《DN8P1开发指南_V1.0》第五章 RA8P1基础知识入门

第五章 RA8P1基础知识入门

本章，我们着重介绍RA8P1的一些基础知识，让大家对RA8P1开发有一个初步的了解，为后面RA8P1的学习做铺垫，方便后面的学习。本章内容大家第一次看的时候可以只了解一个大概，后面需要用到这方面的知识的时候再回过头来仔细看看。
本章将分为如下几个小节：
5.1 C语言基础知识复习
5.2 RA8P1系统架构

5.1 C语言基础知识复习
本节我们给大家介绍一下C语言基础知识，对于C语言比较熟练的读者，可以跳过此节，对于基础比较薄弱的读者，建议好好学习一下本节内容。
由于C语言博大精深，不可能我们一小节就全讲明白了，所以本节我们只是复习RA8P1开发时常用的几个C语言知识点，以便大家的更好的学习并编写RA8P1代码。

5.1.1 位操作
C语言位操作相信学过C语言的人都不陌生了,简而言之，就是对基本类型变量可以在位级别进行操作。这节的内容很多朋友都应该很熟练了，我这里也就点到为止，不深入探讨。下面我们先讲解几种位操作符，然后讲解位操作使用技巧。C语言支持如下6种位操作：

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表5.1.1.1 六种位操作

这些与或非，取反，异或，右移，左移这些到底怎么回事，这里我们就不多做详细，相信大家学C语言的时候都学习过了。如果不懂的话，可以百度一下，非常多的知识讲解这些操作符。下面我们想着重讲解位操作在单片机开发中的一些实用技巧。
1，先清零再置位（最常用操作）
操作寄存器特定位的标准流程是：先通过&运算清零，再通过|运算赋值。这种方式可以保证只修改目标位，其他位保持不变。

REGx &= ~(1 << n);   /* 清零第n位 */
REGx |=  (1 << n);   /* 设置第n位为1 */

2，移位操作提高代码可读性
在操作寄存器时，使用移位操作1 << n比直接写十六进制数更直观、可读性更高。

REGx |= 1 << 1;    /* 将第1位设置为1 */

3， ~按位取反操作技巧

REGx &= ~(1 << 0);   /* 仅把第0位清零，其他位不变 */

这种写法比直接写0xFFFFFFFE更易读、更安全。

4，^按位异或操作技巧
按位异或^最典型的用途是位翻转。对某一位执行异或1，该位会翻转（0变1，1变0）。

REGx ^= 1 << 5;    /* 翻转第5位的状态*/

5.1.2 define宏定义
define是C语言中的预处理命令，它用于宏定义，可以提高源代码的可读性，为编程提供方便。常见的格式：

#define         标识符       字符串

“标识符”为所定义的宏名。“字符串”可以是常数、表达式、格式串等。例如：

#define HSE_VALUE    8000000U

定义标识符HSE_VALUE的值为8000000，数字后的U表示unsigned的意思。
至于define宏定义的其他一些知识，比如宏定义带参数这里我们就不多讲解。

5.1.3 ifdef条件编译
单片机程序开发过程中，经常会遇到一种情况，当满足某条件时对一组语句进行编译，而当条件不满足时则编译另一组语句。条件编译命令最常见的形式为：

#ifdef 标识符 
程序段1 
#else 
程序段2 
#endif

它的作用是：当标识符已经被定义过(一般是用#define命令定义)，则对程序段1进行编译，否则编译程序段2。 其中#else部分也可以没有，即：

#ifdef 
      程序段1 
#endif

5.1.4 extern外部申明
C语言中extern可以置于变量或者函数前，以表示变量或者函数的定义在别的文件中，提示编译器遇到此变量和函数时在其他模块中寻找其定义。这里面要注意，对于extern申明变量可以多次，但定义只有一次。在我们的代码中你会看到这样的语句：

extern uint16_t g_usart_rx_sta;

这个语句是申明g_usart_rx_sta变量在其他文件中已经定义了，在这里要使用到。所以，你肯定可以找到在某个地方有变量定义的语句：

uint16_t g_usart_rx_sta;

extern的使用比较简单，但是也会经常用到，需要掌握。

5.1.5 typedef类型别名
typedef的作用是为已有的数据类型定义一个别名，让代码更简洁、更容易阅读、便于维护。

typedef unsigned char uint8_t;

