MCU及常見MCU外圍電路課件

1、第三講 MCU及常見MCU外圍電路盛慶華第1頁，共56頁。MCUMCU分類04-Aug-222電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第2頁，共56頁。單片機（Microcontroller）MCU ： Microcontroller Unit微控制器04-Aug-223電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第3頁，共56頁。MCU結(jié)構(gòu)CPURAMROM外設(shè)外設(shè)I/O外設(shè)外設(shè)I/O一個典型的計算機系統(tǒng)04-Aug-224電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第4頁，共56頁。04-Aug-225電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第5頁，共56頁。04-Aug-226電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第6頁，共56頁。04-Aug-227電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第7頁，共56頁。04-Aug-

2、228電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第8頁，共56頁。04-Aug-229電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第9頁，共56頁。在電子設(shè)計中使用單片機04-Aug-2210電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第10頁，共56頁。MCU的架構(gòu)CISC （復(fù)雜指令集架構(gòu) ）Complex Instruction Set Computer 早期MCU采用RISC （精簡指令集架構(gòu)）Reduced Instruction Set Computer 新開發(fā)的MCU Core絕大多數(shù)為RISC04-Aug-2211電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第11頁，共56頁。MCU選型（按數(shù)據(jù)總線寬度）4 bits （大量、廉價，電子設(shè)計競賽中未見）8 bitsIntel M

3、CS51系列 80C51/52 很多兼容廠家Freescale(Motorola) S08、S908Microchip PIC16C5x/6x/7x/8x、PIC18CxxAtmel AVR系列 ATmega瑞薩、三星、現(xiàn)代、NEC義隆、Holtek、Sunplus國內(nèi)：中穎、華榮匯、芯唐（Winbond邏輯IC事業(yè)部）04-Aug-2212電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第12頁，共56頁。16 bitsTI MSP430Freescale S12Microchip PIC24CxxxMaxim MaxQ瑞薩Sunplus（凌陽）04-Aug-2213電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第13頁，共56頁。32 bitsA

4、tmel AT91SAM系列 （ARM7內(nèi)核）ST STM32TI（Luminary Micro） 的LM3xxxx系列 NXP(Philips) LPC2xxx系列、LPC17xx系列Samsung 44B0 （ARM7）Atmel AVR32系列 AT32xxx （AVR32內(nèi)核）（ARM Cortex內(nèi)核）Cortex-M3/Cortex-M4,有ST的STM32系列、NXP的LPC13xx系列和TI的LM3S系列04-Aug-2214電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第14頁，共56頁。嵌入式處理器（常見）Samsung S3C2440 （ARM9）S3C6400 (ARM11)Marvell PXA

5、27x 、PXA3xx XScale（基于ARMv5T）Freescale I.MX31系列 （ARM11）Freescale Coolfire （68k）Freescale/IBM PPC （PowerPC）Signma Design （ARM9）AMD Au1200 （MIPS）Atmel AT91SAM926x (ARM9)CirrusLogic EP93xx (ARM9)TI OMAP35xx04-Aug-2215電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第15頁，共56頁。嵌入式處理器（常見）ADI ADSP-BF53x/56x （Blackfin 16bits）TI OMAP2、DM64x、達芬奇 （AR

6、M+TI DSP）Intel Pentium-M C-M 、 Core-Duo （x86）Via C7 （x86）Altera NiosII （NiosII soft core）Xilinx PowerPC（硬核）/MicroBlaze 軟核Magiceyes MMSP2 MP25xx （Dual ARM9）ARM Cortex內(nèi)核（Cortex-A8/Cortex-A9）04-Aug-2216電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第16頁，共56頁。MCS51兼容80C51兼容/增強Atmel AT89S51/52、AT89C51RD2NXP P80C51、LPC76x、LPC900STC、MegaWinTI

7、MSC12xxADI ADuCSilicon Labs C8051FMaxim DS80C42xST、Cypress、SST、新唐（Winbond）04-Aug-2217電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第17頁，共56頁。MCUARM Cortex-M 內(nèi)核04-Aug-2218電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第18頁，共56頁。ARM體系結(jié)構(gòu)概述ARM，英文全稱為Advanced RISC Machines。 ARM首先是一個公司的名稱 。其次，ARM是對一類微處理器的通稱。 寬泛地說，ARM是一種技術(shù)的名字，即采用ARM處理器的控制技術(shù)。 04-Aug-2219電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第19頁，共56頁。ARM微處理器的應(yīng)

