MSP432 产品培训

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裁斐樊
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1 MSP432 产品培训 T e x a s I n s t r u m e n t s I n c o r p o r a t e d

2 MSP432 产品培训目录第一章 MSP432 MCU 概览... 2 第二章 Cortex-M4F 内核和中断第三章电源系统未完待续 MSP432 Microcontroller Workshop Revision

3 第一章 MSP432 MCU 概览本章节将主要对 MSP432 系列 MCU 的性能和特色进行一个概括性的介绍 MSP432 系列 MCU 属于低功耗高性能的微控制器这个系列产品是 TI 的 MSP 低功耗微控制器系列中的产品,MSP 系列产品还包括我们的 FRAM 产品和安全与互联型 MCU ( 例如 RF430 产品 ) MSP432 系列是最新的更高主频和更丰富外设通用微控制器产品 2 第一章 MSP432 MCU 概览

4 在实际应用中, 客户通常希望能解决哪些问题? 很多时候, 我们发现首先客户希望能提高处理能力他们希望能进一步增强器件的功能对数据的吞吐能力或模拟方面的性能, 或许他们也正在进行 ARM 内核的标准化工作同时, 他们还需要低功耗, 尤其是采用电池供电的应用, 或一些只需极少电量的应用情况下第三, 他们也希望工具和软件能方便易用, 并能帮助他们优化性能及功耗最后, 他们还需要产品拥有一个可扩展的平台, 让他们能够在低功耗产品与高性能产品之间自由切换 MSP432 凭借 32 位的 48 MHz Cortez -M4F 内核让这些问题迎刃而解此处理器可提供更高性能, 比如是 M3 内核的两倍性能, 而同时功耗只有一半大家应该知道低功耗的概念根植于 MSP 的 DNA 中我们已将此 MSP432 器件设计成超低功耗的通用型 Cortex- M 微控制器在工作模式下功耗仅为 95 ua/mhz, 而待机功耗仅为 850nA, 其中包括了 RTC 的功耗同时, 我们希望用户能充分利用 MSP430 的工具链, 以及 ARM 的工具链, 以获得最佳的高性能和低功耗现在, 由于 MSP430 平台的延伸, 用户可以在 16 位内核产品和 32 位内核产品之间自由选择, 所有这些产品之间均具有无缝移植能力 3 第一章 MSP432 MCU 概览

5 由于性能是 MSP432 的一个关键目标, 因此我们选择了性能最高的 Cortex M 内核, 这一点十分重要 Cortex -M4F 内核包含对完整 ARM 指令集的访问权限, 此外还包含了 DSP 扩展指令和一个浮点 FPU 模块同时非常重要的一点是, 我们在该器件内内置了高性能的外设和一些特色例如, 我们在 ROM 中预先烧录了驱动程序库与调用位于 Flash 中的驱动程序库相比, 现在您可以用更快的速度调用位于 ROM 中的驱动程序库内置的闪存是独立的同步 Flash, 允许用户同时进行读和写操作, 而这通常是很花费时间的另外, 控制器中内置的模拟模块是我们目前为止速度最快的 1MSPS 的 14 位 ADC, 这可以让您以更快的速度进行数据采样 4 第一章 MSP432 MCU 概览

6 与 M4 M3 或 M0+ 内核相比, 您会看到 Cortex M4F 内核支持一个完整的 ARM 指令集包括扩展的 DSP 指令和浮点处理指令因此, 您可以更高效地执行运算从图中您可以看到,Cortex M4F 内核处理定点运算的速度是 M3 内核的两倍, 而浮点运算速度比 M3 内核快十倍以上 5 第一章 MSP432 MCU 概览

