單片微型計算機.doc

9第1章 概 述第1章 概 述1.1 單片微型計算機1.1.1 單片機的概念微型計算機（微機）具有體積小、價格低、使用方便、可靠性高等一系列優(yōu)點，因此一問世就顯示出強大的生命力，被廣泛用于國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和商業(yè)管理等領(lǐng)域。特別是近年來微處理器的高速發(fā)展，使其已滲透到人類生活的各個領(lǐng)域，給人類世界帶來了難以估量的變革。縱觀微處理器的發(fā)展，可以明顯地看出其正朝著兩個方向進行：q 一是朝著面向數(shù)據(jù)運算、信息處理等功能的系統(tǒng)機方向發(fā)展。系統(tǒng)機以速度快、功能強、存儲量大、軟件豐富、輸入/輸出設(shè)備齊全為主要特點，采用高級語言編程，適用于數(shù)據(jù)運算、文字信息處理、人工智能、網(wǎng)絡(luò)通信等場合。q 另一方面，在有些應(yīng)用領(lǐng)域中，如智能化儀器儀表、電訊設(shè)備、自動控制設(shè)備、汽車乃至家用電器等，要求的運算、控制功能相對并不很復(fù)雜，但對體積、成本、功耗等的要求卻比較苛刻。為適應(yīng)這方面的需求，產(chǎn)生了一種將中央處理器、存儲器、I/O接口電路以及連接它們的總線都集成在一塊芯片上的計算機，即所謂的單片微型計算機，簡稱單片機（Single Chip Microcomputer）。單片機在設(shè)計上主要突出了控制功能，調(diào)整了接口配置，在單一芯片上制成了結(jié)構(gòu)完整的計算機，因此，單片機也稱為微控制器（MCU）。單片機分為通用型和專用型兩大類，通常所說的單片機和本書介紹的MSP430系列單片機都是指通用型單片機。通用型單片機是把可開發(fā)的資源全部提供給使用者。專用型的單片機也叫專用微控制器，是針對某些應(yīng)用專門設(shè)計的，例如頻率合成調(diào)諧器、錄音機機芯控制器、打印機控制器等。1.1.2 單片機的特點單片機具有如下特點：q 小巧靈活、成本低、易于產(chǎn)品化，它能方便地組裝成各種智能式控制設(shè)備以及各種智能儀器儀表。q 面向控制，能針對性地解決從簡單到復(fù)雜的各類控制任務(wù)，因而能獲得最佳性 價比。q 抗干擾能力強，適應(yīng)溫度范圍寬，在各種惡劣環(huán)境下都能可靠地工作，這是其他機型無法比擬的。q 可以很方便地實現(xiàn)多機和分布式控制，使整個系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高。著名的半導(dǎo)體廠商美國德州儀器（TI）在20世紀70年代首先推出了TMS1000系列4位單片機。20世紀80年代到90年代，國內(nèi)主要使用Intel的MCS51系列和Motorola的68HC系列8位單片機。目前主要的單片機廠商還有Atmel、Microchip、Philips等。單片機由于應(yīng)用面廣，生產(chǎn)批量大而使成本低廉（目前最低價格為每片35元人民幣），系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單而使可靠性增加，采用CMOS工藝大大降低了功耗。因此單片機問世之后很快成為微型計算機的一個重要分支，發(fā)展極為迅速。從4位、8位、16位到32位單片機種類已有數(shù)百種，全世界去年銷售量已達數(shù)億片。1.1.3 單片機的應(yīng)用單片機可以應(yīng)用到人類生活的各個領(lǐng)域中去。以下列出的都是單片機應(yīng)用比較活躍的領(lǐng)域：q 工業(yè)控制：單片機的結(jié)構(gòu)特點決定了它特別適用于各種控制系統(tǒng)。它既可以作單機控制器，又可作為多級控制的前沿處理機用于控制系統(tǒng)，應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛。例如，在通用工控中，可用于各種機床控制、電機控制、工業(yè)機器人、各種生產(chǎn)線、各種過程控制、各種檢測系統(tǒng)等；在軍事工業(yè)中，可用于導(dǎo)彈控制、魚雷制導(dǎo)控制、智能武器裝置、航天導(dǎo)航系統(tǒng)等；在汽車工業(yè)中，可用于點火控制、變速器控制、防滑剎車、排氣控制等。q 智能化的儀器儀表：單片機用于包括溫度、濕度、流量、流速、電壓、頻率、功率、厚度、角度、長度、硬度、元素測定等各類儀器儀表中，使儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，功能大大提高。