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1 目 录 目 录...1 导 言...4 第 一 章 单 片 机 基 础 什 么 是 单 片 机 单 片 机 是 如 何 工 作 的 单 片 机 与 电 脑 的 区 别 晶 振 系 统 时 钟 和 周 期 单 片 机 指 令 和 汇 编 语 言 RAM/ROM 的 作 用 单 片 机 接 口 接 口 驱 动 能 力 方 便 实 用 的 中 断 函 数 和 堆 栈 单 片 机 PAGE/BANK 概 念 CISC 与 RISC 为 什 么 DSP 跑 得 快 单 片 机 产 品 开 发 常 见 用 语...53 第 二 章 单 片 机 应 用 小 技 巧 用 IO 模 拟 接 口 交 流 特 性 显 神 通 电 阻 网 络 低 成 本 高 速 AD 利 用 电 容 充 放 电 测 电 阻 晶 振 也 能 控 制 电 源 如 何 降 低 功 耗 开 机 请 用 NOP 查 表 与 乘 除 法 RAM 动 态 装 载 程 序 程 序 也 可 被 压 缩 累 计 误 差 让 定 时 更 准 一 些 寄 存 器 也 可 当 RAM 清 中 断 标 志 的 位 置 键 盘 扫 描 视 觉 暂 留 让 耳 朵 优 先 与 PWM...90 第 三 章 单 片 机 高 级 特 性 Cache 总 线 DMA 存 储 器 管 理 嵌 入 式 与 操 作 系 统 什 么 是 嵌 入 式 嵌 入 式 误 区 之 不 死 机 嵌 入 式 效 率 MCU EDU 第 1 页 作 者 :Dai ShangJu

2 第 四 章 单 片 机 C 语 言 单 片 机 C 语 言 for() 和 while() 循 环 循 环 里 的 i++ 与 i 优 化 的 方 法 与 效 果 全 局 变 量 的 风 险 变 量 类 型 与 代 码 效 率 慎 用 int 危 险 的 指 针 循 环 延 时 运 算 表 达 式 溢 出 强 制 转 换 高 效 实 用 位 运 算 宏 和 register 手 机 里 的 计 算 器 函 数 设 计 某 产 品 函 数 编 写 规 则 第 五 章 问 题 分 析 与 调 试 应 该 具 备 基 本 硬 件 能 力 将 自 己 站 在 别 人 角 度 来 思 考 问 题 先 找 自 己 原 因 再 假 定 他 人 出 错 充 分 发 掘 IDE 调 试 工 具 功 能 IDE 调 试 工 具 也 会 导 致 错 误 发 生 没 有 IDE 调 试 工 具 的 测 试 C 语 言 要 多 查 看 汇 编 代 码 养 成 查 看 寄 存 器 内 容 的 习 惯 中 断 的 一 些 特 殊 情 况 别 迷 信 文 档 与 硬 件 程 序 暂 停 不 代 表 所 有 模 块 暂 停 几 种 仪 器 好 帮 手 多 用 电 脑 工 具 软 件 串 口 通 讯 不 能 使 用 隔 离 变 压 器 分 析 实 例 Cache 导 致 录 音 有 杂 音 分 析 实 例 Cache 导 致 RAM 验 证 结 果 不 对 分 析 实 例 双 口 RAM 读 写 竞 争 出 错 分 析 实 例 第 六 章 实 际 产 品 开 发 如 何 开 发 一 个 产 品 学 会 看 电 气 参 数 表 接 口 的 匹 配 电 源 和 地 的 影 响 成 本 意 识 别 烦 流 程 图 功 能 的 全 面 与 实 用 批 量 产 品 的 替 代 方 案 多 了 解 新 器 件 尽 可 能 让 生 产 更 方 便 误 差 分 析 电 磁 兼 容 上 电 与 测 试 程 序 版 本 发 放 记 录 MCU EDU 第 2 页 作 者 :Dai ShangJu

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4 导 言 本 书 的 对 象 主 要 是 希 望 从 事 单 片 机 软 件 开 发 的 人 员, 当 然 不 是 只 限 于 这 些 人 员 才 可 以 看, 只 要 你 有 兴 趣, 哪 怕 你 想 成 为 一 名 炒 菜 的 大 师 傅 或 者 已 经 是 大 师 傅, 我 一 样 欢 迎 你 来 阅 读 本 书 当 我 还 是 后 生 仔 的 时 候, 虽 然 也 常 做 一 些 某 年 某 月 自 己 能 呼 风 唤 雨 或 腰 缠 万 贯 的 白 日 梦, 在 内 心 还 是 想 能 去 传 道 授 业, 哪 怕 是 当 个 大 和 尚, 面 对 虚 心 而 来 请 教 的 人 众, 该 是 何 等 惬 意 的 事 情 然 而 天 生 不 善 言 辞, 更 是 拙 于 笔 墨, 担 心 误 了 他 人 前 程 而 作 罢 可 谓 江 山 易 改 本 性 难 移, 虽 然 没 去 当 成 大 和 尚, 可 时 不 时 还 想 起 这 个 愿 望 一 天 看 到 台 湾 侯 捷 ( 侯 俊 杰 ) 写 的 深 入 浅 出 MFC, 在 我 看 来 这 书 写 得 那 叫 一 个 好, 如 果 我 也 能 写 出 这 样 的 书 简 直 是 太 伟 大 了 实 际 上 我 是 写 不 出 侯 捷 前 辈 那 种 水 平 书 的, 那 除 了 要 有 非 常 好 专 业 态 度 和 技 能 外, 还 要 有 一 双 可 以 偶 得 之 的 妙 手 反 过 来 一 想, 不 一 定 非 要 写 出 专 业 水 准, 只 要 自 己 写 得 开 心, 权 当 对 自 己 技 术 工 作 的 一 个 总 结 也 没 什 么 不 妥, 于 是 开 始 了 本 书 的 写 作 开 始 写 之 后 才 体 验 到 写 书 的 痛 苦, 一 度 甚 至 怀 疑 洋 洋 洒 洒 下 笔 如 有 神 这 些 词 汇 是 不 是 真 的 存 在 从 二 九 年 六 月 份 开 始, 基 本 上 是 蜗 牛 一 样 的 速 度, 写 到 中 间 几 次 都 差 点 放 弃, 还 好 有 想 做 大 和 尚 的 信 念 支 持, 二 一 年 终 于 完 成 初 稿, 谢 天 谢 地 为 了 便 于 大 家 理 解, 书 中 多 采 用 口 语 方 式 讲 述 单 片 机 的 一 些 相 关 知 识 经 验 和 技 巧, 所 以 没 什 么 文 采 可 言 书 中 内 容 按 先 基 础 后 技 巧 的 顺 序 排 列, 看 完 你 会 发 现 所 写 内 容 你 可 以 用 到 任 意 一 款 单 片 机 上, 但 又 不 能 直 接 应 用 通 过 本 书 我 只 是 想 告 诉 你 一 些 思 维 方 法, 并 不 是 让 你 在 某 款 单 片 机 上 照 葫 芦 画 瓢 书 中 部 分 C 语 言 和 汇 编 的 例 子, 我 是 用 ADS 针 对 ARM 的 编 译 结 果 作 为 示 例, 也 有 部 分 采 用 伪 代 码 进 行 意 思 说 明 书 中 内 容 都 是 我 个 人 理 解, 没 有 进 行 严 谨 的 考 证, 难 免 有 一 些 偏 颇 之 处, 欢 迎 大 家 批 评 指 正 文 字 工 作 对 于 我 来 说 难 度 确 实 大, 何 况 写 作 的 同 时 还 要 完 成 本 职 工 作, 只 能 是 利 用 工 作 间 隙 去 写, 所 以 希 望 大 家 能 体 谅 我 码 字 的 辛 苦, 如 需 转 载 使 用 千 万 别 忘 记 标 明 出 处 :p 邮 箱 :daishangju@163.com MSN:sj_dai@hotmail.com 未 经 本 人 书 面 许 可, 任 何 人 不 得 将 本 书 部 分 或 全 部 内 容 出 版 发 行 转 载 需 注 明 出 处 并 保 留 原 作 者 署 名 书 中 少 量 内 容 有 参 考 部 分 网 络 资 料, 在 此 向 这 些 资 料 作 者 表 示 感 谢 MCU EDU 第 4 页 作 者 :Dai ShangJu