这行代码的意思是：给unsigned char类型起别名叫做uint8_t。
之后定义变量时，就可以直接写：：

uint8_t a;

5.1.6 结构体
很多用户刚开始接触RA8P1的FSP驱动时，会对结构体和结构体指针感到陌生，而e²studio中大量外设初始化、配置都用到了结构体，这让学习门槛变高。其实结构体并不复杂，我们这里结合RA8P1的实际场景，讲清楚它的用法和作用。
声明结构体类型：

struct 结构体名
{
     成员列表;
}变量名列表；

例如：

struct U_TYPE 
{
    int BaudRate 
    int WordLength; 
}usart1, usart2;

在结构体申明的时候可以定义变量，也可以申明之后定义，方法是：

struct  结构体名字   结构体变量列表 ;

例如：

struct U_TYPE usart1,usart2;

结构体成员变量的引用方法是：

结构体变量名字.成员名

比如要引用usart1的成员BaudRate，方法是：usart1.BaudRate；结构体指针变量定义也是一样的，跟其他变量没有啥区别。
例如：

struct U_TYPE *usart3；    /* 定义结构体指针变量usart3 */

结构体指针成员变量引用方法是通过“->”符号实现，比如要访问usart3结构体指针指向的结构体的成员变量BaudRate，方法是：

usart3->BaudRate;

上面讲解了结构体和结构体指针的一些知识，其他的什么初始化这里就不多讲解了。讲到这里，有人会问，结构体到底有什么作用呢？为什么要使用结构体呢？下面我们将简单的通过一个实例回答一下这个问题。
在我们单片机程序开发过程中，经常会遇到要初始化一个外设比如串口，它的初始化状态是由几个属性来决定的，比如串口号，波特率，极性，以及模式。对于这种情况，在我们没有学习结构体的时候，我们一般的方法是：

void usart_init(uint8_t usartx, uiut32_t BaudRate, uint32_t Parity, 
uint32_t Mode);

这种方式是有效的同时在一定场合是可取的。但是试想，如果有一天，我们希望往这个函数里面再传入一个/几个参数，那么势必我们需要修改这个函数的定义，重新加入新的入口参数，随着开发不断的增多，那么是不是我们就要不断的修改函数的定义呢？这是不是给我们开发带来很多的麻烦？那又怎样解决这种情况呢？
我们使用结构体参数，就可以在不改变入口参数的情况下，只需要改变结构体的成员变量，就可以达到改变入口参数的目的。
结构体就是将多个变量组合为一个有机的整体，上面的函数，usartx,BaudRate,Parity, Mode等这些参数，他们对于串口而言，是一个有机整体，都是来设置串口参数的，所以我们可以将他们通过定义一个结构体来组合在一个有机整体。e²studio中是这样定义的：

typedef struct
{ 
   uint32_t BaudRate;
   uint32_t WordLength;
   uint32_t StopBits;
   uint32_t Parity;
   uint32_t Mode;
   uint32_t HwFlowCtl;
   uint32_t OverSampling;   
} UART_InitTypeDef;

这样，我们在初始化串口的时候入口参数就可以是USART_InitTypeDef类型的变量或者指针变量了，于是我们可以改为：

void usart_init(UART_InitTypeDef *huart);

这样，任何时候，我们只需要修改结构体成员变量，往结构体中间加入新的成员变量，而不需要修改函数定义就可以达到修改入口参数同样的目的了。这样的好处是不用修改任何函数定义就可以达到增加变量的目的。
理解了结构体在这个例子中间的作用吗？在以后的开发过程中，如果你的变量定义过多，如果某几个变量是用来描述某一个对象，你可以考虑将这些变量定义在结构体中，这样也许可以提高你的代码的可读性。
使用结构体组合参数，可以提高代码的可读性，不会觉得变量定义混乱。当然结构体的作用就远远不止这个了，同时，e²studio中用结构体来定义外设也不仅仅只是这个作用，这里我们只是举一个例子，通过最常用的场景，让大家理解结构体的一个作用而已。后面一节我们还会讲解结构体的一些其他知识。

