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MSP430系列微控制器简介

2019-04-19来源: eefocus关键字:MSP430系列  微控制器  简介

内容涉及以下: 
●按照所处理的信号,对电子线路的分类 
●数字电路的特点 
●常用数字集成电路器件的种类和特点 
●微控制器(Microcontroller,MCU)的结构 
●德州仪器(TI)公司MSP430系列微控制器(MCU)的特点 
●MSP430微控制器的最小系统电路 
●MSP430微控制器的内部资源 
●不同型号MSP430微控制器芯片的区别

引言

电子线路的功用是完成信号的产生、传输和处理。按照信号的特点,电子线路可以被划分为处理连续信号的模拟电路和处理离散信号的数字电路。相对于模拟电路,数字电路具有许多优点。首先,在数字系统中信号电压的准确值并不很重要,只要电压的变化不至于影响到对高、低电平的判定,这个变化就可以忽略不计,因此数字电路具有较好的抗干扰能力;其次,整个系统的准确度和精度容易保持一致,这是因为数字信号在处理过程中不会降低精度,而模拟信号在处理过程中会受到电路元器件参数的改变以及环境变化的影响;再者,数字信号存储方便、对它的处理过程容易通过编程来实现;最后,在许多情况下,完成同样功能的数字系统比相应的模拟系统便宜。 
虽然数字电路相对于模拟电路具有上述的优点,但是自然界中信号的大多数是模拟信号,例如语音信号和图像信号,这就需要模拟电路对其进行处理。另外,在需要对带宽相当宽的信号,或者变化很快的信号,进行实时处理的场合,模拟电路则可能是唯一的解决方案。然而,对于数字电路具有足够速率执行信号处理任务的情况下,我们通常都会优先考虑采用数字电路来完成任务。 
当前,常用的数字电路器件类型包括标准逻辑器件(例如74系列器件)、可编程逻辑器件(Programmable Logic Device,PLD)和微控制器(Microcontroller,MCU)。标准逻辑器件在集成度方面属于中小规模集成电路,它的种类包括各种逻辑门、触发器、译码器、多路选择器和计数器等芯片。这些器件的集成度较低,采用它们设计的数字系统需要较多的器件,这就使得电路连线复杂,系统的可靠性降低。标准逻辑器件芯片的功能确定,修改系统设计必须通过对电路重新设计和组装来实现,这就使得设计灵活性低。标准逻辑器件目前在数字电路设计中已不再广泛使用,但是它们对于研究数字系统基本构成模块的工作原理方面具有重要的意义,例如大学里的《数字电路逻辑设计》课程中目前仍然主要使用这些器件进行讲授。 
使用与门、或门和非门能够实现任意组合电路,再添加上触发器就能够实现任意时序电路。可编程逻辑器件(PLD)可以认为是对标准逻辑器件的直接升级。一块可编程逻辑器件芯片内部集成了非常多的逻辑门和触发器,使得单一芯片具有实现一个应用系统所需要的逻辑资源,从而减少了应用系统中使用器件的数量,提高了系统的可靠性。可编程逻辑器件芯片内部逻辑资源的连接不需要手工进行,用户只需要使用计算机编写设计文件,然后完成设计文件到目标芯片的传输。可编程逻辑器件在下载设计文件以后,在它的内部将形成对应的硬件电路。需要更改设计要求时,只需重新编写设计文件,再次向芯片下载设计文件。不需要更改,或者较少需要更改电路连线,从而使得设计灵活性得到提高。 
微控制器(MCU),也被称为单片机,可以被认为在其内部集成了许多完成算术运算和逻辑运算等功能的逻辑电路模块。微控制器的每一条汇编指令对应一个逻辑电路模块。微控制器依靠所运行的程序来完成工作。这个程序是设计者对微控制器的一组完整的指令,指令告诉微控制器其操作的每一步应该去调用什么逻辑电路模块,以及如何调用这个逻辑电路模块。这些指令以二进制代码的形式存储在存储器中,微3控制器从存储器中一次读取一条指令代码,并完成由指令代码指定的操作。 
通过编写设计文件,或者程序,可以在可编程逻辑器件内部产生希望的硬件电路,或者控制微控制器完成不同的工作,这个特点使得设计灵活性得到提高。当需要修改系统设计时,设计者只需要改写设计文件,或者程序,不需要或者较少需要修改电路连线。 
微控制器一次只能执行一条指令,因此它的主要局限性是工作速度。采用硬件方案设计的数字系统总是比软件方案设计的数字系统的工作速度快。可编程逻辑器件在下载设计文件以后,在它的内部将形成对应的硬件电路,这些电路是可以同时工作的。例如向2个数码管传送显示代码,这时可以同时进行。在微控制器中,向2个数码管传送显示代码的工作只能是逐个传送。可编程逻辑器件内部电路模块中信号处理的时间只来源于硬件电路产生的时间延迟,不存在指令读取和执行产生的时间延迟。上述工作特点使得可编程逻辑器件的工作速度比微控制器芯片快。 
可编程逻辑器件的开发设计语言有许多种,其中VHDL和Verilog HDL这两种硬件描述语言已经获得广泛的应用,并且成为国际电气与电子工程师协会(The Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)的标准。不过这两种硬件描述语言现在并没有得到可编程逻辑器件开发软件的全面支持,例如Altera公司的QuartusⅡ可编程逻辑器件开发软件不支持浮点类型数据、不支持乘法和除法算术运算等。这些不足限制了可编程逻辑器件的应用。不支持浮点类型数据减小了所处理信号的动态范围,不支持乘除法算术运算使得一些信号处理功能不容易实现。在这些方面,微控制器开发中大量使用的C语言具有明显的优势。