5 第 一 章 单 片 机 基 础 如 果 你 已 经 有 了 一 定 的 单 片 机 基 础, 你 只 需 粗 略 浏 览 本 章 甚 至 可 以 直 接 跳 过 本 章 ; 如 果 你 具 备 一 些 基 本 的 电 子 电 路 知 识, 但 没 有 真 正 接 触 过 单 片 机, 请 将 本 章 看 完 后 找 一 套 单 片 机 仿 真 器 体 验 一 下 真 正 的 单 片 机, 再 回 来 将 本 章 认 真 看 一 遍 ; 如 果 你 之 前 接 触 过 单 片 机, 但 还 在 似 懂 非 懂 的 阶 段, 请 认 真 仔 细 阅 读 本 章, 务 必 领 会 我 在 本 章 中 想 表 达 的 意 思, 点 滴 都 不 要 放 过 ; 如 果 你 已 经 对 单 片 机 很 熟 悉, 请 移 步 到 后 面 你 觉 得 合 适 的 章 节, 当 然 也 欢 迎 你 仔 细 阅 读 本 章, 但 不 要 吝 啬 把 你 发 现 的 错 误 告 诉 我 1.1. 什 么 是 单 片 机 单 片 机 一 词 的 来 历 不 明, 在 我 看 来 是 单 片 微 控 制 器 缩 写 的 解 释 可 能 性 最 大 在 日 常 生 活 中 我 们 常 听 到 微 电 脑 控 制 这 样 的 说 法, 这 里 的 微 电 脑 控 制 就 是 单 片 机 控 制 现 在 用 单 片 机 进 行 控 制 的 电 子 产 品 已 经 深 入 到 我 们 日 常 生 活 的 各 个 角 落, 手 机 电 视 冰 箱 汽 车 飞 机 等 等 无 一 不 用 单 片 机 进 行 控 制, 几 乎 只 要 有 电 的 地 方 就 有 它 的 存 在 单 片 机 实 际 上 就 是 一 颗 可 以 让 用 户 设 计 控 制 方 法 和 流 程 的 集 成 电 路 芯 片, 在 实 际 生 活 中, 不 同 产 品 不 同 厂 家 会 有 着 千 奇 百 怪 的 控 制 想 法, 单 片 机 的 优 点 就 是 芯 片 厂 家 提 供 了 一 个 通 用 平 台, 在 这 个 平 台 上 各 个 用 户 只 要 依 照 厂 家 约 定 规 则 操 作 就 可 以 实 现 自 己 的 控 制 需 求 单 片 机 种 类 繁 多, 功 能 自 然 也 各 不 相 同 象 三 星 公 司 的 S3C6410, 主 频 可 以 高 达 800MHz,424 条 管 脚, 功 能 强 大 性 能 几 近 电 脑 ; 而 台 湾 义 隆 公 司 的 EM78P152 则 只 有 8 条 管 脚, 可 供 用 户 选 择 控 制 的 输 入 输 出 脚 也 就 5 条, 只 能 实 现 一 些 简 单 的 逻 辑 控 制 功 能 ;MICROCHIP 公 司 的 PIC10F20X 更 小, 6 条 管 脚, 内 置 4M 晶 振, 上 电 就 可 以 运 行 可 见 不 同 型 号 的 单 片 机 差 异 可 以 非 常 之 大, 价 格 也 是 一 样, 便 宜 的 不 用 一 元 人 民 币 就 可 以 买 到, 贵 的 则 要 上 百 元 人 民 币 甚 至 更 多 几 乎 所 有 知 名 大 型 电 子 公 司 都 有 生 产 单 片 机, 如 SAMSUNG/FREESCALE/TI/NXP/RENESAS/TOSHIBA 等, 这 些 公 司 生 产 的 单 片 机 大 都 是 通 用 类, 没 有 专 门 针 对 某 类 具 体 产 品 设 计 特 定 功 能, 这 类 单 片 机 特 点 是 性 能 相 对 稳 定 价 格 比 较 高 产 品 的 需 求 是 层 出 不 穷, 一 些 特 殊 的 需 求 会 催 生 出 对 应 有 特 殊 功 能 的 单 片 机, 比 如 电 视 游 戏 机 就 需 要 直 接 支 持 音 频 视 频 信 号 输 出, 于 是 一 些 规 模 相 对 要 小 一 些 的 厂 家 如 SUNPLUS/WINBOND 等 就 推 出 专 门 针 对 电 视 游 戏 机 市 场 的 单 片 机, 就 是 电 脑 键 盘 鼠 标 这 些 非 常 简 单 的 产 品, 都 有 诸 如 HOLTEK 这 样 的 厂 家 来 设 计 专 用 单 片 机 说 了 这 么 多 那 单 片 机 到 底 是 个 什 么 样 子? 别 着 急, 既 然 学 校 大 多 将 51 系 列 的 单 片 机 如 何 应 用 做 为 单 片 机 的 课 程 内 容, 这 里 就 展 示 两 张 AT89C51 单 片 机 的 图 给 大 家 看 看 让 它 工 作 起 来 也 很 简 单, 写 好 程 序, 将 程 序 按 规 定 的 方 法 写 到 单 片 机 的 指 定 位 置, 再 将 这 个 单 片 机 接 上 晶 振, 加 上 合 适 的 工 MCU EDU 第 5 页 作 者 :Dai ShangJu

6 作 电 压, 它 就 会 乖 乖 的 工 作 起 来 ( 如 何 工 作 可 参 见 章 节 1.2. 单 片 机 是 如 何 工 作 的 ) 图 AT89C51 封 装 图 图 AT89C51 DIP 封 装 和 实 物 对 照 图 注 : 有 的 时 候 为 了 降 低 成 本 可 以 不 要 上 面 的 标 准 封 装, 要 求 厂 家 提 供 DICE( 也 叫 CHIP), 拿 到 DICE 后 自 己 再 将 管 脚 邦 定 (BONDING) 出 来 MCU EDU 第 6 页 作 者 :Dai ShangJu

7 1.2. 单 片 机 是 如 何 工 作 的 单 片 机 是 如 何 工 作 的? 这 还 真 是 一 个 让 人 头 大 的 问 题, 武 侠 小 说 中 一 些 权 贵 豪 杰 为 了 保 护 自 己 和 家 人 的 人 身 安 全, 会 在 自 己 住 的 地 方 让 能 工 巧 匠 设 计 许 多 机 关, 什 么 吊 网 毒 箭 暗 坑 都 统 统 上 场, 一 环 套 一 环 一 招 接 一 招, 只 要 一 触 发 机 关, 就 算 来 者 是 神 功 盖 世 也 十 有 八 九 要 玩 完 这 种 机 关 工 作 方 式 是 触 发, 上 一 个 机 关 动 作 完 就 会 触 发 下 一 个 机 关, 直 到 所 有 机 关 都 触 发 完 触 发 这 个 概 念 对 单 片 机 来 说 非 常 重 要, 单 片 机 是 这 样 的, 将 需 要 完 成 的 操 作 任 务 预 先 一 步 步 设 定 好 ( 这 个 预 先 设 定 好 的 操 作 任 务 也 就 是 程 序 ), 然 后 单 片 机 逐 步 被 触 发 实 现 这 些 操 作, 那 单 片 机 靠 什 么 触 发 呢, 后 面 我 会 告 诉 你 有 没 有 搞 错? 单 片 机 居 然 就 是 武 侠 小 说 中 的 机 关? 没 错, 单 片 机 就 和 机 关 差 不 多, 只 不 过 机 关 是 利 用 力 学 原 理 通 过 一 些 机 械 结 构 来 实 现, 而 单 片 机 是 靠 其 内 部 的 电 子 器 件 来 实 现 单 片 机 的 核 心 是 一 个 叫 CPU 的 中 央 处 理 器, 这 个 东 西 就 好 比 人 的 大 脑, 可 以 实 现 一 些 逻 辑 运 算 之 类 的 操 作, 比 如 对 两 个 数 进 行 加 减 比 较 大 小 等, 前 面 提 到 的 程 序 这 里 就 用 得 上 了, 程 序 实 际 上 是 一 串 数 字, 这 串 数 字 依 照 单 片 机 制 定 的 规 则 表 达 相 关 特 定 信 息,CPU 则 通 过 某 种 方 式 把 程 序 里 的 这 些 数 字 取 来 然 后 按 数 字 进 行 相 应 的 操 作 为 了 弄 清 楚 单 片 机 是 怎 么 工 作 的, 这 里 我 给 大 家 设 计 一 个 简 单 的 单 片 机, 而 且 这 个 单 片 机 还 与 人 脑 相 互 兼 容, 哈, 很 厉 害 吧! 该 单 片 机 外 部 有 两 个 电 压 可 以 选 择 输 出 为 高 或 为 低 的 管 脚, 这 里 我 分 别 将 其 命 名 为 左 管 脚 和 右 管 脚, 为 了 演 示 这 个 单 片 机 的 功 能, 需 要 设 计 一 个 单 片 机 应 用 系 统 来 控 制 两 盏 灯, 这 两 盏 灯 会 按 下 面 的 亮 灭 次 序 工 作 a. 开 始 灯 一 和 灯 二 都 是 熄 灭 状 态 b. 灯 一 点 亮, 灯 二 熄 灭, 维 持 该 状 态 一 秒 c. 灯 一 保 持 点 亮, 灯 二 点 亮, 维 持 该 状 态 两 秒 d. 灯 一 熄 灭, 灯 二 保 持 点 亮, 维 持 该 状 态 三 秒 e. 灯 一 和 灯 二 都 熄 灭 既 然 是 我 设 计 的 单 片 机, 那 先 要 定 出 这 个 单 片 机 型 号, 不 然 就 和 别 人 的 设 计 无 法 区 分, 简 单 点 就 叫 MY_MCU_000, 再 要 制 定 相 关 规 则, 也 就 是 设 计 MY_MCU_000 的 机 器 指 令 数 字 ( 指 令 ) MY_MCU_000 实 现 功 能 0 左 管 脚 和 右 管 脚 都 输 出 低 电 压 1 左 管 脚 输 出 高 电 压, 右 管 脚 输 出 低 电 压 2 左 管 脚 输 出 低 电 压, 右 管 脚 输 出 高 电 压 3 左 管 脚 和 右 管 脚 都 输 出 高 电 压 4 保 持 当 前 状 态, 什 么 都 不 做 表 MY_MCU_000 指 令 表 MCU EDU 第 7 页 作 者 :Dai ShangJu

