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龙伊
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1 合肥工业大学 -TI 单片机联合实验室 (MSP43 & Cortex-M) TI LM3S8962 评估套件概述作者 : 邵春莉指导老师 : 徐科军教授联系方式 :TI_Stellaris@63.com

2 TI 嵌入式处理器产品 Microcontrollers 微控制器 (MCUs) (MCUs) ARM 基于 -Based ARM 的处理器 Processors Digital 数字信号处理 Signal Processors (DSPs) (DSPs) 6 位超低功耗 MCUs 32 位实时 MCUs 高级通信功能 Cortex -M3 MCUs ARM Cortex-A8 MPUs DSP DSP+ARM 多核 DSP 超低功耗 DSP MSP43 高达 25MHz KB~256kB Flash 模拟 I/O, ADC LCD, USB, RF 测量, 传感, 通用 C2 Delfino Piccolo 4MHz~ 3MHz 6KB~256kB RAM,Flash PWM, ADC, CAN, SPI, I2C 电机控制, 数字电源照明, 可再生能源 Stellaris Cortex -M3 TMS57 Cortex -R4 高达 8MHz 64KB~256kB Flash USB, ENET MAC+PHY CAN, ADC, PWM, SPI 运动控制,HMI 工业自动化 Sitara ARM Cortex -A8 & ARM9 超值系列达 6MHz 高性能达.5GHz 高速缓存 RAM,ROM USB, CAN, PCIe, EMAC C6 单核 OMAP DaVinci 视频处理器 3MHz ~.5GHz 高速缓存 RAM,ROM USB, ENET, PCIe, SATA, SPI 工业自动化, 便携式视频, 音频, 语音, 数据终端, 单板计算安全, 会议, 测试, 测量 C6 多核高达 GHz 多核高速缓存 RAM,ROM SRIO, EMAC DMA, PCIe 电信, 医疗, 任务关键型应用, 基站 C5 高达 3MHz 和 FFT 加速器高达 256kBROM 高达 32KBRAM USB, ADC McBSP, SPI, I2C 便携式音频 / 语音, 指纹识别, 便携式医疗 $.25 ~ $9. $.5 ~ $2. $. ~ $8. $5. ~ $2. $5. ~ $2. $4. ~ $2. $3. ~ $.

3 Stellaris 发展路线图 USB Ethernet General MCU Production ARM Corte-M3 LM3S9xxx KB flash CAN & motion control 64- & -pin pkg Sampling ARM Cortex M3 LM3S9xxx KB flash CAN & motion control 64- & -pin pkg Development ARM Cortex -M4F LM4F9/94 28K to 2MB flash 64-,-, 44-pin LM4F29/294 28KB to 2MB flash Motion control 64-, -, 44-pin LM4F29B/29C 28KB to 2MB flash Encryption/tamper Motion control 64-, -, 44-pin LM3S6xxx KB flash Motion control 64- & -pin pkg LM3S8xxx KB flash CAN & Motion control 64- & -pin pkg 注 : 所有设备包含 timers, UART, I2C, SPI, USB, I2S, EPI, Ethernet, CAN, PWM, ADCs, DMA. 每个设备所包含的外设没有完整的显示 LM3S3xxx/5xxx 6-256KB flash CAN & motion control 64- & -pin pkg LM4F3//2/4 32KB-2MB flash 64-, -, 44-pin LM4F23//2/4 32KB-2MB flash Motion control 64-, -, 44-pin LM4F3A/B/C 28KB-2MB flash Encryption/tamper 64-, -, 44-pin LM4F23B/23C 28KB-2MB flash Encryption/tamper Motion control 64-, -, 44-pin LM3Sxx/3xx LM3S6xx/8xx 8-64KB flash Motion control 48-pin pkg LM3Sxxx2xxx 6-256KB flash CAN & motion control 64- & -pin pkg LM4F//2/4 32KB-2MB flash 64-, -, 44-pin LM4FA/B/C 28KB-2MB flash Encryption/tamper 64-, -, 44-pin

4 Cortex-M3 处理器结构基于哈佛结构采用 ARMv7 架构 NVIC 接口可配置 NVIC ARM 内核嵌入式跟踪宏单元 32 位 ALU CM3 内核硬件除法控制逻辑指令接口单周期乘法 Thumb-2 解码器数据接口 Cortex-M3( 简称 CM3) 调度访问接口 Flash 接口存储保护单元数据看门狗 Flash 片总线矩阵信号线阅读器 SRAM 外围 I/F 图 Cortex-M3 内核结构图 2 Cortex-M3 处理器结构