q 日常生活中的電器產(chǎn)品：單片機可用于電子秤、錄像機、錄音機、彩電、洗衣機、高級電子玩具、冰箱、照相機、家用多功能報警器等。q 計算機網(wǎng)絡(luò)與通信方面：單片機可用BIT BUS、CAN、以太網(wǎng)等構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，還可以用于調(diào)制解調(diào)器、各種智能通信設(shè)備（例如小型背負式通信機、列車無線通信等）、無線遙控系統(tǒng)等。q 計算機外部設(shè)備：單片機可用于溫氏硬盤驅(qū)動器、微型打印機、圖形終端、CRT顯示器等。總之，單片機具有體積小、功能強、價格便宜等優(yōu)點，是微機應(yīng)用產(chǎn)品化的最佳選擇。單片機的出現(xiàn)也改變了傳統(tǒng)的電路設(shè)計方法，過去經(jīng)常采用模擬電路、脈沖電路、組合邏輯實現(xiàn)的電路系統(tǒng)，現(xiàn)在相當(dāng)一部分可以用各種單片機（或叫做微控制器）予以取代。傳統(tǒng)的邏輯設(shè)計方法正在演變成軟件和硬件相結(jié)合的方法，許多電路設(shè)計問題將轉(zhuǎn)化為程序設(shè)計問題。1.2 MSP430系列單片機MSP430系列單片機是美國德州儀器（TI）1996年開始推向市場的一種16 位超低功耗的混合信號處理器（Mixed Signal Processor）。稱之為混合信號處理器，主要是由于其針對實際應(yīng)用需求，把許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一個芯片上，以提供“單片”解決方案。1.2.1 MSP430系列單片機的特點雖然MSP430系列單片機推出時間不是很長，但由于其卓越的性能，在短短幾年時間里發(fā)展極為迅速，應(yīng)用也日趨廣泛。MSP430系列單片機針對各種不同應(yīng)用，包括一系列不同型號的器件。主要特點有：1超低功耗MSP430系列單片機的電源電壓采用1.83.6V低電壓，RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅0.1A，活動模式耗電250A/MIPS（MIPS：每秒百萬條指令數(shù)），IO輸入端口的漏電流最大僅50nA。MSP430系列單片機有獨特的時鐘系統(tǒng)設(shè)計，包括兩個不同的時鐘系統(tǒng)：基本時鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)（FLL和FLL+）時鐘系統(tǒng)或DCO數(shù)字振蕩器時鐘系統(tǒng)。由時鐘系統(tǒng)產(chǎn)生CPU和各功能模塊所需的時鐘，并且這些時鐘可以在指令的控制下打開或關(guān)閉，從而實現(xiàn)對總體功耗的控制。由于系統(tǒng)運行時使用的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有明顯的差異。在系統(tǒng)中共有一種活動模式（AM）和5種低功耗模式（LPM0LPM4）。另外，MSP430系列單片機采用矢量中斷，支持十多個中斷源，并可以任意嵌套。用中斷請求將CPU喚醒只要6s，通過合理編程，既以降低系統(tǒng)功耗，又可以對外部事件請求作出快速響應(yīng)。在這里，需要對低功耗問題作一些說明。首先，對一個處理器而言，活動模式時的功耗必須與其性能一起來考察、衡量，忽略性能來看功耗是片面的。在計算機體系結(jié)構(gòu)中，是用W/MIPS（瓦特/百萬指令每秒）來衡量處理器的功耗與性能關(guān)系的，這種標稱方法是合理的。MSP430系列單片機在活動模式時耗電250A/MIPS，這個指標是很高的（傳統(tǒng)的MCS51單片機約為1020mA/MIPS）。其次，作為一個應(yīng)用系統(tǒng)，功耗是整個系統(tǒng)的功耗，而不僅僅是處理器的功耗。比如，在一個有多個輸入信號的應(yīng)用系統(tǒng)中，處理器輸入端口的漏電流對系統(tǒng)的耗電影響就較大了。MSP430單片機輸入端口的漏電流最大為50nA，遠低于其他系列單片機（一般為1 10A）。另外，處理器的功耗還要看它內(nèi)部功能模塊是否可以關(guān)閉，以及模塊活動情況下的耗電，比如低電壓監(jiān)測電路的耗電等。還要注意，有些單片機的某些參數(shù)指標中，雖然典型值可能很小，但最大值和典型值相差數(shù)十倍，而設(shè)計時要考慮到最壞情況，就應(yīng)該關(guān)心參數(shù)標稱的最大值，而不是典型值。總體而言，MSP430系列單片機堪稱目前世界上功耗最低的單片機，其應(yīng)用系統(tǒng)可以做到用一枚電池使用10年。