8 设 计 的 应 用 系 统, 当 然 这 个 系 统 只 是 简 单 示 意, 目 的 是 让 大 家 能 明 白 是 如 何 控 制 灯 的 图 MY_MCU_000 应 用 系 统 示 意 图 先 不 要 进 入 难 度 大 的 MY_MCU_000 编 程 阶 段, 前 面 提 到 该 单 片 机 还 能 与 人 脑 相 互 兼 容, 现 在 通 过 一 位 魔 法 师 给 你 演 示 如 何 实 现 魔 法 师 会 交 给 你 一 张 魔 法 秘 籍 表, 另 外 还 会 给 你 一 张 写 有 魔 法 密 语 的 纸 条 魔 法 密 语 魔 法 方 法 0 左 手 和 右 手 都 松 开 开 关 1 左 手 按 下 开 关, 右 手 松 开 开 关 2 左 手 松 开 开 关, 右 手 按 下 开 关 3 左 手 右 手 都 按 下 开 关 表 魔 法 秘 籍 表 现 在 你 展 开 魔 法 密 语 纸 条, 魔 法 师 开 始 指 挥 你 施 展 魔 法 魔 法 师 每 挥 一 下 魔 法 棒, 你 从 纸 条 上 取 出 一 条 魔 法 密 语, 并 按 照 魔 法 师 先 给 你 的 魔 法 施 法 秘 籍 表 做 出 相 应 动 作 如 果 魔 法 师 每 一 秒 向 你 挥 一 次 魔 法 棒, 那 么 你 每 隔 一 秒 就 要 从 魔 法 密 语 纸 条 上 取 出 一 条 魔 法 密 语 并 施 展 魔 法, 现 在 你 仔 细 想 想, 是 不 是 神 奇 地 实 现 了 前 面 我 们 所 想 要 实 现 的 亮 灯 次 序? MCU EDU 第 8 页 作 者 :Dai ShangJu

9 图 魔 法 施 展 图 看 到 这 里 不 要 笑, 这 么 简 单 也 叫 什 么 魔 法? 这 确 实 不 能 叫 魔 法, 目 的 是 让 你 明 白 一 个 道 理 接 下 来 我 们 回 到 图 MY_MCU_000 应 用 系 统 示 意 图, 把 魔 法 密 语 交 给 所 设 计 的 这 个 单 片 机 应 用 系 统, 也 就 是 存 储 在 MY_MCU_000 可 以 读 取 的 地 方, 会 发 生 什 么 事 情 呢? 显 然 只 要 给 所 设 计 的 单 片 机 MY_MCU_000 每 一 秒 钟 发 一 个 触 发 信 号, 这 个 触 发 信 号 可 以 触 发 MY_MCU_000 从 魔 法 密 语 里 面 取 出 一 条 密 语 并 执 行 相 应 操 作, 我 们 所 设 计 的 单 片 机 系 统 同 样 会 按 我 们 期 望 的 次 序 亮 灭 两 个 灯 现 在 将 魔 法 和 MY_MCU_000 做 个 对 比 : MY_MCU_000 CPU = 你 的 大 脑 MY_MCU_000 左 管 脚 = 你 的 左 手 MY_MCU_000 右 管 脚 = 你 的 右 手 MY_MCU_000 程 序 存 储 器 = 魔 法 纸 条 MY_MCU_000 存 储 器 里 面 的 程 序 = 纸 条 上 的 魔 法 密 语 MY_MCU_000 触 发 信 号 = 魔 法 师 的 魔 法 棒 我 想 到 这 里 你 应 该 明 白 单 片 机 是 怎 么 工 作 的 了 吧? 你 是 用 眼 睛 看 到 魔 法 密 语, 那 我 们 设 计 的 单 片 机 是 用 什 么 呢? 是 控 制 器 里 一 个 叫 PC 程 序 指 针 的 功 能 模 块, 当 单 片 机 工 作 时, 控 制 器 由 PC 得 到 当 前 单 片 机 指 令 机 器 码 然 后 译 码 执 行, 同 时 PC 会 自 动 指 向 下 一 条 会 被 执 行 的 指 令 机 器 码 真 正 的 单 片 机 应 用 系 统 由 晶 振 或 RC 振 荡 器 来 提 供 稳 定 的 周 期 触 发 信 号, 魔 法 密 语 对 应 的 是 单 片 机 程 序 ( 机 器 码 ) 如 果 将 程 序 写 成 魔 法 密 语 一 样 的 数 字, 对 程 序 员 来 说 肯 定 不 是 好 事 情, 必 须 逐 个 查 表 才 知 道 相 应 功 能, 一 不 小 心 就 会 弄 错 人 类 不 擅 长 查 表 这 种 繁 琐 工 作, 但 电 脑 擅 长, 并 且 快 而 准 既 然 这 样, 那 就 把 这 个 查 表 的 工 作 交 给 电 脑 去 做 就 是, 于 是 解 放 程 序 员 的 汇 编 指 令 和 编 译 器 诞 生 了 为 了 便 于 推 广 我 们 设 计 的 MY_MCU_000, 这 里 我 们 也 设 计 一 套 简 单 的 汇 编 指 令 和 编 译 器 前 面 我 们 已 经 知 道 这 个 单 片 机 有 简 单 的 控 制 左 右 两 个 脚 输 出 高 低 电 压 的 功 能, 很 好, 这 里 我 提 出 几 种 设 计 进 行 对 比, 看 哪 种 最 合 适 方 案 一 方 案 二 方 案 三 数 字 MY_MCU_000 可 实 现 功 能 左 低 右 低 Left0Right0 L0R0 0 左 管 脚 和 右 管 脚 都 输 出 低 电 压 左 高 右 低 Left1Right0 L1R0 1 左 管 脚 输 出 高 电 压, 右 管 脚 输 出 低 电 压 左 低 右 高 Left0Right1 L0R1 2 左 管 脚 输 出 低 电 压, 右 管 脚 输 出 高 电 压 左 高 右 高 Left1Right1 L1R1 3 左 管 脚 和 右 管 脚 都 输 出 高 电 压 空 操 作 DoNothing NOP 4 保 持 当 前 状 态, 什 么 都 不 做 表 MY_MCU_000 汇 编 指 令 对 比 表 方 案 一 用 的 是 中 文, 对 于 中 国 人 来 说 非 常 直 观, 可 是 如 果 我 们 设 计 的 这 个 单 片 机 要 占 领 国 际 市 场, 怎 么 推 给 外 国 人 呢? 另 外 编 程 的 时 候 打 中 文 好 象 也 有 点 复 杂, 否 定 MCU EDU 第 9 页 作 者 :Dai ShangJu