5 System D-Code 哈佛结构 Cortex-M3 处理器特点处理器采用独立的指令总线和数据总线, 可以同时进行取指和数据读 / 写操作, 从而提高处理器的运行性能 CORE DMA PERIPH RAM FLASH PERIPH Thumb-2 指令集 DMA PERIPH PERIPH CM3 RAM I-Code FLASH 一种 6 位 /32 位混合编码指令, 兼容 6 位 Thumb 指令集, CM3 不再使用 32 位 ARM 指令集, 仅支持 Thumb-2 指令集, 省去了 ARM 状态和 Thumb 状态的切换开销, 使存储容量的需求得到最小化 Thumb-2 指令集 (6 位和 32 位 ) Cortex-M3 Thumb 指令集 (6 位 )

3 级流水线 + 分支预测 Cortex-M3 处理器特点在处理器从存储器预取指令时, 如遇到转移指令, 能自动预测转移是否发生, 并从预测的方向进行取指, 大幅缩短等待时间, 从而提供给流水线连续的指令流, 流水线就可以不断地执行有效指令, 保证了其性能的发挥转移预测 Cortex-M3 处理器流水线支持非对齐数据访问取指令

6 3 级流水线 + 分支预测 Cortex-M3 处理器特点在处理器从存储器预取指令时, 如遇到转移指令, 能自动预测转移是否发生, 并从预测的方向进行取指, 大幅缩短等待时间, 从而提供给流水线连续的指令流, 流水线就可以不断地执行有效指令, 保证了其性能的发挥转移预测 Cortex-M3 处理器流水线支持非对齐数据访问取指令 Thumb-2 译码寄存器移位寄存器读 /ALU 写取指译码执行 CM3 存储器系统支持非对齐访问, 这个特性直到 v7m 才有它可以访问存储在一个 32 单元中的字节 / 半字类型数据, 这样 4 字节类型或 2 个半字类型数据可以分配在一个 32 位单元中, 提高了存储器的利用率一般 ARM 的对齐模式 CM3 的非对齐模式

7 位绑定别名区地址位绑定操作 Cortex-M3 处理器特点在位绑定区中, 每一个地址单元的 32 位变量中的每一位都映射到别名地址区的一个字 ( 只有 LSB 有效 ), 这样对位绑定别名区操作时, 可以不用屏蔽操作, 提高了位操作的速度 3 x2 位绑定区地址 3 x22c x224 x 存储保护单元 (MPU) 不使用位绑定读取 x2 处的值到寄存器中置位寄存器的位 [2] 把寄存器的值写回 x2 使用位绑定写到 x228 对位写操作读取 x2 处的值到内部缓冲区映射成 2 次总线传送置位位 [2] 后, 再把值写回 x2 MPU 可以实施对存储器 ( 主要是内存和外设寄存器 ) 的保护, 以使软件更加稳定可靠, 按照区来实现存储保护,CM3 的 MPU 可提供以下支持 : 可设定保护区, 阻止不正确的访问 ; 保护区共 8 个, 并可进一步划分为子区 ; 可设置保护区等级, 分为 8 级, 用 ~7 表示, 其中最低 7 最高 ; 不同级别保护区可重叠 ; 可设定访问权限, 例如可将关键数据区设置为只读 ; 可检测意外的存储访问, 例如堆栈溢出数组越界等 ; 可设定存储区访问属性, 并提供给系统使用, 如是否缓冲区

8 Cortex-M3 处理器特点存储器映射 CM3 只有一个单一固定的存储器映射, 这极大地方便了各种 CM3 微控制器间的软件移植 ; 但是这个规则是粗线条的, 依然允许芯片制造商灵活地分配存储器空间, 以制造出各具特色的微控制器产品 Stellaris 存储器组织 Flash ROM SRAM 256KB 的 Flash KB 区块 Flash 保护读 Flash 保护编程 Stellaris 引导程序和向量表 Stellaris 外设驱动库 AES 密码表 CRC 差错检测 96KB 位绑定区位绑定技术代码执行 xffffffff xe x6 x4 x2 x x 私有外设总线 : 仪器跟踪宏单元 (ITM) 数据观察点单元 (DWT) 取指碎片及断点单元 (FPB) 嵌套向量中断控制单元 (NVIC) 跟踪端口接口单元 (TPIU) ROM 表片外 SRAM 和片外外设片上外设片上 SRAM 片内 ROM 内部 Flash

