msp430 ppt

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MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践 §1 概述 §2 MSP430单片机结构 §3 MSP430指令系统与程序设计 §4 MSP430单片机的片上外设 §5 MSP430单片机接口应用 §1 概述 单片微型计算机 单片机的概念 单片机的特点 单片机的应用 MSP430系列单片机 MSP430系列单片机的特点 MSP430系列单片机命名规则 MSP430系列单片机选型 单片微型计算机：单片机的概念 微处理器的发展一方面是朝着面向数据运算、信息处理等功能的系统机方向发展。系统机以速度快、功能强、存储量大、软件丰富、输入/输出设备齐全为主要特点，采用高级语言编程，适用于数据运算、文字信息处理、人工智能、网络通信等场合。 另一方面，在一些应用领域中，如智能化仪器仪表、电讯设备、自动控制设备、汽车乃至家用电器等，要求的运算、控制功能相对并不很复杂，但对体积、成本、功耗等的要求却比较苛刻。为适应这方面的需求，产生了一种将中央处理器、存储器、I/O接口电路以及连接它们的总线都集成在一块芯片上的计算机，即所谓的单片微型计算机，简称单片机（Single Chip Microcomputer）。单片机在设计上主要突出了控制功能，调整了接口配置，在单一芯片上制成了结构完整的计算机，因此，单片机也称为微控制器（MCU）。 单片机的特点 小巧灵活、成本低、易于产品化，它能方便地组装成各种智能式控制设备以及各种智能仪器仪表。 面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳性能价格比。 抗干扰能力强，适应温度范围宽，在各种恶劣环境下都能可靠地工作，这是其他机型无法比拟的。 可以很方便地实现多机和分布式控制。使整个系统的效率和可靠性大为提高。 单片机的应用 MSP430系列单片机 特点： 超低功耗 强大的处理能力 高性能模拟技术及丰富的片上外设 系统工作稳定 方便高效的开发环境 MSP430系列单片机命名规则 §2 MSP430单片机结构 MSP430单片机结构概述 MSP430系列产品 无LCD驱动系列产品 有LCD驱动系列产品 RF系列 FRAM系列 MSP430 CPU结构和特点 MSP430存储器和地址空间 程序存储器 数据存储器 外围模块寄存器 MSP430单片机结构 MSP430单片机结构 MSP430结构 16位CPU通过总线连接到存储器和外围模块(冯·诺伊曼结构)。 通过JTAG接口进行实时嵌入式仿真处理。 多种低功耗工作模式。 8/16位数据宽度，数据处理更为有效。 硬件乘法器。 丰富的片上外设。 MSP430系列单片机主要功能部件： CPU：MSP430系列单片机的CPU和通用微处理器基本相同，只是在设计上采用了面向控制的结构和指令系统。MSP430的内核CPU结构是按照精简指令集(RISC)和高透明的宗旨而设计的，使用的指令有硬件执行的内核指令和基于现有硬件结构的仿真指令。这样可以提高指令执行速度和效率，增强了MSP430的实时处理能力。 存储器：存储程序、数据以及外围模块的运行控制信息。有程序存储器和数据存储器。对程序存储器访问总是以字形式取得代码，而对数据可以用字或字节方式访问。其中MSP430各系列单片机的程序存储器有ROM、OTP、EPROM和FLASH型。 片上外设（片内外围模块）：经过MAB、MDB、MCB与CPU相连。MSP430不同系列产品所包含外围模块的种类及数目可能不同。它们分别是以下一些外围模块的组合：时钟模块、看门狗、定时器A、定时器B、比较器A、串口0、1、硬件乘法器、液晶驱动器、模数转换、数模转换、端口、基本定时器、DMA控制器等。 MSP430X11X系列 MSP430X12X系列 MSP430X13X系列 MSP430X14X系列 MSP430F15X/F16(1)X 系列 MSP430F15X/F16(1)X 系列 MSP430X41X系列 MSP430F43X系列 MSP430F44X系列 MSP430 CPU的主要特征 精简指令集高度正交化 寄存器资源丰富 寄存器操作为单周期 16位地址总线 常数发生器 直接的存储器到存储器访问 MSP430 CPU内部寄存器—PC/R0 MSP430 CPU内部寄存器—SP/R1 MSP430 CPU内部寄存器—SR/R2 MSP430 CPU内部寄存器—CG1/R2 and CG2/R3 在16个寄存器中R2与R3为常数发生器，利用CPU的27条内核指令配合常数发生器可以生成一些简洁高效的模拟指令。 