一·MSP430系列微控制器

德州仪器(TEXAS INSTRUMENTS,TI)公司生产的MSP430TM系列微控制器(MCU)是一种基于精简指令集处理器(Reduced Instruction Set Computing,RISC)的16位混合信号处理器。芯片内部集成有模拟/数字转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)和数字/模拟信号转换器(Digital-to-Analog Converter,DAC),这就使得它不仅能够接收和输出数字信号,而且也能够接收和输出模拟信号,因此称作为混合信号处理器。MSP430系列微控制器的组成框图如图1.1所示。这里写图片描述图1.1 MSP430系列微控制器的组成框图

MSP430系列微控制器中的CPU模块,图1.1中的“RISC CPU 16-Bit”模块,通过存储器地址总线(Memory Address Bus,MAB)和存储器数据总线(Memory Data Bus,MDB)与程序存储模块、数据存储模块以及各种外部设备模块连接起来,并采用统一的CPU指令和寻址模式。 
如果采用汇编语言编程,开发者需要了解CPU内部的寄存器、各种寻址模式以及汇编指令等内容;如果采用C语言编程,这些内容不需要过多地关注,寄存器的使用和寻址模式的选择将由编译系统处理。本书采用C语言实现应用系统的开发。 
图1.1中的“Flash/FRAM”模块用作程序存储器、“RAM” 模块用作数据存储器、“Port”模块表示芯片的输入/输出管脚。MSP430系列微控制器具有多种芯片型号、同一型号芯片还具有多种封装类型,共计400多款。在所有这些型号的芯片中,芯片内部程序存储器的存储容量从最小的0.5KB,到最大的256KB;数据存储器的存储容量从最小的128B,到最大的18KB;输入/输出管脚数量从14个到113个。不同的芯片内部资源配置用来满足不同的用户在功能和成本等方面的不同应用需求。 
数字外围模块包括LCD驱动器、定时/计数器、并行数字输入/输出端口和串行数字输入/输出端口等。模拟外围模块包括模拟/数字转换器、数字/模拟转换器、比较器、运算放大器等。注意,并不是每一种MSP430微控制器芯片都能提供所有这些外围模块的功能,使用者需要根据应用系统的需求来选择合适的芯片型号。 
监视定时器,俗称看门狗“Watchdog”,用来监视微控制器的工作状态。当出现程序运行异常的情况,它将强制系统复位。 
模块“JTAG/Debug”用来支持用户程序的下载和调试。JTAG接口建立开发使用的计算机与MSP430微控制器芯片的联系。MSP430系列微控制器的所有型号芯片都支持通过JTAG接口对程序存储器编程。在MSP430系列微控制器的内部包含在片调试逻辑,该电路既支持高精度的模拟调试,也支持全速工作调试。也有一些型号的芯片还支持被称作“Spy-Bi-Wire”的2线接口,这种接口同样支持用户程序的下载和调试。 