9 Cortex-M3 处理器特点寄存器 R 为了减少门数和提高系统的灵活性,CM3 采用了一种新的基于堆栈的异常模型 CM3 引入了分组堆栈指针机制, 把系统程序使用的堆栈和用户程序使用的堆栈分开 32 位 Thumb-2 指令可以访问所有寄存器 PSR 在其内部又被分为 3 个子状态寄存器 : 应用程序 PSR(APSR) 中断号 PSR(IPSR) 执行 PSR(EPSR) R... R2 R3(MSP) R4(LR) R5(PC) xpsr PRIMASK FAULTMASK BASEPRI 通用寄存器 R3(PSP) 状态寄存器 ( 三合一 ) 中断屏蔽寄存器特殊功能寄存器 CONTROL 控制寄存器先进的中断处理功能 CM3 支持 6 种系统异常 ( 保留 5 个 ), 内置的 NVIC 支持多达 24 个外部中断输入, 不需要软件判断中断源, 向量化的中断功能显著地缩短了中断延迟 ; 中断的嵌套也是用硬件实现, 不需要软件代码来实现可编程 NVIC 可动态地修改优先级, 并且可以设置抢占优先级和次优先级 CM3 在进入异常服务程序时, 自动将 R~R3 R2 LR PSR 和 PC 入栈, 并在中断返回时自动弹出, 取向量和保存状态是同时进行的, 这样便提高了进入中断的效率优化中断响应还有两种方法, 尾链中断机制和迟到中断机制

10 中断处理尾链中断高优先级 IRQ IRQ2 ARM7 基于汇编代码的中断处理技术 Cortex-M3 基于硬件的中断处理技术 PUSH ISR POP PUSH ISR 个时钟周期 PUSH ISR ISR 2 POP 2 42 个时钟周期 6 2 尾链中断技术 ISR ISR 2 中断返回主程序入栈中断返回出栈主程序 ARM7 从 # 中断请求到 # 中断响应要 26 个时钟周期从 # 中断返回到 #2 中断响应要 42 个时钟周期 #2 中断返回要 6 个时钟周期 Cortex-M3 从 # 中断请求到 # 中断响应要 2 个时钟周期从 # 中断返回到 #2 中断响应要 6 个时钟周期 #2 中断返回要 2 个时钟周期

11 中断处理迟到中断高优先级 IRQ IRQ2 ARM7 PUSH PUSH ISR POP ISR 2 POP Cortex-M3 PUSH ISR ISR 2 POP 6 2 尾链技术 ARM7 26 个时钟周期进入 #2 中断 # 中断优先级高于 #2 中断, 另外需要 26 个时钟周期进入 # 中断服务程序 # 中断返回后消耗 6 个时钟周期进入 #2 中断服务程序 Cortex-M3 #2 中断入栈尚未执行 #2 中断服务程序时更高优先级的 # 中断请求, 入栈完成后执行 ISR # 中断返回后尾链进入 #2 中断服务程序

12 TI Stellaris 系列微控制器特点 Cortex-M3 为微控制器版本优化的单周期 flash 快速, 准确的中断控制器 : 6 个时钟周期, 不多于 2 个时钟周期单周期硬件乘法器和除法器 Thumb2 混合 6-/32- 位指令集无须模式切换三种睡眠模式降低电源消耗高级调试功能包括数据断点和软件断点位绑定技术.25 DMIPS/MHz 比 ARM7 和 ARM9 好运用范围非常广泛 : 远程监控电子售货机测试和测量设备网络设备和交换机工厂自动化 HVAC 和建筑控制游戏设备运动控制医疗器械火警安防

13 LM3S8962 评估套件特性 TI 公司提供的 Stellaris 系列微控制器中 LM3S8962 集成了 CAN 控制器和以太网, 功能比较齐全, 价格便宜且应用广泛, 适合初学者学习 LM3S8962 以太网 +CAN 评估板和独立的 LM3S2 CAN 器件板 OLED 图形显示屏电磁扬声器 microsd 卡插槽 USB 调试接口可卷缩以太网线缆 CAN 带状线缆 USB 线缆 JTAG 线缆光盘评估板的软件工具完备的文档资料快速启动指南和源代码 Stellaris 外设驱动库和实例源码

14 评估板和器件板介绍调试输出 LED JTAG/SWD 输入输出 JTAG/SWD 输入 USB 设备接口状态指示灯电源指示灯 OLED 图形显示屏复位按钮 LM3S2 控制器复位按钮导航按钮选择按钮蜂鸣器 I/O 中断标注焊盘 LM3S8962 控制器状态 LED I/O 中断标注焊盘用户按钮电源 LED CAN 总线连接器 microsd 卡插槽以太网插孔 CAN 总线连接器