MSP430存储器结构和地址空间 MSP430存储器结构和地址空间 MSP430中断向量表 MSP430单片机的中断系统 中断类型 系统复位 POR （Power On Reset）上电复位 由Brown_Out_Reset (BOR) 复位电路产生 由RST/NMI引脚产生 PUC （Power Up Clear）上电清除 由POR信号产生 看门狗溢出 看门狗安全键值出错 FLASH安全键出错 非可屏蔽中断——不能使用全局中断使能位（GIE）屏蔽 RST/NMI端口出现跳变 ——使用中断使能位NMIIE控制 晶振故障——使用中断使能位OFIE控制 FLASH访问出错——使用中断使能位ACCVIE控制 可屏蔽中断——有各自的中断屏蔽位，也能被GIE屏蔽 MSP430单片机的中断系统 中断响应过程 MSP430F149 Flash ROM MSP430 8位外围模块寄存器 MSP430 16位外围模块寄存器 MSP430 特殊功能寄存器（SFR） MSP430 特殊功能寄存器（SFR） MSP430 特殊功能寄存器（SFR） MSP430 硬件乘法器 §3 MSP430指令系统与程序设计 指令系统概述 寻址方式 指令系统介绍 数据传送类指令 数据运算类指令 逻辑操作指令 位操作指令 跳转与程序流程的控制类指令 程序设计 程序设计基础 汇编语言程序设计 C语言程序设计 MSP430单片机软件开发流程 MSP430开发系统 MSP430电路板（带JTAG或BSL端口） 仿真器（并口/USB口）或BSL编程器 IAR Embedded Workbench for MSP 430，简称EW430 Code Composer Studio 5.4.0，简称CCS 指令系统概述 MSP430系列单片机：非完全意义的RISC处理器 采用指令正交技术 只有27条内核指令以及24条仿真指令 指令长度不固定 源操作数有7种寻址方式 目的操作数有4种寻址方式 指令周期数有变化 RISC和CISC CISC（Complex Instruction Set Computer)，复杂指令集，采用变长指令，不同指令执行周期数变化很大 RISC（Reduced Instruction Set Computer)，精简指令集，指令长度固定、格式类似、执行时钟周期数基本相同、指令较少、寻址方式少。 寻址方式 7种寻址方式 指令集 指令集 指令集 MSP430开发流程 程序设计 MSP430开发调试过程 1、建立工程项目 2、编写源代码 3、将源代码添加到项目文件 4、选择器件 5、选择仿真方式 6、编译下载代码到芯片 7、仿真调试 C语言程序设计：（1）数据类型 C语言程序设计：（2）结构化程序设计 C语言程序设计：（2）结构化程序设计 语句表达形式有3种(a、b、c)： ［a］ if(条件表达式) 语句 ［b］ if(条件表达式) 语句1 else 语句2 ［c］ if(条件表达式) 语句1 else if(条件表达式) 语句2 else if(条件表达式) 语句3 …… C语言程序设计：（2）结构化程序设计 C语言程序设计：（2）结构化程序设计 C语言程序设计：（2）结构化程序设计 C语言程序设计：（2）结构化程序设计 C语言程序设计：（2）结构化程序设计 C语言程序设计：（2）结构化程序设计 C语言程序设计： (3)函数的定义与调用 函数类型 函数名（形式参数表） 形式参数说明 { 局部变量定义 函数体语句 } [存储变量类型] interrupt [中断矢量变量] 函数类型 函数名（形式参数表） 形式参数说明 { 局部变量定义 函数体语句 } C语言程序设计： (3)函数的定义与调用 MSP430开发环境：IAR Embedded Workbench for MSP430 IAR Embedded Workbench® IAR Embedded