32 位字直接写入某个内存地址一样简单。然后，串行端口外设将接管并自动发送数据。
这些外设的配置方式类似。不是调用函数来配置外设，而是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 端口将以每秒 8 兆比特的速度发送数据。将 0x0200_0000 写入同一地址，SPI 端口将以每秒 125 千比特的速度发送数据。这些配置寄存器看起来有点像这样：
无论使用何种语言，无论是汇编语言、C 语言还是 Rust 语言，都通过此接口与硬件进行交互。