7 说到低功耗, 首先我们对芯片在硅片的级别上就进行了低功耗优化我们加入了宽工作电压范围等功能 MSP432 可在 1.62V 下工作, 这包括全速代码运行以及闪存访问我们还集成了 DC/DC 稳压器, 让您在超过 24 MHz 的频率时提高工作效率而闪存的缓冲器 NTMA 可帮您最大限度的减小 CPU 执行周期在器件具备低功耗性能的同时, 我们也提供帮助实现低功耗的工具和软件位于 ROM 中的驱动程序库所需要的功耗也低于在闪存中运行驱动程序的情况而 TI 提供的诸如 ULP Advisor 和 Energy Trace+ 等工具可帮助用户优化代码, 从而避免在不必要的情况下产生额外的功耗 6 第一章 MSP432 MCU 概览

8 Coremark 的基准测试的开发组织 EEMBC 推出了称为 ULPBench 的全新基准测试, 用于测量不同微控制器之间的超低功耗性能在图中可以看到,MSP430 真正拥有标杆性的 ULPBench 得分, 测试表明我们的 MSP432 产品具有最高的能效此处的数值越高表明功耗越低 7 第一章 MSP432 MCU 概览

9 MSP432 提供了 Energy Trace+ 等工具来实时的查看整个器件的功耗您可以随时测量电流或检查 CPU 状态, 并进行跟踪, 从而确定在哪些处理中可能存在功耗黑洞 8 第一章 MSP432 MCU 概览

10 上图是 MSP432 微控制器的框图, 让我们更近距离的观察该器件图中的橙色部分的外设与传统的 MSP430 中的外设相同, 这一点对于想要将代码从 16 位 MSP430 器件移植到 32 位 MSP432 器件的用户而言十分重要蓝色部分的外设则是 MSP432 中新增或者功能增强的外设部分 9 第一章 MSP432 MCU 概览

11 图中显示的是最新的 TI MSP430 平台, 包括产品, 软件, 硬件和开发套件现在, 我们来看一下原有的 MSP430 用户如何开发 MSP432, 有哪些部分可以无缝移植? 可以看到, 所有以红色标明的 MSP430 产品部分都与 MSP432 中的相同您将发现, 唯一不能进行移植的是内核, 这是因为我们采用了 32 位的 ARM Cortex -M4F 内核同时,MSP432 采用了一些新的组件新的 432 模块和 ARM 模块, 这些新模块都同时附带新的软件您可以使用寄存器级的软件库或使用驱动程序库进行编程 ARM 用户则有机会利用 CMSIS 风格的编码, 并且我们提供了一些新的 IDE 10 第一章 MSP432 MCU 概览

12 MSPWARE 作为一站式服务, 为您提供所有必要的技术配套资料您在此处可以看到, 所有的用户指南和数据手册培训应用手册和代码示例都包含在 MSPWARE 中这是您进行评估和代码开发的最佳起点 11 第一章 MSP432 MCU 概览

13 用户可以使用 MSP432 Launchpad, 这是价格仅为美元的一体化工具, 其中包括板上仿真器以及包括按钮和 LED 在内的用户界面, 并通过 USB 连接到您的电脑这是评估 MSP432 的最佳途径具体做法是尝试使用示例代码和即开即用的 GUI, 开始着手进行您自己的软件开发 12 第一章 MSP432 MCU 概览

14 MSP432 系列有六种不同的器件供选择带 R 的器件具有 256k 闪存和 64kRAM, 而带 M 的器件则有 128k 闪存和 32kRAM 您将看到 TI 提供三种不同的封装类型, 可以根据具体应用选择最适合的选项最小的是 5*5mm 的 BGA 封装, 此外还有 64QFN 和 100LQFP 封装第一部分的简要介绍到此结束 13 第一章 MSP432 MCU 概览

第二章 Cortex-M4F 内核和中断在第二章中, 我们将简要的介绍 MSP432 的内核 Cortex-M4F, 以及中断系统 MSP432 的内核使用 32 位的 Cortex-M4F 内核该内核具有 32 位的数据总线 32 位的寄存器组和 32 位的存储器接口内核采用 Harvard 架构, 这意味着它拥有独立的指令总线和数据总线这样一来, 对指令和数据的访问可以同时进行,