Workbench® - Build and debug your application IAR Embedded Workbench is a set of development tools for building and debugging embedded applications using assembler， C and C++. It provides a completely integrated development environment including a project manager， editor， build tools and debugger. IAR Embedded Workbench for MSP430 provides extensive support for all MSP430 devices， hardware debug systems and RTOSs， and generates very compact and efficient code. EW for MSP430 EW for MSP430 EW for MSP430 EW for MSP430 EW for MSP430 EW for MSP430 EW for MSP430 EW for MSP430 EW for MSP430 EW for MSP430 EW for MSP430 §4 MSP430单片机片上外设 时钟模块 低功耗结构 MSP430各种端口 定时器 FLASH存储器模块 比较器A MSP430系列通用串行通信模块 MSP430的A/D转换模块 时钟模块 振荡器控制逻辑 DCO频率的调节 基础时钟模块工作方式和相关寄存器设置 例1设MCLK = XT2， SMCLK = DCOCLK，将MCLK由P5.4输出。（MSP430X14X中引脚P5.4和MCLK复用）。 实现上述功能的程序如下： #include void main(void) { unsigned int i; WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; // 停止看门狗 P5DIR |= 0x10; // P5.4 输出 P5SEL |= 0x10; // P5.4 用作MCLK输出 BCSCTL1 &= ~XT2OFF; // XT2有效 do { IFG1 &= ~OFIFG; //清除振荡器失效标志 for (i = 0xFF; i > 0; i--); // 稳定时间 }while ((IFG1 & OFIFG) != 0); // 如果振荡器失效标志存在 BCSCTL2 |= SELM1; // MCLK = XT2 for (;;); } 根据实际连接情况，确定ACLK、SMCLK和MCLK时钟源。 低功耗 使用内部时钟发生器（DCO）无需外接任何元件 选择外接晶体或陶瓷谐振器，可以获得最低频率和功耗 采用外部时钟信号源 瞬间响应特性 MSP430 工作模式/状态 MSP430 工作模式 系统响应中断的过程 硬件自动中断服务 执行中断处理子程序 执行RETI指令（中断返回） 低功耗0转变为低功耗3 低功耗原则 一般的低功耗原则： 设计外设时的常规原则： 超低功耗嵌入式实时时钟 MSP430的端口 类型丰富 功能丰富 寄存器丰富 端口数据输出特性 定时器 看门狗定时器 定时器A 定时器B 看门狗定时器 看门狗定时器应用举例 定时器Timer_A特性 16位的定时/计数器，4种操作模式 时钟源可选 3个捕获/比较寄存器 支持多捕捉/比较、PWM输出、内部定时 异步输入/输出锁存 中断向量寄存器提供快速Timer_A中断译码功能 定时器Timer_A结构 定时器A功能模块 计数器部分：输入的时钟源具有4种选择，所选定的时钟源又可以1、2、4或8分频作为计数频率，Timer_A可以通过选择4种工作模式灵活的完成定时/计数功能 捕获/比较器：用于捕获事件发生的时间或产生时间间隔，捕获比较功能的引入主要是为了提高I/O 端口处理事务的能力和速度。不同的MSP430单片机，Timer_A模块中所含有的捕获/比较器的数量不一样，每个捕获/比较器的结构完全相同，输入和输出都决定于各自所带的控制寄存器的控制字，捕获/比较器相互之间工作完全独立。 