2強大的處理能力MSP430系列單片機是16位單片機，采用了目前流行的、頗受學(xué)術(shù)界好評的精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，一個時鐘周期可以執(zhí)行一條指令（傳統(tǒng)的MCS51單片機要12個時鐘周期才可以執(zhí)行一條指令），使MSP430在8MHz晶振工作時，指令速度可達8MIPS（注意：同樣8MIPS的指令速度，在運算性能上16位處理器比8位處理器高遠不止兩倍）。TI不久還將推出2530MIPS的產(chǎn)品。 同時，MSP430系列單片機中的某些型號，采用了一般只有DSP中才有的16位多功能硬件乘法器、硬件乘-加（積之和）功能、DMA等一系列先進的體系結(jié)構(gòu)，大大增強了它的數(shù)據(jù)處理和運算能力，可以有效地實現(xiàn)一些數(shù)字信號處理的算法（如FFT、DTMF等）。這種結(jié)構(gòu)在其他系列單片機中尚未使用。3高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊MSP430系列單片機結(jié)合TI的高性能模擬技術(shù)，各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。視型號不同可能組合有以下功能模塊：看門狗（WDT），模擬比較器A，定時器A（Timer_A），定時器B（Timer_B），串口0，1（USART0、1），硬件乘法器，液晶驅(qū)動器，10位/12/14位ADC，12位DAC，I2C總線，直接數(shù)據(jù)存取（DMA），端口0（P0），端口16（P1P6），基本定時器（Basic Timer）等。其中，看門狗可以在程序失控時迅速復(fù)位；模擬比較器進行模擬電壓的比較，配合定時器，可設(shè)計出高精度（1011位）的A/D轉(zhuǎn)換器；16位定時器（Timer_A和Timer_B）具有捕獲/比較功能；大量的捕獲/比較寄存器，可用于事件計數(shù)、時序發(fā)生、PWM等；多功能串口（USART）可實現(xiàn)異步、同步和I2C串行通信,可方便地實現(xiàn)多機通信等應(yīng)用；具有較多的 I/O 端口，最多達6*8條I/O口線，IO輸出時，不管是灌電流還是拉電流，每個端口的輸出晶體管都能夠限制輸出電流（最大約25mA），保證系統(tǒng)安全；P0、P1、P2端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入；12位A/D轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達200Kb/s，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；LCD驅(qū)動模塊能直接驅(qū)動液晶多達160段；F15X和F16X系列有兩路12位高速DAC，可以實現(xiàn)直接數(shù)字波形合成等功能；硬件I2C串行總線接口可以擴展I2C接口器件；DMA功能可以提高數(shù)據(jù)傳輸速度，減輕CPU的 負荷。 MSP430系列單片機的豐富片內(nèi)外設(shè)，在目前所有單片機系列產(chǎn)品中是非常突出的，為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。4系統(tǒng)工作穩(wěn)定 上電復(fù)位后，首先由DCO_CLK啟動CPU，以保證程序從正確的位置開始執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的起振及穩(wěn)定時間。然后軟件可設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊泶_定最后的系統(tǒng)時鐘頻率。如果晶體振蕩器在用做CPU時鐘MCLK時發(fā)生故障，DCO會自動啟動，以保證系統(tǒng)正常工作。這種結(jié)構(gòu)和運行機制，在目前各系列單片機中是絕無僅有的。另外，MSP430 系列單片機均為工業(yè)級器件，運行環(huán)境溫度為-40+85，運行穩(wěn)定、可靠性高，所設(shè)計的產(chǎn)品適用于各種民用和工業(yè)環(huán)境。5方便高效的開發(fā)環(huán)境目前MSP430系列有OTP型、FLASH型和ROM型3種類型的器件，國內(nèi)大量使用的是FLASH型。這些器件的開發(fā)手段不同，對于OTP型和ROM型的器件是使用專用仿真器開發(fā)成功之后再燒寫或掩膜芯片。