15 第二章 Cortex-M4F 内核和中断在第二章中, 我们将简要的介绍 MSP432 的内核 Cortex-M4F, 以及中断系统 MSP432 的内核使用 32 位的 Cortex-M4F 内核该内核具有 32 位的数据总线 32 位的寄存器组和 32 位的存储器接口内核采用 Harvard 架构, 这意味着它拥有独立的指令总线和数据总线这样一来, 对指令和数据的访问可以同时进行, 数据访问的过程不会影响或干扰指令的流水线, 因此可以提升处理器的性能此特性使得整个 Cortex - M4F 内核中有多个总线和接口, 每个总线和接口均可同时使用, 以实现最佳的利用率数据总线和指令总线共享同一存储空间, 此空间称为统一的存储系统此外,MSP432 选择的 Cortex-M4F 内核, 该内核还包含一个可嵌套的中断向量控制器, 简称 NVIC 它还包含一个浮点单元 (FPU) 以及随 Cortex-M4 内核一起提供的增强型 DSP 指令集 14 第二章 Cortex-M4F 内核和中断

16 从调试器的角度来看, 内核中拥有一个标准化的 Cortex-M 调试器模块一个 COI 调试模块以及 ITM 跟踪模块支持由于这是一个 Cortex M 内核, 因此它还继承了大量来自 Cortex 和 ARM 产品的外设, 其中包括 udma SysTick 和中断管理器 15 第二章 Cortex-M4F 内核和中断

图片中为您概要的介绍了从 Cortex M0 到 Cortex M4 的不同 Cortex M 内核类型的差异您可以看到, 我们选择的 Cortex-M4F 内核提高了内核的复杂性, 向指令集添加了更多指令, 并增加了其他特性, 如硬件乘法器硬件除法器饱和运算能力 DSP 指令扩展以及一个浮点单元您可能还注意到, 从 Cortex M0 和 M0+ 到 M3 和 M4,ARM 架构从

17 图片中为您概要的介绍了从 Cortex M0 到 Cortex M4 的不同 Cortex M 内核类型的差异您可以看到, 我们选择的 Cortex-M4F 内核提高了内核的复杂性, 向指令集添加了更多指令, 并增加了其他特性, 如硬件乘法器硬件除法器饱和运算能力 DSP 指令扩展以及一个浮点单元您可能还注意到, 从 Cortex M0 和 M0+ 到 M3 和 M4,ARM 架构从 Von Neumann 架构变为了 Harvard 架构, 这一过程使得内核在指令总线之外增加了一个数据总线您可以注意到, 我们之所以为 MSP432 选择 Cortex -M4F 内核, 是因为 Cortex -M4F 在增加了更多性能和功能的同时仅增加了极少的功耗这一点将在后续的介绍中进行说明, 届时将展示在 MSP432 上采用 Cortex M4F 的结果 16 第二章 Cortex-M4F 内核和中断

18 最后,MSP432 系列选择的 Cortex M4F 内核中的另一增项是浮点单元 Cortex M4F 内核的 FPU 完全支持浮点的加法减法乘法除法和平方根等运算需要注意的一点是, 大多数编译器中已自动启用对 FPU 的支持, 因此无需任何操作即可在用 MSP432 进行开发的过程中使用浮点运算 17 第二章 Cortex-M4F 内核和中断

由于 MSP432 采用的是标准化的内核, 因此最好以标准化的方式测试其性能 CoreMark 是一种用来测量处理器内核性能的标准化基准测试 CoreMark 由嵌入式微处理器基准协会 EMBBC 所开发, 旨在帮助系统设计人员选择最佳处理器并了解系统的性能和能耗特征

19 由于 MSP432 采用的是标准化的内核, 因此最好以标准化的方式测试其性能 CoreMark 是一种用来测量处理器内核性能的标准化基准测试 CoreMark 由嵌入式微处理器基准协会 EMBBC 所开发, 旨在帮助系统设计人员选择最佳处理器并了解系统的性能和能耗特征 MSP432 基本上获得了 Cortex-M4F 平台上可能达到的最高分数我们认为这是最高分数, 因为我们知道这是一个理想的 Cortex-M4F 内核方案才可能达到的分数 ARM 网站的 Cortex-M4F 页面上也显示了与此类似的信息 18 第二章 Cortex-M4F 内核和中断