输出单元：具有可选的8种输出模式，用于产生用户需要的输出信号。支持PWM 定时器A中断 定时器工作模式 停止模式 停止模式用于定时器暂停，并不发生复位，所有寄存器现行的内容在停止模式结束后都可用。当定时器暂停后重新计数时，计数器将从暂停时的值开始以暂停前的计数方向计数。例如，停止模式前，Timer_A工作于增/减计数模式并且处于下降计数方向，停止模式后，Timer_仍然工作于增/减计数模式，从暂停前的状态开始继续沿着下降方向开始计数。如果不能这样，则可通过TACTL中的CLR控制位来清除定时器的方向记忆特性。 增计数模式 捕获/比较寄存器CCR0用作Timer_A增计数模式的周期寄存器，因为CCR0为16位寄存器，所以该模式适用于定时周期小于65 536的连续计数情况。计数器TAR可以增计数到CCR0的值，当计数值与CCR0的值相等(或定时器值大于CCR0的值)时，定时器复位并从0开始重新计数。 连续计数模式 在需要65 536个时钟周期的定时应用场合常用连续计数模式。定时器从当前值计数到0FFFFH后，又从0开始重新计数 连续计数模式的典型应用 增/减计数模式 需要对称波形的情况经常可以使用增/减计数模式，该模式下，定时器先增计数到CCR0的值，然后反向减计数到0。计数周期仍由CCR0定义，它是CCR0计数器数值的2倍。 增/减计数模式 增/减计数模式与比较输出模式结合可产生带死区的PWM 捕获/比较模块 捕获模式 当CCTLx中的CAPx=1，该模块工作在捕获模式。这时如果在选定的引脚上发生设定的脉冲触发沿（上升沿、下降沿或任意跳变），则TAR中的值将写入到CCRx中。 每个捕获\比较寄存器能被软件用于时间标记。可用于各种目的 当捕获完成后，中断标志位CCIFGx 被置位。 输出单元 每个捕获/比较模块包含一个输出单元，用于产生输出信号 输出模式 输出模式0 输出模式：输出信号OUTx由每个捕获/比较模块的控制寄存器CCTLx中的OUTx位定义，并在写入该寄存器后立即更新。最终位OUTx直通。 输出模式1 置位模式：输出信号在TAR等于CCRx时置位，并保持置位到定时器复位或选择另一种输出模式为止。 输出模式2 PWM翻转/复位模式：输出在TAR的值等于CCRx时翻转，当TAR的值等于CCR0时复位。 输出模式3 PWM置位/复位模式：输出在TAR的值等于CCRx时置位，当TAR的值等于CCR0时复位。 输出模式 输出模式4 翻转模式：输出电平在TAR的值等于CCRx时翻转，输出周期是定时器周期的2倍。 输出模式5 复位模式：输出在TAR的值等于CCRx时复位，并保持低电平直到选择另一种输出模式。 输出模式6 PWM翻转/置位模式：输出电平在TAR的值等于CCRx时翻转，当TAR值等于CCR0时置位。 输出模式7 PWM复位/置位模式：输出电平在TAR的值等于CCRx时复位，当TAR的值等于CCR0时置位。 增计数模式输出实例 连续计数模式下的输出波形 增/减计数模式下的输出实例 增/减计数模式下的输出实例 Timer_A实现PWM Timer_A实现PWM举例 PWM信号 TIMER_B Timer_B和Timer_A共同的特征 4种工作模式 具有可选，可配置的计数器输入时钟源 有多个独立可配置捕获/比较模块 有多个具有8种输出模式的可配置输出单元 中断功能强大，中断可能源自于计数器的溢出，也可能源自于各捕获/比较模块上发生的捕获事件或比较事件。 Timer_B与Timer_A不同之处 Timer_B计数长度为8位，10位，12位和16位可编程，而Timer_A的计数长度固定为16位。 Timer_B中没有实现Timer_A中的SCCI寄存器位的功能。 Timer_B在比较模式下的捕获/比较寄存器功能与Timer_A不同，增加了比较锁存器 有些型号芯片中的Timer_B输出实现了高阻输出 比较模式的原理稍有不同：在Timer_A中，CCRx寄存器中保存与TAR相比较的数据；而在Timer_B中，CCRx寄存器中保存的是要比较的数据，但并不直接与定时器TBR相比较，而是将CCRx送到与之相对应的锁存器之后，由锁存器与定时器TBR相比较。从捕获/比较寄存器向比较锁存器传输数据的时机也是可以编程的，可以是在写入捕获/比较寄存器后立即传输，也可以是由一个定时事件来触发。 