10 方 案 二 用 的 是 英 语, 国 际 化 问 题 应 该 不 不 会 再 出 现, 是 不 是 会 觉 得 每 一 条 汇 编 指 令 需 要 输 入 的 字 符 多 了 一 些? 如 果 有 更 便 捷 点 的 方 法 自 然 更 好 方 案 三, 几 个 字 母 就 能 表 达 出 一 种 功 能 操 作, 看 上 去 也 不 会 混 淆 意 思, 还 不 错, 那 就 用 它 实 际 上 这 三 个 方 案 都 可 以 实 现 我 们 想 做 的 事 情, 只 是 我 们 选 了 相 对 来 说 比 较 优 化 的 方 案 三, 我 们 设 计 的 MY_MCU_000 不 认 识 方 案 三 里 面 的 那 些 指 令, 这 样 就 需 要 做 一 个 编 译 器, 编 译 器 将 这 些 指 令 转 换 成 MY_MCU_000 认 识 的 魔 法 密 语 机 器 码 第 一 代 设 计 第 二 代 设 计 汇 编 指 令 机 器 码 汇 编 指 令 机 器 码 L0R0 0 L0R0 0 L1R0 1 L1R0 1 L1R1 3 L1R1 3 L1R1 3 NOP 4 L0R1 2 L0R1 2 L0R1 2 NOP 4 L0R1 2 NOP 4 L0R0 0 L0R0 0 表 亮 灯 程 序 汇 编 指 令 和 机 器 码 对 比 表 到 这 里 我 们 设 计 的 基 本 大 功 告 成, 可 以 让 市 场 部 门 拿 出 去 进 行 销 售, 不 过 接 下 来 我 们 还 是 应 该 对 其 进 行 完 善, 使 其 更 有 市 场 竞 争 力 对 于 连 续 多 个 L1R1 这 样 的 操 作, 客 户 反 馈 说 看 着 别 扭, 能 不 能 改 进? 没 问 题, 上 图 右 边 的 第 二 代 设 计 已 经 为 消 除 了 客 户 的 这 个 烦 恼, 另 外 我 们 还 为 了 客 户 方 便 推 出 了 可 以 提 供 调 试 功 能 的 调 试 器 和 可 支 持 C 语 言 编 程 的 C 编 译 器 ( 这 部 分 工 作 就 留 给 你 来 设 计 吧 ) 前 面 我 说 真 正 的 单 片 机 系 统 运 行 起 来 很 简 单, 只 需 接 上 合 适 的 晶 振, 再 加 上 合 适 的 电 压 就 可 以 开 始 执 行 单 片 机 的 程 序 是 不 是 真 的 这 样 呢? 这 里 给 出 一 个 真 实 产 品 的 电 路 图, 你 会 发 现 在 这 个 单 片 机 的 外 围 元 件 非 常 简 单, 只 有 一 个 晶 振 三 个 电 容 和 一 个 电 阻, 就 是 这 么 简 单 的 电 路 就 能 这 个 单 片 机 跑 起 来 这 里 提 一 个 问 题, 如 果 不 给 单 片 机 提 供 程 序, 单 片 机 系 统 能 运 行 起 来 吗? MCU EDU 第 10 页 作 者 :Dai ShangJu

11 图 某 真 实 产 品 电 路 图 1.3. 单 片 机 与 电 脑 的 区 别 单 片 机 和 电 脑 有 什 么 区 别? 从 本 质 上 讲, 单 片 机 和 电 脑 没 有 什 么 区 别, 都 是 同 一 个 祖 宗, 自 七 十 年 代 开 始 大 约 有 十 年 的 时 间 都 不 分 彼 此, 那 时 候 还 没 有 个 人 电 脑 这 个 概 念, 怎 么 分 啊? 随 着 技 术 和 市 场 的 发 展, 个 人 电 脑 概 念 应 势 而 生, 应 用 方 向 不 一 样, 于 是 出 现 两 条 方 向 完 全 不 一 同 的 发 展 道 路 单 片 机 是 希 望 所 有 功 能 都 在 自 己 内 部 完 成, 追 求 的 是 精 简 ; 而 电 脑 则 是 让 CPU 专 门 负 责 数 据 处 理 功 能,CPU 制 定 出 一 系 列 规 则, 由 外 接 器 件 实 现 具 体 功 能, 追 求 的 是 标 准 统 一 下 的 高 速 性 电 脑 CPU 不 能 单 独 工 作, 需 要 由 主 板 来 连 接 的 外 部 存 储 器 ( 硬 盘 内 存 等 ) 输 入 输 出 设 备 ( 键 盘 显 示 器 等 ) 支 持 才 行, 单 片 机 只 要 连 上 晶 振 通 电 就 可 以 运 行 程 序 你 可 以 这 样 理 解 : 主 板 和 外 设 支 持 下 的 电 脑 CPU 系 统 就 是 一 个 功 能 超 强 速 度 超 快 容 量 超 大 的 单 片 机, 当 然 价 格 也 超 贵 个 人 电 脑 自 概 念 诞 生 的 那 一 天 起, 就 决 定 了 电 脑 CPU 市 场 最 终 会 把 持 到 少 数 的 厂 家 手 中 要 把 电 脑 CPU 做 好 做 快 需 要 先 前 的 技 术 积 累, 只 有 性 能 稳 定 可 靠 才 能 占 稳 市 场, 占 稳 市 场 才 会 有 资 金 继 续 研 发 保 持 产 品 技 术 领 先 事 实 也 证 明 了 这 一 点, 在 386/486 时 代 还 有 不 少 厂 家 在 做 电 脑 CPU, 但 现 在 大 都 已 经 放 弃 这 部 分 业 务, 只 剩 下 大 家 熟 悉 的 那 么 几 家 单 片 机 不 同, 一 开 始 就 没 有 统 一 标 准, 相 对 电 脑 CPU 来 说, 技 术 门 槛 低, 几 个 人 都 有 可 能 设 计 出 一 款 单 片 机 加 上 各 种 电 子 产 品 对 单 片 机 的 需 求 各 不 相 同, 有 需 求 则 有 市 场, 有 市 场 就 有 存 在, 高 性 能 单 片 机 有 人 要, 低 性 能 单 片 机 同 样 也 卖 得 出 去, 于 是 单 片 机 体 系 结 构 纷 繁 复 杂, 形 成 大 公 司 走 高 端 小 公 司 创 特 色 的 局 面 天 下 大 势, 分 久 必 合, 合 久 必 分 电 脑 CPU 自 八 十 年 代 与 单 片 机 分 道 扬 镳 后 那 是 越 做 越 快 越 做 越 小 越 做 越 便 宜 而 单 片 机 呢 又 出 现 两 极 分 化 的 情 况 : 低 端 在 保 证 性 能 同 时 价 格 大 幅 下 降, 已 经 出 现 售 价 不 到 一 元 人 民 币 的 单 片 机, 同 时 还 针 对 特 定 的 市 场 需 求 推 出 专 用 型 号 ; 高 端 的 功 能 越 做 越 强 大, 逐 步 向 电 脑 发 展 方 向 并 拢, 这 方 面 典 型 的 例 子 就 是 九 十 年 代 出 来 的 ARM 公 司, 专 门 给 另 外 MCU EDU 第 11 页 作 者 :Dai ShangJu

12 的 公 司 提 供 类 似 电 脑 CPU 功 能 的 内 核, 另 外 的 公 司 则 象 电 脑 公 司 一 样 在 其 内 核 外 围 将 电 脑 公 司 在 主 板 上 实 现 的 功 能 进 行 扩 展, 区 别 是 电 脑 在 主 板 上 扩 展, 高 端 单 片 机 在 芯 片 内 扩 展 图 某 低 端 专 用 单 片 机 构 架 图 图 某 高 端 单 片 机 构 架 图 MCU EDU 第 12 页 作 者 :Dai ShangJu