20 除了 CoreMark,EMMBC 还开发了另一种基准测试, 用于测量微控制器的超低功耗特性 ULP Bench 包含一组测试, 通过执行适用于 ULP 应用的预定义任务来测量器件的功耗 ULP Bench 发布于 2014 年底, 此后成为了业内对通用微控制器进行低功耗基准测试的标准方法这项基准测试的测量方法如下 : 每秒钟唤醒一次微控制器来执行预定义的工作, 一旦工作完成, 微控制器需要返回睡眠状态, 一秒后再唤醒在这一秒期间会测量整个系统完成任务所消耗的总功耗其结果是, 能耗越低, 微控制器甚至整个系统就越优秀为了使分数对读者更直观一些, 该分数实际上是用一千除以测得的总能耗 ( 微焦耳 ) 的结果您可以看到, 对于 MSP 器件而言, 这一结果确实令人印象深刻从图中可以看出, MSP432 达到了全球迄今为止最高的 ULPBench 分数分, 这一成绩优于竞争产品, 包括 Cortex -M4 Cortex -M3, 一直往下包括 Cortex-M0+ 内核的产品, 以及其他专有架构产品这一结果表明, 高性能并不总是意味着高功耗, 在应用得当的情况下, 诸如 Cortex-M4F 的更高性能内核仍然可以比其他简化内核拥有更低的功耗第二部分关于内核和中断的简要介绍到此结束 19 第二章 Cortex-M4F 内核和中断

21 第三章电源系统从整体功能来说,MSP432 的电源系统使用一个非常宽泛的工作电压, 您可以在从 1.62V 一直到 3.7V 的电压范围下使用该器件系统内可以选择的内核工作电压有两个, 可以通过所需的功率来进行选择, 以便实现最佳的功耗和性能的平衡例如, 如果应用需要在 1-24MHz 之间运行系统, 可选择使用 1.2V 内核电压 ; 如需要在 1-48Mhz 之间运行系统的话, 为了提升效率, 可使用 1.4V 内核电压要产生内部的内核电压, 可使用内部电压稳压器与 MSP430 系列产品保持一致, 我们使用超低功耗的稳压器这是一种可以调节电压的稳压器另外, 除了 LDO, 我们还将提供 DC/DC 稳压器这种额外提供的稳压器在高频和高负载的工作条件下非常出色 20 第三章电源系统

22 与 MSP430 系列相比, 电源电压监控器和受监控模块也进行了优化我们增加了低功耗性能模式, 从而在 LPM3 LMP4 和 ** 5 模式下展现出极低的功耗最后需要注意的一点, 这也可能是最重要的特性 : 所有的电源转换配置和操作均可调用驱动程序库 API 来完成 21 第三章电源系统

23 我们在前面讲过,MSP432 具有从 1.62V 到 3.7V 的宽工作电压范围但是, 启动电压要求为 1.65V; 在 1.71V 时, 闪存访问和电源电压监控均可使用 DC/DC 稳压器必须在 2V 以上的电压时才能工作 LDO 则可以在低至 1.62V 的电压下开始工作 22 第三章电源系统

24 芯片内部提供两种内部电压稳压器 :LDO 和 DC/DC 稳压器默认情况下, 在启动时始终选择 LDO 稳压器这是最通用的稳压器, 因为它的工作电压可以从 1.62V 一直到 3.7V LDO 可用于所有的低功耗模式和正常活跃模式中它还非常灵活并可扩展, 能够根据所使用的低功耗模式产生不同的输出负载 LDO 还支持快速开关切换操作, 当您的应用需要在活跃模式与低功耗模式之间频繁切换时, 这种特性会带来极大的便利另一方面,DC/DC 稳压器作为辅助稳压器, 它还需要外接一个电感器, 因此需要在系统中考虑额外成本它的工作电压范围比较小, 从 2V 开始一直到 3.7V DC/DC 稳压器只能用于 LPM0 模式以及活跃工作模式因此, 虽然在工作电压范围方面存在不足, 但其优点在于效率, 极其适合高速和高负载的应用工作 DC/DC 稳压器还需要较长时间从 LDO 切换开启和关闭如果 Vcc 降至 2V 以下,DC/DC 稳压器将自动开启失效防护及切换模式, 并返回到 LDO 供电而一旦 Vcc 再次升至 2.0V 以上, 此时将自动切回 DC/DC 稳压器供电 23 第三章电源系统