8、用領(lǐng)域 工業(yè)控制領(lǐng)域無線通訊領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用智能手機消費類電子產(chǎn)品成像和安全產(chǎn)品04-Aug-2220電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第20頁，共56頁。ARM體系結(jié)構(gòu)的特點 體積小、低功耗、低成本、高性能。支持 Thumb(16 位)/ARM(32 位)雙指令集，能很好的兼容8/16 位器件。大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快。ARM處理器共有37個寄存器，分為若干個組（BANK）。大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成。ARM處理器有7種不同的處理器模式尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高。指令長度固定。 04-Aug-2221電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第21頁，共56頁。ARM處理器系列 ARM 微處理器目前種類非常豐富。 不同的

9、ARM系列具有不同的用途，每一個系列的ARM 微處理器都有各自的特點和應(yīng)用領(lǐng)域。下面分別進行介紹。 04-Aug-2222電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第22頁，共56頁。ARM系列微處理器 ARM7 32bits RISC 采用馮諾依曼結(jié)構(gòu) ARM9 32bits RISC 采用哈佛結(jié)構(gòu) ARM10E內(nèi)核為32位RISC處理器，采用了新的體系結(jié)構(gòu)ARM1136J-S是第一個執(zhí)行ARMv6架構(gòu)指令的處理器Cortex核04-Aug-2223電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第23頁，共56頁。ARM Cortex發(fā)布于2005年，為各種不同性能需求的應(yīng)用提供了一整套完整的優(yōu)化解決方案，該系列的技術(shù)劃分完全針對不同的市場應(yīng)

10、用和性能需求。目前ARM Cortex定義了三個系列：ARM Cortex系列04-Aug-2224電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第24頁，共56頁。ARM Cortex系列（續(xù)）Cortex-A系列：針對復(fù)雜OS和應(yīng)用程序（如多媒體）的應(yīng)用處理器。支持ARM、Thumb和Thumb-2指令集，強調(diào)高性能與合理的功耗，存儲器管理支持虛擬地址。Cortex-R系列：針對實時系統(tǒng)的嵌入式處理器。支持ARM、Thumb和Thumb-2指令集，強調(diào)實時性，存儲器管理只支持物理地址。Cortex核Cortex-M系列：針對價格敏感應(yīng)用領(lǐng)域的嵌入式處理器，只支持Thumb-2指令集，強調(diào)操作的確定性，以及性能、功耗和

11、價格的平衡。04-Aug-2225電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第25頁，共56頁。Cortex-M 系列針對成本和功耗敏感的MCU和終端應(yīng)用M0,M3,M4 ？軟件重用，從一個 Cortex-M 處理器無縫升級到另一個 04-Aug-2226電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第26頁，共56頁。Cortex-M 技術(shù) 04-Aug-2227電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第27頁，共56頁。Cortex-M004-Aug-2228電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第28頁，共56頁。Cortex-M304-Aug-2229電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第29頁，共56頁。Cortex-M404-Aug-2230電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第30頁，共56頁。ARMCor

12、tex 微控制器軟件接口標準 (CMSIS) 是Cortex-M 處理器系列的與供應(yīng)商無關(guān)的硬件抽象層。使用 CMSIS，可以為接口外設(shè)、實時操作系統(tǒng)和中間件實現(xiàn)一致且簡單的軟件接口，從而簡化軟件的重用、縮短新微控制器開發(fā)人員的學習過程，并縮短新產(chǎn)品的上市時間。CMSIS04-Aug-2231電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第31頁，共56頁。NVIC（嵌套矢量中斷控制器）是 Cortex-M 處理器不可或缺的部分，它為處理器提供了卓越的中斷處理能力。Cortex-M 處理器使用一個矢量表，其中包含要為特定中斷處理程序執(zhí)行的函數(shù)的地址。接受中斷時，處理器會從該矢量表中提取地址。NVIC04-Aug-2232

13、電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第32頁，共56頁。在硬件中完成對中斷的響應(yīng) Cortex-M 系列處理器的中斷響應(yīng)是從發(fā)出中斷信號到執(zhí)行中斷服務(wù)例程的周期數(shù)。它包括：檢測中斷背對背或遲到中斷的最佳處理 提取矢量地址 將易損壞的寄存器入棧跳轉(zhuǎn)到中斷處理程序這些任務(wù)在硬件中執(zhí)行，并且包含在為 Cortex-M 處理器報出的中斷響應(yīng)周期時間中。04-Aug-2233電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第33頁，共56頁。NVIC 中的尾鏈Cortex-M 處理器通過在 NVIC 硬件中實現(xiàn)尾鏈技術(shù)簡化了活動中斷和掛起的中斷之間的轉(zhuǎn)換 04-Aug-2234電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第34頁，共56頁。NVIC 對遲到的較高優(yōu)先級中斷的響