13 图 为 一 款 主 要 用 于 发 声 产 品 的 单 片 机 内 部 构 架 图 图 为 一 款 性 能 一 般 的 高 端 单 片 机 ( 非 ARM 内 核 ) 内 部 构 架 图 前 者 除 了 发 声 外 几 乎 不 能 实 现 其 它 的 电 脑 日 常 功 能, 但 后 者 几 乎 可 以 将 电 脑 的 日 常 功 能 全 部 实 现, 只 是 性 能 上 还 存 在 一 定 差 距 仔 细 研 究 后 者 构 架 可 以 看 出 其 构 架 也 已 经 和 电 脑 构 架 非 常 接 近, 甚 至 有 了 主 板 上 非 常 重 要 的 南 北 桥 技 术 AHB/APB( 高 低 速 总 线 ) 主 板 和 外 设 支 持 下 的 电 脑 CPU 系 统 就 是 一 个 功 能 超 强 速 度 超 快 容 量 超 大 的 单 片 机, 这 就 是 两 者 的 区 别 电 脑 CPU 引 领 潮 流 和 技 术, 单 片 机 在 特 色 方 面 加 强 体 现, 两 者 一 度 界 限 明 晰, 现 在 又 出 现 相 互 融 合 的 趋 势 会 不 会 有 一 天 单 片 机 又 会 和 电 脑 CPU 完 全 融 合 成 同 一 种 产 品 呢? 我 的 观 点 是 不 会 电 脑 在 人 们 的 眼 里, 就 是 需 要 那 么 大 的 个 头, 哪 怕 有 一 天 技 术 已 经 发 展 到 可 以 将 所 有 芯 片 功 能 融 合 到 一 个 火 柴 盒 那 么 大, 但 人 们 已 经 习 惯 大 的 显 示 器 和 操 控 顺 畅 的 键 盘 鼠 标 等 设 备, 这 个 体 积 难 以 减 小 单 片 机 许 多 应 用 场 合 并 不 需 要 这 样 的 显 示 和 输 入 设 备, 市 场 对 单 片 机 的 要 求 往 往 是 简 单 实 用, 就 如 同 上 面 图 所 示 的 低 端 单 片 机, 它 只 要 在 发 声 方 面 能 满 足 用 户 的 实 际 需 求, 就 可 以 稳 稳 占 有 带 发 声 功 能 的 简 单 电 子 产 品 市 场 1.4. 晶 振 大 部 分 单 片 机 都 需 要 晶 振 才 能 工 作 起 来, 晶 振 就 象 交 响 乐 团 的 指 挥 家 一 样 控 制 单 片 机 的 工 作 节 奏, 指 挥 家 的 指 挥 棒 没 起, 交 响 乐 团 是 不 会 开 始 演 奏 的, 同 样 晶 振 没 开 始 向 单 片 机 提 供 节 奏 信 号, 单 片 机 也 不 会 工 作 起 来 在 1.2. 单 片 机 是 如 何 工 作 一 章 中 说 触 发 是 单 片 机 的 一 个 重 要 概 念, 晶 振 就 是 单 片 机 所 有 工 作 触 发 时 序 的 信 号 源, 单 片 机 通 过 它 所 提 供 周 期 稳 定 的 触 发 信 号 去 触 发 程 序 相 应 操 作, 或 者 是 去 检 查 外 部 有 没 有 什 么 触 发 信 号 输 入 不 是 所 有 的 单 片 机 都 用 晶 振 来 做 触 发 信 号 源, 还 有 一 些 场 合 可 以 用 RC 振 荡 器, 甚 至 是 单 片 机 自 己 内 部 有 RC 振 荡 电 路, 外 部 接 一 个 电 阻 来 调 节 振 荡 频 率 既 然 RC 振 荡 器 也 可 以 用, 为 什 么 还 要 用 晶 振 呢? 原 因 很 简 单,RC 振 荡 器 所 产 生 的 频 率 一 致 性 和 稳 定 性 都 不 好, 会 因 为 电 阻 电 容 值 的 误 差 出 现 比 较 大 的 偏 差, 电 压 的 高 低 也 会 产 生 一 定 的 影 响, 晶 振 虽 然 价 格 要 高 一 些, 但 一 致 性 和 稳 定 性 比 RC 振 荡 器 要 好 许 多 实 际 应 用 应 根 据 产 品 特 性 选 择 晶 振 或 RC 振 荡 器 如 果 产 品 对 控 制 性 能 的 时 间 精 度 要 求 并 不 严 格, 比 如 是 一 个 通 过 按 键 发 光 发 声 的 简 单 儿 童 玩 具, 就 可 以 用 RC 振 荡 器 来 降 低 成 本 ; 但 如 果 一 个 产 品 需 要 保 持 显 示 日 期 时 间, 用 RC 振 荡 器 显 然 不 能 满 足 要 求, 一 天 下 来 有 可 能 会 差 上 几 分 钟, 所 以 必 须 用 晶 振, 这 个 例 子 涉 及 到 累 计 误 差 的 概 念, 后 面 有 一 章 节 会 对 累 计 误 差 专 门 进 行 阐 述 既 然 晶 振 只 是 起 到 触 发 信 号 源 的 作 用, 那 是 不 是 可 以 用 一 个 周 期 稳 定 的 信 号 源 来 替 换 晶 振 或 RC 震 荡 器 呢? 适 当 条 件 下 确 实 可 以, 只 是 这 样 一 个 信 号 源 的 实 现 会 比 用 晶 振 的 成 本 都 要 高, 在 我 之 前 的 产 品 开 发 经 历 中, 就 有 做 过 多 个 单 片 机 只 用 一 个 晶 振 的 产 品, 但 不 建 议 这 么 做, 因 为 晶 振 电 路 板 MCU EDU 第 13 页 作 者 :Dai ShangJu

14 走 线 都 有 一 定 要 求 的, 控 制 不 好 容 易 导 致 晶 振 不 启 振 是 不 是 一 个 单 片 机 想 跑 多 快 就 需 要 晶 振 提 供 同 样 快 的 周 期 触 发 信 号 呢? 无 论 是 设 计 单 片 机 芯 片 还 是 生 产 晶 振 的 厂 家 都 不 希 望 这 么 做 我 们 知 道, 频 率 越 快, 则 越 难 控 制, 也 越 容 易 被 干 扰 晶 振 做 为 一 个 外 接 器 件, 自 然 不 希 望 自 己 被 要 求 提 供 非 常 高 的 频 率 频 率 越 高, 对 产 品 电 路 板 布 线 的 限 制 就 越 多, 产 品 开 发 生 产 部 门 使 用 起 来 也 就 越 麻 烦 设 计 单 片 机 芯 片 的 厂 家 为 我 们 解 决 了 这 个 烦 扰, 他 们 将 一 个 叫 PLL( 锁 相 环 ) 的 技 术 放 到 了 单 片 机 芯 片 内, 通 过 这 个 技 术 将 晶 振 的 频 率 在 单 片 机 内 部 倍 频, 这 样 就 可 以 让 单 片 机 得 到 比 晶 振 高 几 倍 甚 至 许 多 倍 的 工 作 频 率 除 此 外 PLL 还 有 一 个 优 点, 单 片 机 可 以 在 工 作 中 动 态 改 变 工 作 频 率, 后 面 会 有 章 节 介 绍 如 何 利 用 这 一 特 性 来 提 升 产 品 性 能 1.5. 系 统 时 钟 和 周 期 说 完 晶 振 接 下 来 介 绍 另 外 几 个 和 晶 振 紧 密 相 关 的 特 性 : 系 统 时 钟 机 器 周 期 指 令 周 期 注 : 后 面 所 有 涉 及 时 钟 周 期 的 概 念 均 以 晶 振 为 例,RC 震 荡 器 不 做 重 复 介 绍 这 里 先 把 我 个 人 理 解 的 相 互 关 系 告 诉 大 家 : 指 令 周 期 机 器 周 期 系 统 时 钟 周 期, 三 者 没 有 绝 对 的 区 分 准 则 系 统 时 钟 单 片 机 内 部 的 所 有 工 作, 都 是 基 于 由 晶 振 产 生 的 同 一 个 触 发 信 号 源, 由 这 个 信 号 来 同 步 协 调 工 作 步 骤, 我 们 把 这 个 信 号 称 为 系 统 时 钟 通 过 章 节 1.4. 晶 振 我 们 知 道 系 统 时 钟 一 般 由 晶 振 产 生, 但 在 单 片 机 内 部 系 统 时 钟 不 是 一 定 等 于 晶 振 频 率, 有 可 能 小 于 晶 振 频 率, 也 有 可 能 大 于 晶 振 频 率, 具 体 是 多 少 由 单 片 机 内 部 结 构 决 定, 正 常 情 况 和 晶 振 频 率 会 存 在 一 个 整 数 倍 关 系 图 晶 振 和 系 统 时 钟 关 系 图 系 统 时 钟 是 整 个 单 片 机 工 作 节 奏 的 基 准, 它 每 振 荡 一 次, 单 片 机 就 被 触 发 执 行 一 次 操 作 从 图 晶 振 和 系 统 时 钟 关 系 图 中 可 以 看 出 在 单 片 机 内 部 有 可 能 会 乘 或 除 某 个 数, 不 是 所 有 的 单 片 机 都 会 支 持 中 间 的 乘 或 除, 此 时 N=1 如 果 是 乘, 对 应 的 是 PLL( 锁 相 环 ) 功 能, 这 样 就 可 以 通 过 频 率 较 低 的 晶 振 得 到 更 快 的 系 统 时 钟, 让 单 片 机 跑 得 更 快 如 果 是 除, 则 是 实 现 方 法 非 常 简 单 的 分 频 MCU EDU 第 14 页 作 者 :Dai ShangJu