對于FLASH型則有十分方便的開發(fā)調(diào)試環(huán)境，因為器件片內(nèi)有JTAG調(diào)試接口，還有可電擦寫的FLASH存儲器，因此采用先通過JTAG接口下載程序到FLASH內(nèi)，再由JTAG接口控制程序運行、讀取片內(nèi)CPU狀態(tài)，以及存儲器內(nèi)容等信息供設(shè)計者調(diào)試，整個開發(fā)（編譯、調(diào)試）都可以在同一個軟件集成環(huán)境中進行。這種方式只需要一臺PC機和一個JTAG調(diào)試器，而不需要專用仿真器和編程器。開發(fā)語言有匯編語言和C語言。目前較好的軟件開發(fā)工具是IAR Workbench V2.10。這種以FLASH技術(shù)、JTAG調(diào)試、集成開發(fā)環(huán)境結(jié)合的開發(fā)方式，具有方便、廉價、實用等優(yōu)點，在單片機開發(fā)中還較為少見。其他系列單片機的開發(fā)一般均需要專用的仿真器或編程器。 另外，2001年TI公司又公布了BOOTSTRAP技術(shù)，利用它可在保密熔絲燒斷以后，只要幾根硬件連線，通過軟件口令字（密碼），就可更改并運行內(nèi)部的程序，這為系統(tǒng)固件的升級提供了又一方便的手段。BOOTSTRAP具有很高的保密性，口令字可達32個字節(jié)長度。1.2.2 MSP430系列單片機的發(fā)展和應(yīng)用TI公司從1996年推出MSP430系列開始到2000年初，推出了33X、32X、31X等幾個系列。MSP430的33X、32X、31X等系列具有LCD驅(qū)動模塊，對提高系統(tǒng)的集成度較有利。每一系列有ROM型（C）、OTP型（P）和EPROM 型（E）等芯片。EPROM 型的價格昂貴，運行環(huán)境溫度范圍窄，主要用于樣機開發(fā)。這也表明了這幾個系列的開發(fā)模式，即用戶可以用EPROM型開發(fā)樣機，用OTP型進行小批量生產(chǎn)，而ROM型適應(yīng)大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品。MSP430的3XX系列，在國內(nèi)幾乎沒有使用。隨著FLASH技術(shù)的迅速發(fā)展，TI公司也將這一技術(shù)引入MSP430系列單片機中。2000年推出了F11X/11X1系列，這個系列采用20腳封裝，內(nèi)存容量、片上功能和I/O引腳數(shù)比較少，但是價格比較低廉。在2000年7月推出了帶ADC或硬件乘法器的F13X/F14X系列。在2001年7月到2002年又相繼推出了帶LCD控制器的F41X、F43X、F44X。TI在2003到2004年期間推出了F15X 和F16X系列產(chǎn)品。在這一新的系列中，有了兩個方面的發(fā)展。一是增加了RAM的容量，如F1611的RAM容量增加到了10KB，這樣就可以引入實時操作系統(tǒng)（RTOS）或簡單文件系統(tǒng)等。二是從外圍模塊來說，增加了I2C、DMA、DAC12和SVS等模塊。 近兩年，TI公司針對某些特殊應(yīng)用領(lǐng)域，利用MSP430的超低功耗特性，還推出了一些專用單片機，如專門用于電量計量的MSP430FE42X，用于水表、氣表、熱表等具有無磁傳感模塊的MSP430FW42X，以及用于人體醫(yī)學(xué)監(jiān)護（血糖、血壓、脈搏等）的MSP430FG42X單片機。用這些單片機來設(shè)計相應(yīng)的專用產(chǎn)品，不僅具有MSP430的超低功耗特性，還能大大簡化系統(tǒng)設(shè)計。根據(jù)TI在MSP430系列單片機上的發(fā)展計劃，在今后將陸續(xù)推出性能更高、功能更強的F5XX系列，這一系列單片機運行速度可達2530MIPS，并具有更大的FLASH（128KB）及更豐富的外設(shè)接口（CAN、USB等）。MSP430系列單片機不僅可以應(yīng)用于許多傳統(tǒng)的單片機應(yīng)用領(lǐng)域，如儀器儀表、自動控制以及消費品領(lǐng)域，更適合用于一些電池供電的低功耗產(chǎn)品，如能量表（水表、電表、氣表等）、手持式設(shè)備、智能傳感器等，以及需要較高運算性能的智能儀器設(shè)備。1.3 MSP430系列單片機應(yīng)用選型1.3.1 MSP430系列單片機的命名規(guī)則MSP430系列單片機種類繁多，在介紹應(yīng)用選型之前，需要先了解MSP430系列單片機的命名規(guī)則，如圖1-1所示。圖1-1 MSP430系列單片機的命名規(guī)則以MSP430F449為例，其中F代表FLASH型，44代表片內(nèi)具有ADC12、LCD和硬件乘法器等外圍部件，9代表存儲容量為60KB。其中各種類型存儲器特性如表1-1所示。