25 现在, 让我们快速的了解一下 MSP432 各种灵活的功耗模式 MSP432 系列引入了您可能在 MSP430 上看到的类似功耗模式, 其中包括工作模式 LPM0 LPM1 LPM3.5 和 LMP4.5 等模式但此系列还新引入了两个低功耗模式首先, 让我们从工作模式开始在工作模式下, 可以根据所需的功耗和性能, 选择不同的内核电压当系统需要在 0-24MHz 之间运行时, 可使用 Vcore 0 内核电压此时可使用任意稳压器 :LDO 或 DC/DC 稳压器为了在较高得工作频率下实现高性能, 例如系统运行在 24-48MHz 之间时, 强烈建议此情况下采用 DC/DC 稳压器使用 LDO 时, 电流消耗约为 166uAh, 而在工作模式下的电流消耗约为 100mAh MSP432 引入了两种新模式, 这两种新模式均为低频模式低频模式属于特殊模式, 这种模式保持系统中的所有部分都处于工作状态, 这可能包括 CPU 但是, 所有时钟必须小于或等于 120KHz 这样一来, 整个系统的电流消耗为 70uAh 或更少 24 第三章电源系统

26 LPM0 模式与 MSP430 的 LPM0 模式很相似 ; 在此模式下, 除 CPU 和主时钟外的所有外设和时钟均处于工作状态在此模式下, 电流消耗介于 uA/MHz 之间, 具体取决于所使用的稳压器接下来的 LPM3 和 LPM4 也是您以前可能在 MSP430 上见过的低功耗模式在这些模式下, 系统的所有部分都必须工作在至少 32KHz 的频率下在该模式下,CPU 处于关闭状态,SRAM 数据保留,RTC 看门狗和 GPIO 口均处于工作模式这些工作的部件均可作为可能的唤醒源, 可以唤醒器件, 并使器件进入工作模式在 LPM3 模式下,MSP432 的功耗约为 850nA 最后但也最重要的是,LPM3.5 和 LMP4.5 同样类似于 MSP430 的相应模式在这些模式中, 整个系统均被关闭在 LPM3.5 模式下,SRAM 数据仍可保留, 但内核逻辑和所有其他部分均关闭, 必须且只能由 RTC 来管理低功耗模式持续的时间在 LPM3.5 模式下, 可通过 RTC 中断, 或者通过其他端口的中断事件来唤醒器件在 LPM3.5 模式下, 也可通过复位或 GPIO 口使器件恢复工作状态 25 第三章电源系统

27 有必要记住的一点是,MSP432 将 MSP 与 Cortex M 架构完美融合, 可以使用同这两种架构相同的睡眠和唤醒机制来唤醒器件或者进入睡眠状态您可以使用多种方法来指示器件进入睡眠状态或唤醒您可以使用 Cortex M 的 CMSIS 指令, 例如 _ 您也可以按照 MSP 固有的惯例, 例如 GoTo LPM0 或 GoTo LPM3 来进入各种低功耗模式除了固有惯例, 我们还提供了一组驱动程序库的调用 API, 让您轻松进行模式切换最后在本章讲解电源部分需要牢记的一点, 也希望这是您记住的最重要的一点 : 有一个名为 PCM_SetPowerSave 的非常强大的驱动程序 API, 这个简单的 API 可让您在器件内的所有可用功耗模式之间自如转换通过它您可以更改功耗模式更改 Vcore 选项以及在 DC/DC 稳压器和 LDO 之间切换 MSP432 培训系列的第三部分关于电源的讲解到此结束 26 第三章电源系统