5.1.7 指针
指针是一个值指向地址的变量（或常量），其本质是指向一个地址，从而可以访问一片内存区域。在编写代码的时候，或多或少都要用到指针，它可以使不同代码共享同一片内存数据，也可以用作复杂的链接性的数据结构的构建，比如链表，链式二叉树等，而且，有些地方必须使用指针才能实现，比如内存管理等。
申明指针我们一般以p开头，如：

char * p_str = “This is a test!”;

这样，我们就申明了一个p_str的指针，它指向This is a test!这个字符串的首地址。我们编写如下代码：

int main(void)
{ 
uint8_t temp = 0X88;     	/* 定义变量 temp */
    uint8_t *p_num = &temp;  	/* 定义指针p_num，指向temp的地址 */

    printf("temp:0X%X\r\n", temp);                  	/* 打印temp的值 */
    printf("*p_num: 0X %X\r\n", *p_num);           	/* 打印*p_num的值 */
    printf("p_num: 0X %X\r\n", (uint32_t)p_num);	/* 打印p_num的值 */
    printf("&p_num: 0X %X\r\n", (uint32_t)&p_num);	/* 打印&p_num的值 */
    while (1);  
}

此代码的输出结果为：

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图5.1.7.1 输出结果

p_num：是uint8_t类型指针，指向temp变量的地址，其值等于temp变量的地址。
*p_num：取p_num指向的地址所存储的值，即temp的值。
&p_num：取p_num指针的地址，即指针自身的地址。
以上，就是指针的简单使用和基本概念说明，指针的详细知识和使用范例大家可以百度学习，网上有非常多的资料可供参考。指针是C语言的精髓，在后续的代码中我们将会大量用到各种指针，大家务必好好学习和了解指针的使用。

5.2 RA8P1基础知识
RA8P1 是瑞萨电子基于Arm Cortex‑M85/M33内核与Ethos‑U55 NPU打造的22nm高性能 AI MCU，主频1GHz，CoreMark超7300，集成MRAM与大容量SRAM，专为边缘视觉、语音 AI 及实时控制设计，配套e² studio与E2 Lite仿真器开发。

5.2.1 双核架构
ARM公司提供内核（如 Cortex‑M85、Cortex‑M33，简称CM85、CM33，下同）授权，完整的MCU还需要搭配各类配套组件。芯片厂商瑞萨电子（Renesas）获得内核授权后，将双核架构集成到芯片硅片设计中，同时搭载Ethos‑U55 NPU硬件AI加速器，并扩展存储器、外设、I/O接口以及其他功能模块。不同品牌、不同型号的ARM架构MCU，在存储容量、存储类型、外设资源、功能配置上各有差异，以此适配不同的应用场景，形成了市面上品类丰富的ARM系列芯片。Cortex‑M85、Cortex‑M33双核架构与芯片整体的关系如图所示：

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图5.3.1.1 Cortex M85& Cortex M33之间的关系图

可以看到，ARM公司提供了Cortex‑M85/M33双核内核以及统一的调试系统（包括DAP、APB/AHB‑AP、CTI/ETM/ITM/TPIU等调试与跟踪模块），构成了芯片的核心计算与调试基础。而其他部分，如系统总线、存储器（ITCM/DTCM/TCM、Cache）、安全单元（IDAU）、以及后续瑞萨电子扩展的外设（如UART、SPI、I2C、定时器、ADC等）、片上存储器（MRAM/SRAM）、I/O接口等，都由芯片制造商瑞萨电子设计开发并集成到整个系统中。这也是不同厂商基于相同ARM内核，却能推出各具特色、适配不同应用场景的MCU的根本原因。RA8P1就是瑞萨电子基于这一双核架构与调试系统，结合自身外设与存储方案打造的一款高性能AI MCU。