表1-1 存儲器特性類 型名 稱特 性 CROM只讀存儲器，適合大批量生成POTP單次可編程存儲器，適合小批量生產(chǎn)EEPROM可擦除只讀存儲器，適合開發(fā)樣機FFLASH閃存，具有ROM型的非易失性和EPROM的可擦除性1.3.2 MSP430系列單片機的選型應(yīng)用MSP430系列單片機構(gòu)建應(yīng)用系統(tǒng)，進行總體設(shè)計時要考慮選型的問題。選擇MSP430系列單片機型號應(yīng)該遵循以下原則：q 選擇最容易實現(xiàn)設(shè)計目標且性價比高的機型。q 在研制任務(wù)重，時間緊的情況下，首先選擇熟悉的機型。q 欲選的機型在市場上要有穩(wěn)定充足的貨源。MSP430系列的FLASH型單片機在系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)調(diào)試及實際應(yīng)用上都具顯著優(yōu)勢，使應(yīng)用程序升級和代碼改進更為方便，成為國內(nèi)應(yīng)用的主流機型。其存儲器模塊是目前業(yè)界所有內(nèi)部集成FLASH存儲器產(chǎn)品中能耗最低的一種，消耗功率僅為其他閃速微控制器(Flash Mcu)的五分之一。FLASH的主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、集成密度大、電可擦寫、成本低。由于FLASH可以局部擦除，且寫入、擦除次數(shù)可達數(shù)萬次以上，從而使開發(fā)微控制器不再需要昂貴的專用仿真器。MSP430系列單片機主流FLASH型產(chǎn)品的選型可以參照表1-2。表1-2 MSP430 FLASH型單片機選型表型 號FLASHRAMADDADMALCD段數(shù)USART比較器A硬件乘法器定時器封裝類型I/OMSP430F1101A1KB128BSlope軟件420SOIC,TSSOP14MSP430F1111A2KB128Bslope軟件420SOIC,TSSOP14MSP430F1121A4KB256Bslope軟件420SOIC,TSSOP14MSP430F11224KB256B10bit軟件420SOIC,TSSOP14MSP430F11328KB256B10bit軟件420TSSOP14MSP430F12224KB256B10bit硬件428SOIC,TSSOP22MSP430F1238KB256Bslope硬件428SOIC,TSSOP22MSP430F12328KB256B10bit硬件1428SOIC,TSSOP22MSP430F1338KB256B12bit硬件1764LQFP48MSP430F13516KB256B12bit硬件1764LQFP48MSP430F14732KB1KB12bit硬件21164LQFP48MSP430F147132KB1KBslope硬件21164LQFP48MSP430F14848KB1KB12bit硬件21164LQFP48MSP430F148148KB2KBslope硬件21164LQFP48MSP430F14960KB2KB12bit硬件21164LQFP48MSP430F149160KB2KBslope硬件21164LQFP48續(xù)表型 號FLASHRAMADDADMALCD段數(shù)USART比較器A硬件乘法器定時器封裝類型I/OMSP430F15516KB512B12bit12bit硬件11164LQFP48MSP430F15624KB512B12bit12bit硬件11164LQFP48MSP430F15732KB1KB12bit12bit硬件11164LQFP48MSP430F16732KB1KB12bit12bit硬件21164LQFP48MSP430F16848KB 2KB12bit12bit硬件21164LQFP48MSP430F16960KB2KB12bit12bit硬件21164LQFP48MSP430F4124KB256Bslope96軟件564LQFP48MSP430F4138KB256Bslope96軟件564LQFP48MSP430FE4238KB256B16bit128硬件1564QFP14MSP430FE42516KB512B16bit128硬件1564QFP14MSP430FE42732KB1KB16bit128硬件1564QFP14MSP430FW4238KB512B16bit96軟件1064QFP48MSP430FW42516KB512B16bit96軟件1064QFP48MSP430FW42732KB1KB16bit96軟件1064LQFP48MSP430F43516KB512B12bit160硬件1880,100LQFP48MSP430F43624KB1KB12