MSP430系列微控制器的最大特点为低功耗。为降低功耗,专门为芯片设计了灵活的时钟系统、多种低功耗工作模式,即时唤醒以及智能化外部设备模块。 
时钟模块“Clock System”用来产生MSP430系列微控制器工作所需要的各种时钟信号。该模块可以在多个时钟源的支持下工作,既有需要添加外部晶体获得高频率稳定性的时钟源,也有不需要添加任何外部器件的内部时钟源。时钟模块的工作状态和工作频率能够由用户程序控制,这样使得微控制器在等待状态时可以采用低频率的时钟信号,甚至关闭时钟电路来降低系统的能耗;在工作状态时则采用高频率的时钟信号,加快信号的处理速度。用户程序能够选择时钟源,并且控制时钟电路的工作状态以及时钟频率,这是MSP430系列微控制器的特色之一。 
当前,德州仪器(TI)公司生产的MSP430系列微控制器包括以下子系列。指令执行速度达8MIPS的MSP430x1xx子系列、指令执行速度达16MIPS的MSP430x2xx子系列、能够直接驱动LCD显示器的MSP430x4xx子系列、指令执行速度达25MIPS的MSP430x5xx子系列以及指令执行速度达25MIPS且能够直接驱动LCD显示器的MSP430x6xx子系列。上述这些子系列共包括了数百种具有不同逻辑资源和封装类型的芯片,读者可以在德州仪器(TI)公司的网站,www.ti.com,找到相关的信息。 
本书专门介绍MSP430x2xx子系列微控制器的使用。MSP430x2xx子系列微控制器还可以再划分为MSP430G2xx、MSP430F2xx和MSP430AFE2xx分系列。本章的下面部分分别对MSP430G2231和MSP430F2619这2种型号的芯片进行介绍。硬件是软件开发的基础,硬件也是软件的控制对象,只有了解硬件情况才能为应用系统选择合适型号的芯片,并顺利地完成软件开发。 
芯片MSP430G2231是德州仪器(TI)公司提供给高校的LaunchPad(MSP-ESP430G2)开发套件中支持的多种芯片之一,该开发套件售价仅$4.30。另外,MSP430G2231芯片具有双列直插类型封装,便于在面包板上组装应用电路。组装自己的应用电路对于初学者非常重要,即使微控制器是利用编写程序实现电路功能,但是硬件是软件的基础,也是软件的控制对象。只有对硬件电路具有深入的了解,才能编写出好的程序。组装电路是了解硬件电路的一个有效方法。MSP430G2xx系列芯片的一个缺陷是不支持外部高谐振频率晶体的时钟源,它仅支持32.768kHz的时钟晶振。芯片MSP430F2619支持最高达16MHz频率的外部晶体时钟源,当然也支持不需要添加任何外部器件的内部时钟源。另外,芯片MSP430F2619内部具有比芯片MSP430G2231种类更多的外围模块和数量更多的逻辑资源。本书后面对于MSP430系列微控制器各个模块的使用介绍将主要基于芯片MSP430G2231进行,在介绍芯片MSP430G2231不具备的模块时,即芯片MSP430F2619内部具有的外围模块时将特别指出。

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