15 LM3S8962 微控制器特性 ARM Cortex-M3 v7m 处理器核 - 工作频率高达 5MHz 片内存储器 -256 KB Flash -64 KB SRAM JTAG NVIC SWD ARM Cortex-M3 8MHz KB Flash 64 KB SRAM 先进串行集成 -M/M 以太网 MAC/PHY -3 个 CAN 2. A/B 控制器 -2 个 UART, 带 IrDA -2 个 I2C -2 个同步串行接口 (SSI) 系统集成 -2 个带独立时钟域的看门狗定时器 -ARM Cortex 系统定时器 -4 个 32 位定时器 ( 可设置为 8 个 6 位 ), 具有 RTC 功能 - 低功耗电池后备休眠模式 - 灵活的引脚复用功能运动控制 -6 个先进 PWM 输出, 用于电机和能量应用 -2 个正交编码输入 (QEI) 模拟 -2 个 8 通道位 ADC( 总共 6 通道 ) -3 个模拟比较器 -LDO 电压调节器串行接口运动控制 3 UARTs 2 SSI/SPI / 以太网 MAC+PHY IEEE CAN 2 I2C 2 QEI 6 PWM 输出 PWM 发生器定时器比较器 PWM 中断死区发生器时钟复位系统控制系统计时定时器 4 个定时器 /PWM/CCP 每个 32 位或 2*6 位看门狗定时器 GPIOs 电池后备休眠模式 LDO 电压调节器 3 模拟比较器 2x8 通道位 ADC 温度传感器系统模拟

16 LM3S8962 评估套件开发实验指导书 PPT 视频实验设备软硬件安装及说明 LM3S8962 开发套件概述 CCS 安装与应用实验例程通用 I/O 端口 (GPIO) 控制实验用户使用开关实验液晶 (OLED) 显示实验位带操作实验中断控制实验通用定时器实验看门狗定时器实验模数转换器 (ADC) 实验通用异步收发器 (UART) 实验 PWM 产生实验同步串行接口 (SSI) 实验控制器局域网 (CAN) 实验以太网实验 JTAG 转 GPIO 实验内存保护单元 (MPU) 实验

17 LM3S8962 评估套件开发下载并安装集成开发环境 CCSv4.x( 至少支持 Stellaris) 下载并安装 StellarisWare 前期目标查看评估套件内容安装软件连接硬件安装驱动程序快速启动应用程序下载 LM Flash Programmer 下载并运行最新版本的 Java 运行环境下载并安装 GIMP 图形库用户指南外设驱动程序用户指南 LM3S8962 用户指南 Stellaris FTDI 驱动程序

18 LM3S8962 评估套件开发 Stellaris 开发板的 USB 端口是一个复合端口由下列三个连接组成 : Stellaris 虚拟 COM 端口 Stellaris 评估板 A Stellaris 评估板 B 通过针脚的 CAN 带状线缆将 LM3S8962 评估板和 LM3S2 器件板连接通过 USB 线缆将 EVB 和 PC 机连接并上电, 注意 : 不要连接 2 针脚的 JTAG 线缆, 否则就将使能 LM3S2 的 JTAG 调试, 可能不经意间就盖了设备 Flash 中的代码第一次连接时,PC 机会自动弹出发现新硬件的窗口, 根据提示依此安装三个连接同时, 开发板上电后, 会自动运行 Flash 中预编译的快速启动应用程序

MSP430X1XX 系列微控制器具有以下特征结构框图超低功耗结构体系 A 额定工作电流在 1MHz V 工作电压 C11X P11X 和 E11X 为 V 从备用模式唤醒为 6 S 丰富的中断能力减少了查询的需要灵活强大的处理能力源操作数有七种寻址模

MSP430X1XX 系列微控制器具有以下特征结构框图超低功耗结构体系 A 额定工作电流在 1MHz V 工作电压 C11X P11X 和 E11X 为 V 从备用模式唤醒为 6 S 丰富的中断能力减少了查询的需要灵活强大的处理能力源操作数有七种寻址模新一代超低功耗 16 位单片机 TI MSP430 系列美国 TI 公司的 MSP430 系列单片机可以分为以下几个系列 X1XX X3XX X4XX 等等而且在不断发展从存储器角度又可分为 ROM C 型 OTP P 型 EPROM E 型 Flash Memory F 型系列的全部成员均为软件兼容可以方便地在系列各型号间移植 MSP430 系列单片机的 MCU 设计成适合各种应用的