28 未完待续 27 未完待续

29 重要声明德州仪器 (TI) 及其下属子公司有权根据 JESD46 最新标准, 对所提供的产品和服务进行更正修改增强改进或其它更改, 并有权根据 JESD48 最新标准中止提供任何产品和服务客户在下订单前应获取最新的相关信息, 并验证这些信息是否完整且是最新的所有产品的销售都遵循在订单确认时所提供的 TI 销售条款与条件 TI 保证其所销售的组件的性能符合产品销售时 TI 半导体产品销售条件与条款的适用规范仅在 TI 保证的范围内, 且 TI 认为有必要时才会使用测试或其它质量控制技术除非适用法律做出了硬性规定, 否则没有必要对每种组件的所有参数进行测试 TI 对应用帮助或客户产品设计不承担任何义务客户应对其使用 TI 组件的产品和应用自行负责为尽量减小与客户产品和应用相关的风险, 客户应提供充分的设计与操作安全措施 TI 不对任何 TI 专利权版权屏蔽作品权或其它与使用了 TI 组件或服务的组合设备机器或流程相关的 TI 知识产权中授予的直接或隐含权限作出任何保证或解释 TI 所发布的与第三方产品或服务有关的信息, 不能构成从 TI 获得使用这些产品或服务的许可授权或认可使用此类信息可能需要获得第三方的专利权或其它知识产权方面的许可, 或是 TI 的专利权或其它知识产权方面的许可对于 TI 的产品手册或数据表中 TI 信息的重要部分, 仅在没有对内容进行任何篡改且带有相关授权条件限制和声明的情况下才允许进行复制 TI 对此类篡改过的文件不承担任何责任或义务复制第三方的信息可能需要服从额外的限制条件在转售 TI 组件或服务时, 如果对该组件或服务参数的陈述与 TI 标明的参数相比存在差异或虚假成分, 则会失去相关 TI 组件或服务的所有明示或暗示授权, 且这是不正当的欺诈性商业行为 TI 对任何此类虚假陈述均不承担任何责任或义务客户认可并同意, 尽管任何应用相关信息或支持仍可能由 TI 提供, 但他们将独力负责满足与其产品及在其应用中使用 TI 产品相关的所有法律法规和安全相关要求客户声明并同意, 他们具备制定与实施安全措施所需的全部专业技术和知识, 可预见故障的危险后果监测故障及其后果降低有可能造成人身伤害的故障的发生机率并采取适当的补救措施客户将全额赔偿因在此类安全关键应用中使用任何 TI 组件而对 TI 及其代理造成的任何损失在某些场合中, 为了推进安全相关应用有可能对 TI 组件进行特别的促销 TI 的目标是利用此类组件帮助客户设计和创立其特有的可满足适用的功能安全性标准和要求的终端产品解决方案尽管如此, 此类组件仍然服从这些条款 TI 组件未获得用于 FDA Class III( 或类似的生命攸关医疗设备 ) 的授权许可, 除非各方授权官员已经达成了专门管控此类使用的特别协议只有那些 TI 特别注明属于军用等级或增强型塑料的 TI 组件才是设计或专门用于军事 / 航空应用或环境的购买者认可并同意, 对并非指定面向军事或航空航天用途的 TI 组件进行军事或航空航天方面的应用, 其风险由客户单独承担, 并且由客户独力负责满足与此类使用相关的所有法律和法规要求 TI 已明确指定符合 ISO/TS16949 要求的产品, 这些产品主要用于汽车在任何情况下, 因使用非指定产品而无法达到 ISO/TS16949 要求,TI 不承担任何责任产品数字音频通信与电信放大器和线性器件计算机及周边数据转换器消费电子 DLP 产品能源 DSP - 数字信号处理器工业应用时钟和计时器医疗电子接口安防应用逻辑汽车电子电源管理视频和影像微控制器 (MCU) RFID 系统 OMAP 应用处理器无线连通性德州仪器在线技术支持社区应用 IMPORTANT NOTICE Mailing Address: Texas Instruments, Post Office Box , Dallas, Texas Copyright 2015, Texas Instruments Incorporated

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