5.2.2 存储器地址映射
RA8P1是一个32位单片机，它可以很方便的访问4GB以内的存储空间（2^32 = 4GB），因此 Cortex‑M85/M33 内核将图中的所有结构，包括：MRAM、SRAM、TCM、外设及相关寄存器等全部组织在同一个 4GB 的线性地址空间内，我们可以通过C语言来访问这些地址空间，从而操作相关外设（读 / 写）。数据字节以小端格式（小端模式）存放在存储器中，数据的高字节保存在内存的高地址中，而数据的低字节保存在内存的低地址中。
存储器本身是没有地址信息的，我们对存储器分配地址的过程就叫存储器映射。这个分配一般由芯片厂商做好了，瑞萨电子将所有的存储器及外设资源都映射在一个4GB的地址空间上，按功能划分为多个块，从而可以通过访问对应的地址，访问具体的外设或存储器。其映射关系如图5.2.2.1所示：

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图5.2.2.1 RA8P1存储器映射

上图是瑞萨RA8P1 双核ARM（CPU0：Cortex‑M85、CPU1：Cortex‑M33）+ IDAU/MSAU 安全分区的全地址空间分布图，整体按地址从低 (0x0000_0000)→高 (0xF000_0000)、横向分 3 主体（CPU0/CPU1 / 其他外设）、纵向右侧分安全属性（Secure/Non‑Secure/CPU 专属可调用非安全区）四大维度划分，下面按地址段 + 分区类型拆解用途：
一、低地址区：0x0000_0000 ~ 0x0300_0000：Code MRAM（程序主闪存区）
MRAM为磁性随机存储器，等同于MCU内置Flash，存放固件程序代码、常量数据，分两段独立Code MRAM：

  1. 0x00000000 ~ 0x02000000
    CPU0‑ITCM²（0x0000_0000起）：CPU0 (M85)的指令紧耦合内存ITCM，ITCM是M架构专用指令缓存，CPU0从此区域取指运行程序，只存指令、高速零等待读取；
    CPU1‑CTCM⁴：CPU1 (M33)的常量紧耦合内存CTCM，存放CPU1的常量数据/只读代码；
    右侧属性：Non‑secure callable for CPU，Secure for other bus masters
    CPU可以非安全态访问这片代码，除了CPU以外的DMA/ 设总线主机，访问这片默认是安全域（Secure），需要安全权限才能读写，用于保护固件代码不被外设非法篡改。

  2. 0x12100000 ~ 0x12000000 第二块独立的Code MRAM
    独立备用程序闪存分区，用于OTA升级备份固件、二次 bootloader、备用应用程序，安全属性默认Non‑Secure。
    Extra MRAM (Option‑setting memory)：0x02A0/0x02E0/0x12A0/0x12E0_0000配置字 MRAM（选项字节区），等同于传统MCU的Option Byte：
    存放芯片熔丝配置、安全配置、启动配置、硬件引脚配置、读写保护开关，出厂配置 / 用户配置参数，只读为主，仅配置工具可擦写修改。

二、0x1000_0000 ~ 0x321D_4000：片上SRAM（运行内存，等同RAM）

  1. ITCM/DTCM/STCM/CTCM（CPU 专属紧耦合内存，M 架构高速片内 RAM）
    ITCM：Instruction TCM（指令 TCM，只跑指令）；DTCM：Data TCM（数据 TCM，全局 / 局部变量）；STCM/CTCM：CPU1 专属 TCM（常量 / 数据区），TCM 是 CPU 零等待高速内存，比普通 SRAM 更快，仅归属对应 CPU 内核访问
    CPU0‑DTCM³/⁷：多地址别名映射（0x2001_0000、0x3001_0000），CPU0 (M85) 专用数据高速 RAM，存放运行时变量、堆栈；
    CPU0‑ITCM⁵/⁶：CPU0 指令高速 TCM，可把关键代码拷贝进 ITCM 全速运行；
    CPU1‑STCM⁵/⁹、CPU1‑CTCM⁴/⁸：CPU1 (M33) 专属数据 / 常量 TCM，同样多地址别名（alias），别名 = 同一块物理内存映射多个地址，方便不同安全域 / 内核寻址；
    xxx alias：别名地址 = 同一块物理 TCM 内存映射到多个地址段，用来实现安全域拆分（Secure/Non‑Secure 分地址访问同一片物理 RAM）。