15 技 术, 这 样 可 以 让 单 片 机 在 同 样 频 率 的 晶 振 下 得 到 不 同 速 度 的 系 统 时 钟, 快 的 系 统 时 钟 用 于 正 常 工 作 状 态, 慢 的 系 统 时 钟 则 用 于 某 些 特 殊 工 作 模 式 比 如 现 在 有 一 个 产 品, 能 自 动 接 收 外 面 设 备 发 送 过 来 的 数 据, 外 面 的 设 备 发 送 数 据 间 隔 时 间 比 较 长, 可 能 一 天 就 发 送 一 两 次, 我 们 就 可 以 将 这 个 产 品 选 用 支 持 分 频 功 能 的 单 片 机, 每 当 收 完 一 组 数 据 后 就 将 分 频 系 数 调 大, 这 样 单 片 机 就 进 入 慢 速 工 作 状 态, 功 耗 会 明 显 降 低, 当 检 测 到 外 部 设 备 请 求 发 数 据 操 作 后 将 分 频 系 数 调 回 正 常, 高 效 接 收 处 理 数 据 机 器 周 期 还 得 通 过 章 节 1.2. 单 片 机 是 如 何 工 作 的 里 面 举 的 魔 法 例 子 来 理 解 机 器 周 期, 当 魔 法 师 挥 一 下 魔 法 棒 时, 表 演 者 并 不 能 一 下 就 将 整 个 魔 法 直 接 完 成, 需 要 经 历 从 纸 条 上 看 到 魔 法 数 字 从 魔 法 秘 籍 表 中 查 到 数 字 对 应 动 作 做 出 相 应 动 作 这 三 个 阶 段, 先 前 是 让 人 一 次 顺 序 完 成 这 三 个 阶 段 观 众 仔 细 观 看 了 该 魔 法 表 演 后 发 现 一 个 问 题, 表 演 者 控 制 的 灯 亮 灭 与 魔 法 师 挥 动 魔 法 棒 之 间 有 延 时, 而 且 不 同 亮 灭 延 时 不 一 样 原 来 每 次 魔 法 师 挥 魔 法 棒 时, 表 演 者 得 到 数 字 后 都 要 从 魔 法 秘 籍 表 中 从 头 到 尾 查 找 对 应 的 动 作, 因 为 舞 台 灯 光 不 好 魔 法 秘 籍 表 上 字 迹 潦 草 等 原 因, 表 演 者 找 出 对 应 动 作 需 要 一 定 时 间, 在 魔 法 秘 籍 表 中 越 靠 后 的 动 作 查 找 的 时 间 就 越 长, 这 样 从 魔 法 师 挥 动 魔 法 棒 到 动 作 效 果 做 出 来 就 会 出 现 长 短 不 一 的 延 时 为 了 更 好 的 展 现 魔 术 效 果, 魔 法 师 对 原 来 的 规 则 做 了 个 小 小 的 调 整, 将 原 来 挥 棒 一 秒 一 次 改 为 一 秒 三 次, 第 一 次 挥 表 演 者 去 看 纸 条 上 的 数 字, 第 二 次 挥 表 演 者 再 从 魔 法 秘 籍 表 中 找 出 对 应 动 作, 第 三 次 挥 表 演 者 则 做 出 相 应 动 作, 这 样 观 众 就 应 该 很 难 察 觉 延 时 不 同 的 存 在 了 吧? 稳 妥 起 见, 魔 法 师 决 定 先 内 部 演 练 一 下 哈! 新 问 题 又 出 现 了, 现 在 魔 法 师 一 秒 会 挥 三 次 魔 法 棒, 表 演 者 跟 不 上 这 个 速 度, 等 他 看 完 纸 条 或 者 查 完 魔 法 秘 籍 表 再 来 看 魔 法 师 的 时 候 魔 法 师 已 经 挥 了 下 一 次, 根 本 无 法 表 演 经 过 测 试 发 现, 表 演 者 看 纸 条 最 长 时 间 不 超 过 0.4 秒, 查 魔 法 秘 籍 表 则 不 超 过 0.5 秒, 做 出 相 应 动 作 很 快 只 要 0.1 秒 这 样 魔 法 师 再 次 对 规 则 做 了 修 改, 魔 法 棒 的 挥 棒 间 隔 还 是 保 持 一 秒 不 变, 只 是 将 原 来 灯 亮 灭 的 时 间 增 加 到 原 来 的 三 倍, 表 演 大 获 成 功 单 片 机 也 就 是 这 个 原 因 而 引 入 机 器 周 期, 同 样 以 在 1.2. 单 片 机 是 如 何 工 作 的 中 我 们 自 己 设 计 的 单 片 机 MY_MCU_000 为 例 来 进 行 说 明 为 了 和 魔 法 师 表 演 兼 容, 单 片 机 查 表 采 用 最 简 单 的 方 法, 从 头 到 尾 依 次 对 比, 直 到 找 与 之 到 相 同 的 代 码 假 定 每 比 对 一 次 需 要 0.1 秒, 这 样 每 次 查 表 的 耗 时 从 0.1 到 0.5 秒 不 等, 会 导 致 单 片 机 也 有 有 延 时 不 同 的 问 题 代 码 MY_MCU_000 可 实 现 功 能 查 表 所 需 时 间 0 左 管 脚 和 右 管 脚 都 输 出 低 电 压 0.1 秒 1 左 管 脚 输 出 高 电 压, 右 管 脚 输 出 低 电 压 0.2 秒 2 左 管 脚 输 出 低 电 压, 右 管 脚 输 出 高 电 压 0.3 秒 3 左 管 脚 和 右 管 脚 都 输 出 高 电 压 0.4 秒 MCU EDU 第 15 页 作 者 :Dai ShangJu