14、應(yīng)如果在為上一個中斷執(zhí)行堆棧推送期間較高優(yōu)先級的中斷遲到，NVIC 會立即提取新的矢量地址來為掛起的中斷提供服務(wù) 04-Aug-2235電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第35頁，共56頁。NVIC 進行的堆棧彈出搶占如果異常到達，NVIC 將放棄堆棧彈出并立即為新的中斷提供服務(wù) 04-Aug-2236電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第36頁，共56頁。Cortex-M3微處理器 Cortex-M3微處理器采用ARMv7-M 架構(gòu) 。Cortex-M3系列微處理器的主要特點如下：Thumb-2 指令集架構(gòu)（ISA）的子集。哈佛處理器架構(gòu)，在加載/存儲數(shù)據(jù)的同時能夠執(zhí)行指令取指。三級流水線。32 位單周期乘法。具備硬件除法。

15、Thumb 狀態(tài)和調(diào)試狀態(tài)。處理模式和線程模式。ISR 的低延遲進入和退出?？芍袛?可繼續(xù)的LDM/STM，PUSH/POP。ARMv6類型BE8/LE支持。ARMv6 非對齊訪問。 04-Aug-2237電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第37頁，共56頁。工作模式和工作狀態(tài) Cortex-M3處理器支持兩種工作模式:線程模式處理模式Cortex-M3處理器有兩種工作狀態(tài)：Thumb狀態(tài)調(diào)試狀態(tài)04-Aug-2238電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第38頁，共56頁。數(shù)據(jù)類型 Cortex-M3處理器支持以下數(shù)據(jù)類型：32 位字16 位半字8 位字節(jié)04-Aug-2239電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第39頁，共56頁。STM32如

16、何編譯和下載程序編譯工具：ARM MDK (Keil) IAR下載程序：見pdf04-Aug-2240電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第40頁，共56頁。JLINK驅(qū)動安裝與MDK環(huán)境搭建MDK工程建立：見pdf04-Aug-2241電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第41頁，共56頁。意法半導(dǎo)體- STMSTM32 F0 xx系列（M0 48MHZ）STM32 Lxxx系列(M3 32MHZ)STM32 F1xx系列(M3 72MHZ)STM32 F2xx系列(M3 120MHZ)STM32 F4xx系列(M4 168MHZ)Cortex-M核芯片04-Aug-2242電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第42頁，共56頁。德州儀器 TI

17、（收購Liuminary）LM3Sxxxx系列（M3）LM4Fxxxx系列(M4)恩智浦 - NXP LPC11xx LPC12xx系列（M0）LPC13xx LPC17xx LPC18xx 系列（M3）LPC43xx 系列（M4）Cortex-M核芯片04-Aug-2243電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第43頁，共56頁。飛思卡爾 - FreescaleKinetis L系列（M0+）Kinetis X系列、K系列（M4）愛特梅爾 - Atmel SAM3S/U/N系列（M3）SAM4S系列（M4）英飛凌 - InfineonXCM4000系列（M4）Cortex-M核芯片04-Aug-2244電子系統(tǒng)

18、設(shè)計與實踐第44頁，共56頁。常用外設(shè)UART 通用異步收發(fā)器I2C 一種串行總線SMBUS 同I2CTimer 定時器A/DD/APCA 可編程計數(shù)器陣列SPI 一種同步串行總線04-Aug-2245電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第45頁，共56頁。常用外設(shè)（續(xù)）WDT 看門狗定時器RTC 實時時鐘PWM 脈寬調(diào)制發(fā)生器Comparer 比較器04-Aug-2246電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第46頁，共56頁。MCU常見MCU外圍器件04-Aug-2247電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第47頁，共56頁。串行E2PROMI2C接口24Cxx：24C04、24C256、24LC04MicroWire接口93C46、93C56

19、04-Aug-2248電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第48頁，共56頁。串行FlashSPI接口AT25F102404-Aug-2249電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第49頁，共56頁。Ramtron公司I2C接口FM24系列SPI接口FM25系列鐵電存儲器（FRAM）04-Aug-2250電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第50頁，共56頁。串行A/DTLC1543(10bit,11通道, 2.1M/clk)TLC1549(10bit,2.1M/clk)TLC549(8bit,1.1M/clk)04-Aug-2251電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第51頁，共56頁。1-Wire溫度檢測1-Wire接口DS18B2004-Aug-2252電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第52頁，共56頁。C51MCU軟件開發(fā)的趨勢可移植性易讀性復(fù)雜功能C 逐漸成為主流常用編譯器