  2. On‑chip SRAM / SRAME（0x221A_0000、0x321A_0000）
    通用大容量片上 SRAM：双核共享普通运行内存，用于大缓存、DMA缓冲区、双核交互数据区、大数组缓存；SRAME=SRAM 扩展区，额外扩充RAM。
    安全属性：Non‑secure callable for CPU，Secure for other bus masters：CPU能非安全读写，外设 / DMA 访问需要安全权限，防止外设越权篡改运行内存。

三、0x4000_0000 ~ 0x5050_0000：外设寄存器区Peripheral IO registers
Secure安全域分区：整段划归Secure安全域，所有片上外设（GPIO/UART/SPI/ADC/PWM 等）寄存器都在此地址；
安全规则：只有安全态 (Secure) 代码才能直接访问外设寄存器，非安全 (Non‑Secure) CPU 不能直接操作硬件外设，必须通过安全网关调用安全服务，是ARM TrustZone安全架构的典型设计；
Reserved area¹：保留地址，未集成外设，预留后续芯片改版拓展。

四、0x6000_0000 ~ 0x7000_0000：外部地址空间（外接存储 / 总线）
三段外部总线地址：
1，CS area：片选外设总线，外接 SPI / 并行总线外设（传感器、扩展 IO）；
2，SDRAM area：外接 SDRAM 高速大容量运存，用于操作系统、大缓存；
3，OSPI area：八线 SPI 闪存（Octal SPI Flash），外接大容量外挂程序闪存；
4， 安全属性：Non‑Secure，默认非安全域，双核非安全代码都可访问外接器件。

5.2.3 RA8P1时钟树
RA8P采用双PLL+5路原生振荡源+分级分频+TrustZone安全时钟管控架构，面向 Cortex‑M85（CPU0）+Cortex‑M33（CPU1）双核+内置NPU架构设计，整套时钟树分为时钟源层→PLL倍频层→系统主干时钟层→外设专用时钟层→外部输出时钟五级架构，支持安全域 / 非安全域时钟寄存器隔离、振荡失效自动切换、FLL频率校准、多档分频配置、低功耗时钟冻结，可灵活适配高速运算、工业外设、LCD/以太网/USB等多场景主频需求。读者可自行参阅RA8P1数据手册第9章的“Figure 9.1 Clock generation circuit block diagram”时钟树示意图。鉴于原版框图结构较为复杂、不够直观，本文将以e2 studio的FSP时钟配置界面为基准，为大家详细讲解RA8P1的时钟树，具体如下图所示。

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图5.2.3.1 RA8P1时钟树（部分截图）

1，RA8P共5个独立基准振荡源，分为外部晶振型（MOSC/SOSC）+片内RC型（HOCO/MOCO/LOCO），是全时钟树的频率基准，PLL/FLL全部依托该层时钟输入。
2，PLL1P是CPU/ICLK系统时钟首选，CPU0/1最高1GHz/250MHz主频依托PLL1P；PLL1Q/R供给 SCI/SPI/ADC等高速外设；
3，PLL2P/Q/R专供USB、I3C、以太网 SW、LCD等独立外设，不接入系统主干ICLK，实现系统与外设时钟解耦，改外设频不影响CPU主频。
4, RA8外设时钟分通用分组（PCLA~E）+外设独立多路可选时钟，SCI/SPI/OctSPI/CANFD/USB/I3C/LCD/以太网PHY等外设可脱离PCLK分组，自由从 MOS/SOS/HOCO/MOCO/PLL1 (P/Q/R)/PLL2 (P/Q/R) 任选时钟源，每个外设配独立SEL（源选择）+DIV（分频）+REQ/SRDY切换寄存器（请求就绪握手切换，防切换毛刺）。
注意：外设时钟是有频率约束规则的，不能超出或者小于某个频率范围无法正常工作。读者可以查阅第九章节的表“Table 9.2 Clock generation circuit specifications for the internal clocks (1 of 3)”，如下图所示：

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图5.2.3.2 时钟产生电路的内部时钟规范（部分截图）

从上图可以看到，SCI、SPI、CANFD等外设的最高工作频率分别为480MHz、333MHz、480MHz和480MHz。若在FSP配置中设置的外设频率超出这些最大值，系统会提示配置错误警告，导致外设无法正常工作。

posted @ 2026-10-16 11:04  正点原子  阅读(13)  评论(0)    收藏  举报