16 4 保 持 当 前 状 态, 什 么 都 不 做 0.5 秒 图 MY_MCU_000 查 表 耗 时 表 我 们 对 单 片 机 运 行 方 式 也 做 同 样 修 改, 原 来 一 个 时 钟 触 发 完 成 的 操 作 分 解 成 三 个 时 钟 触 发 来 完 成, 第 一 个 时 钟 信 号 触 发 取 代 码, 第 二 个 时 钟 信 号 触 发 查 表, 第 三 个 时 钟 信 号 触 发 输 出 现 在 再 用 间 隔 一 秒 的 时 钟 信 号 去 触 发 修 改 后 的 单 片 机, 和 改 进 的 魔 法 表 演 一 样 延 时 不 同 的 问 题 消 失 这 种 工 作 方 式 下 的 MY_MCU_000 机 器 周 期 等 于 三 个 系 统 时 钟 周 期 如 果 你 是 一 个 善 于 提 问 题 的 人 这 里 可 以 提 出 一 个 问 题 来 的, 上 面 耗 时 最 长 的 基 本 操 作 是 查 表 要 0.5 秒, 现 在 我 们 给 的 系 统 时 钟 是 1 秒, 那 最 快 可 以 到 多 少 呢? 测 试 发 现, 最 快 可 以 达 到 0.5 秒, 不 过 为 了 留 一 定 的 余 量, 对 外 还 是 只 说 最 快 为 1 秒 单 片 机 也 是 如 此, 如 果 你 不 相 信, 可 以 随 便 拿 出 一 个 单 片 机 验 证 一 下, 实 际 允 许 的 最 快 频 率 都 会 比 厂 家 说 的 要 快 一 点, 不 过 你 在 开 发 产 品 的 时 候 可 别 这 么 做, 不 然 出 了 问 题 厂 家 是 不 会 承 担 责 任 的 对 单 片 机 有 一 定 基 础 的 朋 友 可 能 会 有 疑 问, 这 个 例 子 的 三 步 骤 是 不 是 对 应 单 片 机 理 论 中 的 取 指 译 码 执 行 操 作? 这 种 理 解 是 对 的 对 于 单 片 机 芯 片 的 设 计, 并 没 有 一 个 固 定 的 规 范 要 求 设 计 人 员 必 须 遵 守, 这 样 就 会 导 致 系 统 时 钟 机 器 周 期 和 指 令 周 期 没 有 一 个 严 格 的 准 则 来 进 行 区 分, 有 些 时 候 会 混 杂 在 一 起 所 以 不 是 系 统 时 钟 周 期 就 一 定 小 于 机 器 周 期, 两 者 可 以 相 等 如 果 我 们 对 MY_MCU_000 的 查 表 操 作 方 式 进 行 改 良, 取 到 代 码 数 据 后 不 是 从 头 到 尾 逐 个 比 较, 而 是 直 接 从 表 的 起 始 位 置 直 接 向 后 偏 移 所 取 数 据 大 小, 这 样 所 有 代 码 查 表 操 作 耗 费 的 时 间 都 是 0.1 秒, 这 样 即 便 还 是 一 秒 触 发 就 完 成 三 步 操 作 灯 的 亮 灭 也 同 样 不 会 出 现 延 时 不 同 的 问 题, 这 个 时 候 MY_MCU_000 机 器 周 期 又 变 回 等 于 系 统 时 钟 周 期 指 令 周 期 明 白 了 系 统 时 钟 和 机 器 周 期, 理 解 指 令 周 期 就 不 再 困 难, 指 令 周 期 和 机 器 周 期 之 间 的 关 系 类 似 机 器 周 期 和 系 统 时 钟 周 期 之 间 的 关 系 这 里 我 不 再 用 魔 法 师 的 例 子 而 直 接 用 单 片 机 来 解 释, 单 片 机 所 有 的 操 作 都 一 定 包 含 单 片 机 理 论 中 的 取 指 译 码 执 行 这 三 步, 即 便 是 执 行 这 一 步, 耗 费 的 时 间 都 会 有 不 同 比 如 将 某 个 IO 口 设 为 指 定 状 态, 将 状 态 直 接 送 给 IO 就 执 行 完 毕, 但 如 果 是 将 内 存 里 面 的 某 个 数 加 一, 则 需 要 经 过 把 这 个 数 读 给 ALU( 运 算 器 ) 加 一 存 回 原 位 置 这 几 个 过 程, 显 然 耗 费 的 时 间 要 多 如 果 这 两 个 操 作 分 别 对 应 设 置 IO 和 内 存 变 量 累 加 两 条 指 令, 这 两 条 指 令 耗 费 的 机 器 周 期 数 也 就 不 同 当 然 设 计 人 员 可 以 设 计 为 不 支 持 内 存 变 量 累 加 这 条 指 令, 改 成 三 条 分 指 令 : 从 指 定 位 置 读 数 到 ALU ALU 加 一 存 ALU 中 内 容 到 指 定 位 置 这 样 设 计 就 可 以 做 到 指 令 周 期 等 于 机 器 周 期 经 过 这 些 解 释 相 信 大 家 会 认 可 指 令 周 期 机 器 周 期 系 统 时 钟 周 期, 三 者 没 有 绝 对 的 区 分 准 则 这 种 观 点, 单 片 机 的 内 部 架 构 和 设 计 方 法 的 决 定 三 者 间 的 关 系, 从 上 面 的 例 子 中 可 以 看 出 单 片 机 支 持 哪 些 指 令 一 条 指 令 用 什 么 方 法 实 现 都 会 对 三 者 间 的 关 系 产 生 影 响 技 术 不 断 向 前 发 展, 象 MCU EDU 第 16 页 作 者 :Dai ShangJu

17 51 系 列 单 片 机 那 种 一 个 机 器 周 期 等 于 十 二 个 系 统 时 钟 周 期 的 设 计 会 越 来 越 少, 现 在 新 设 计 的 单 片 机 大 都 已 经 做 到 大 部 分 指 令 周 期 = 机 器 周 期 = 系 统 时 钟 周 期 或 两 倍 时 钟 周 期 1.6. 单 片 机 指 令 和 汇 编 语 言 单 片 机 指 令 系 统 和 编 程 用 的 汇 编 语 言 是 设 计 一 个 单 片 机 必 不 可 少 的 部 分, 指 令 系 统 可 以 间 接 告 诉 用 户 单 片 机 系 统 的 内 部 构 架 方 式, 用 户 通 过 指 令 系 统 即 可 知 道 单 片 机 效 能 单 片 机 指 令 系 统 是 数 字 构 成 的 机 器 码, 对 用 户 来 说 非 常 不 直 观, 所 以 在 设 计 指 令 系 统 的 时 候 就 会 同 时 设 计 出 相 应 汇 编 语 言, 每 条 机 器 指 令 都 有 对 应 有 一 条 汇 编 指 令, 以 便 进 行 理 解 和 记 忆 设 计 单 片 机 系 统 的 人 存 在 一 个 通 病, 想 把 所 有 功 能 都 为 用 户 实 现 这 种 做 法 好 处 是 可 以 把 单 片 机 硬 件 支 持 的 功 能 最 大 限 度 的 直 接 交 给 用 户 使 用, 不 好 的 地 方 是 指 令 系 统 会 变 得 复 杂 对 于 刚 开 始 学 习 单 片 机 的 人 简 直 就 是 一 个 噩 梦, 因 为 他 不 知 道 哪 些 是 重 点, 只 好 强 迫 自 己 尝 试 记 住 全 部 指 令 并 能 理 解 例 如 51 系 列 单 片 机 有 111 条 指 令, 严 重 怀 疑 这 个 指 令 条 数 吓 跑 了 不 少 初 学 者, 我 不 想 再 次 吓 到 大 家, 会 找 一 个 指 令 少 一 点 的 单 片 机 指 令 系 统 来 充 当 例 子 MCU EDU 第 17 页 作 者 :Dai ShangJu

18 图 PIC12F6XX 指 令 表 MICROCHIP 公 司 的 PIC12F6XX 系 列 单 片 机 指 令 系 统 相 对 简 单, 只 有 三 十 多 条, 这 套 指 令 系 统 既 然 没 51 系 列 单 片 机 指 令 那 么 复 杂, 那 也 就 别 指 望 给 开 发 人 员 提 供 到 有 51 系 列 单 片 机 指 令 那 么 多 功 能, 不 要 说 进 行 乘 除 这 样 的 操 作, 就 是 要 实 现 一 个 查 表 功 能 都 有 点 麻 烦 出 一 道 题 :PIC 的 单 片 机 如 何 实 现 查 表 功 能? 本 书 中 不 给 出 答 案, 读 者 可 以 自 己 通 过 网 络 查 找 接 下 来 告 诉 大 家 如 何 通 过 这 个 指 令 表 来 了 解 单 片 机 的 内 部 构 架 和 效 能, 要 注 意 只 是 可 以 间 接 的 了 解 一 部 分, 要 想 得 到 这 方 面 详 细 而 且 准 确 的 信 息, 还 得 去 查 看 器 件 手 册 先 看 看 指 令 周 期, 多 数 为 一 个 周 期, 少 数 为 两 个 周 期, 这 说 明 该 单 片 机 指 令 效 率 不 错 注 : 指 令 表 字 符 说 明 :k 表 示 是 数 字,f 为 寄 存 器 (RAM 地 址 ),W 是 工 作 寄 存 器 (ALU 用 其 进 行 运 算 处 理 ),d 只 能 为 1 或 0( 用 来 选 择 运 算 结 果 存 放 到 工 作 寄 存 器 还 是 RAM 里 面 ) GOTO k( 跳 转 指 令 ), 对 应 指 令 机 器 码 为 10 1kkk kkkk kkkk, 没 有 进 行 条 件 限 制 的 附 加 说 明, MCU EDU 第 18 页 作 者 :Dai ShangJu