Timer_B支持多重的、同步的定时功能；多重的捕获/比较功能；多重的波形输出功能（比如PWM信号）。而且，通过对比较数据的两级缓冲，可以实现多个PWM信号周期的同步更新 FLASH存储器模块 主要特点 编程可以使用位、字节和字操作 可以通过JTAG、BSL和ISP进行编程 1.8~3.6V工作电压，2.7~3.6V编程电压 100K的擦除/编程周期 数据保持时间从10年到100年不等 可编程次数从100到100，000次 60K空间编程时间<5秒 保密熔丝烧断后不可恢复，不能再对JTAG进行任何访问。 FLASH编程/擦除时间由内部硬件控制，无需任何软件干预 部分容量的FLASH段与地址的对应关系 FLASH存储器的结构框图 FLASH存储器的主要功能部件 控制寄存器：控制FLASH存储器的擦除与写入 FLASH存储器阵列：存储体 地址数据锁存器：擦除与编程时执行锁存操作 编程电压发生器：产生编程电压 时序发生器：产生擦除与编程所需所有时序控制信号 擦除操作 选择适当的时钟源和分频因子，为时序发生器提供正确时钟输入 如果Lock=1，则将它复位 监视BUSY标志位只有当BUSY=0时才可以执行下一步，否则一直监视BUSY。 如果擦除一段，则设置ERASE=1。 如果擦除多段，则设置MERAS=1 如果整个FLASH全擦除，则设置RASE=1同时MERAS=1。 对擦除的地址范围内任意位置作一次空写入，用以启动擦除操作。如果空写的地址在不能执行擦除操作的段地址范围内，则写入操作不起作用 FLASH编程操作 选择适当的时钟源以及合适的分频因子 如果Lock=1，将它复位 监视BUSY位，直到BUSY=0是才可进入下一步 如果写入单字或单字节，则将设置WRT=1 如果是块写或多字、多字节顺序写入，则将设置WRT=1，BLKWRT=1 将数据写入选定地址时启动时序发生器，在时序发生器的控制下完成整个过程 比较器Comparator_A的结构 比较器A的功能 比较器A的主要功能是指出两个输入电压CA0和CA1的大小关系，然后设置输出信号CAOUT的值。如果CA0>CA1 则：CAOUT＝1，否则CAOUT＝0。 参与比较的两个电压CA0和CA1可以是外部或者内部基准电压。任何组合都是可能的。 比较器A的中断 比较器A响应中断的条件为 比较器A应用举例 电压检测：P2.3输入的未知电压接到比较器A正端，片内参考电压0.25Vcc接到比较器A负端，如果未知电压大于0.25Vcc，P1.0置位，否则P1.0复位。 USART模块结构 UART异步模式特点 异步模式，包括线路空闲/地址位通信协议 两个独立移位寄存器：输入移位寄存器和输出移位寄存器 传输7位或8位数据，可采用奇校验或偶校验或者无校验 从最低位开始的数据发送和接收 可编程实现分频因子为整数或小数的波特率 独立的发送和接收中断 通过有效的起始位检测将MSP430从低功耗唤醒 状态标志检测错误或者地址位 UART异步模式下的硬件结构 SPI同步模式下的硬件结构 SPI同步模式特点 支持3线或4线SPI操作 支持主机模式与从机模式 接收和发送有单独的移位寄存器 接收和发送有独立的缓冲器 接收和发送有独立的中断能力 时钟的极性和相位可编程 主模式的时钟频率可编程 7位或8位字符长度 ADC12的结构 ADC12主要特点 12位转换精度，1位非线性微分误差，1位非线性积分误差 有多种时钟源提供给ADC12模块，而且模块本身内置时钟发生器 内置温度传感器 Timer_A/Timer_B硬件触发器 配置有8路外部通道与4路内部通道 内置参考电源，并且参考电压有6种组合 模数转换有4种模式 16字转换缓存 ADC12可关断内核支持超低功耗应用 采样速度快，最高可达200ksps 自动扫描 DMA使能 ADC12转换模式 单通道单次转换 序列通道单次转换 单通道多次转换 序列通道多次转换 ADC12应用举例 使用外部参考源 ADC12应用举例 使用内部参考源 DAC12的结构 DAC12的主要特征 8位、12位分辨率 可编程的时间对能量消耗 内部或外部参考电压 支持无符号和有符号数据输入 具有自校验功能 二进制或者二的补码形式 多路DAC同步更新 可直接存储器存取 §5 MSP430的外部接口 §5 MSP430的外部接口 LUy红软基地