19 也 就 是 这 条 指 令 可 以 跳 到 这 个 单 片 机 能 支 持 的 存 储 空 间 内 的 任 意 位 置, 我 们 只 要 知 道 可 以 跳 转 的 范 围, 也 就 知 道 最 大 存 储 空 间 有 多 大 指 令 机 器 码 告 诉 我 们 可 以 跳 转 的 范 围 是 k 所 示 一 个 11 位 二 进 制 数 (0~2047) 从 单 片 机 的 规 格 书 中 可 以 看 到 程 序 存 储 空 间 确 实 为 1024 字, 也 就 是 2k 字 节 图 PIC12F6XX 存 储 空 间 表 在 1.2. 单 片 机 是 如 何 工 作 一 章 中 我 曾 提 出 一 个 问 题 如 果 不 给 单 片 机 提 供 程 序, 单 片 机 能 运 行 吗? 这 里 我 们 会 通 过 对 PIC12F6XX 指 令 分 析 找 到 答 案, 首 先 我 们 要 知 道 如 果 我 们 不 烧 写 程 序 到 该 款 单 片 机 内 部 那 用 来 存 放 程 序 的 区 域 到 底 是 什 么 内 容, 通 过 查 询 芯 片 手 册 可 以 知 道 该 款 单 片 机 内 部 采 用 的 是 闪 存, 闪 存 在 未 使 用 的 初 始 状 态 位 是 全 为 1 现 在 我 们 继 续 观 察 PIC12F6XX 的 指 令 表, 会 看 到 下 面 指 令 : ADDLW k( 工 作 寄 存 器 加 上 立 即 数 k 后 结 果 存 回 工 作 寄 存 器 ) 对 应 指 令 机 器 码 为 x kkkk kkkk (x 表 示 可 以 为 1 也 可 以 为 0,k 为 汇 编 代 码 中 的 立 即 数 ) 现 在 闪 存 是 未 使 用 的 初 始 状 态, 里 面 所 有 的 内 容 都 为 哈! 初 始 状 态 的 闪 存 里 面 的 内 容 居 然 全 是 ADDLW 255 指 令, 也 就 是 说 存 在 这 样 的 可 能, 一 个 全 新 从 未 使 用 过 的 PIC12F6XX 单 片 机, 拿 回 来 装 好 外 围 电 路, 会 在 里 面 执 行 工 作 寄 存 器 加 255 的 操 作 当 然 我 的 这 个 假 设 在 PIC12F6XX 上 并 不 一 定 能 真 正 发 生, 有 可 能 设 计 这 个 单 片 机 的 人 针 对 这 种 情 况 已 经 在 内 部 做 了 某 种 保 护, 只 是 我 不 知 道 而 已 继 续 我 们 的 假 设, 如 果 闪 存 在 未 使 用 的 初 始 状 态 是 全 为 0, 又 是 什 么 样 的 分 析 结 果 呢? 查 看 指 令 NOP ( 空 操 作 ) 对 应 指 令 机 器 码 为 xx0 0000(x 表 示 可 以 为 1 也 可 以 为 0) 现 在 闪 存 是 未 使 用 的 初 始 状 态, 里 面 所 有 的 内 容 都 为 唉! 这 种 假 设 的 结 果 居 然 是 闪 存 里 面 全 为 NOP 指 令, 上 电 后 单 片 机 会 在 里 面 做 空 操 作 开 发 人 员 一 定 要 学 会 多 想 问 题, 我 们 的 假 设 是 未 使 用 的 PIC12F6XX 单 片 机 理 论 上 如 果 不 加 相 应 保 护 会 把 空 闪 存 内 容 也 当 成 代 码 执 行, 这 一 点 能 不 能 给 我 们 设 计 指 令 系 统 给 出 一 些 启 示 呢? 当 然 会, 单 片 机 的 ROM 空 间 大 都 是 kbytes 的 整 数 倍, 实 际 写 好 的 程 序 刚 好 用 完 所 有 ROM 的 几 率 非 常 小, 这 样 将 程 序 烧 写 到 单 片 机 里 面 在 后 面 就 有 一 段 空 余 空 间, 这 段 空 间 的 内 容 是 通 常 是 全 0 MCU EDU 第 19 页 作 者 :Dai ShangJu

20 或 全 1 单 片 机 程 序 有 时 候 会 因 为 外 部 干 扰 让 程 序 跑 飞, 如 果 刚 好 飞 到 这 段 空 余 空 间 里 面, 无 外 乎 就 是 这 两 种 结 果 : 结 果 一 : 全 0 或 全 1 有 对 应 的 指 令 机 器 码, 单 片 机 错 误 的 执 行 这 些 指 令, 跑 到 ROM 的 最 后 位 置 后 单 片 机 再 怎 么 处 理 未 知 (PIC12F6XX 的 处 理 是 跳 到 0 地 址 循 环 运 行 ) 结 果 二 : 全 0 或 全 1 没 有 对 应 的 指 令 机 器 码, 单 片 机 只 能 是 不 知 道 该 怎 么 做 或 者 不 停 的 按 异 常 指 令 处 理 如 果 指 令 系 统 在 设 计 的 时 候 考 虑 全 面 一 点, 将 全 0 和 全 1 设 计 成 复 位 指 令, 这 样 一 旦 程 序 因 为 干 扰 飞 到 空 余 空 间 就 会 复 位 重 新 运 行 所 以 即 便 是 同 样 的 指 令 系 统, 只 是 具 体 的 指 令 机 器 码 定 义 不 同 都 会 在 实 际 应 用 中 产 生 区 别, 看 来 设 计 出 一 个 稳 定 可 靠 的 单 片 机 还 真 是 不 简 单 写 程 序 的 开 发 人 员 也 可 以 在 这 方 面 做 出 改 进, 在 程 序 后 面 的 空 余 空 间 填 充 上 复 位 指 令 机 器 码, 如 果 没 有 复 位 指 令 可 以 利 用 看 门 狗 等 单 片 机 资 源 实 现 复 位, 或 者 直 接 跳 到 0 地 址, 这 些 做 法 对 产 品 抗 干 扰 都 有 积 极 作 用 单 片 机 的 汇 编 语 言 实 际 上 就 是 将 指 令 系 统 的 机 器 代 码 用 简 单 的 字 母 缩 写 对 应, 字 母 缩 写 要 求 能 尽 可 能 的 让 用 户 一 看 就 明 白 是 什 么 意 思, 便 于 理 解 和 记 忆, 在 1.2. 单 片 机 是 如 何 工 作 一 章 中 我 们 就 定 义 过 一 个 超 级 简 单 的 汇 编 语 言 样 例, 用 L1R0 表 示 左 输 出 高 右 输 出 低 指 令 再 看 看 真 正 的 单 片 机 汇 编 语 言, 还 是 看 PIC12F6XX 的 指 令 表 CLRF f 将 功 能 寄 存 器 清 零,clear function register, register number is f CLRW 将 工 作 寄 存 器 清 零, clear work register INCF f,d 将 寄 存 器 内 容 加 一,increase function register, 如 果 你 非 常 讨 厌 英 语, 就 是 想 实 现 中 文 编 程 的 理 想, 你 自 己 可 以 在 PIC 提 供 的 编 译 器 的 技 术 上 实 现 你 的 愿 望, 自 己 用 中 文 定 出 与 英 文 汇 编 指 令 对 应 的 中 文 汇 编 指 令, 比 如 CLRF 对 应 功 能 寄 存 器 清 零, 再 把 英 文 的 指 令 表 和 指 令 说 明 中 所 有 英 文 汇 编 指 令 都 改 成 你 定 义 的 中 文 汇 编 指 令 做 成 指 令 文 档, 写 一 个 可 以 进 行 语 法 错 误 检 查 和 中 文 汇 编 指 令 转 换 成 指 令 机 器 码 功 能 的 电 脑 程 序, 用 这 个 程 序 编 译 得 到 的 代 码 烧 进 PIC 单 片 机 同 样 也 可 以 运 行 当 然 单 片 机 的 汇 编 指 令 不 是 单 纯 地 局 限 于 与 机 器 指 令 一 一 对 应, 写 编 译 器 的 人 会 通 过 伪 指 令 的 方 法 来 扩 充 汇 编 指 令, 以 便 让 汇 编 编 程 更 加 简 单 灵 活 伪 指 令 意 思 就 是 伪 造 的 指 令, 单 片 机 指 令 系 统 里 面 并 没 有 和 这 种 汇 编 指 令 相 对 应 的 机 器 指 令 在 实 际 产 品 的 单 片 机 程 序 编 写 中, 会 出 现 许 多 和 单 片 机 硬 件 指 令 无 关 的 特 殊 需 求, 如 果 只 是 依 靠 和 单 片 机 指 令 一 一 对 应 的 汇 编 指 令, 很 难 满 足 这 些 特 殊 需 求 比 如 某 些 时 候 需 要 将 某 条 代 码 放 在 指 定 的 地 址, 如 果 单 靠 单 片 机 指 令 来 实 现 这 个 功 能 会 非 常 复 杂, 只 能 是 靠 增 减 前 面 的 代 码 数 将 这 条 代 码 地 址 前 后 移 动 来 找 到 正 确 的 位 置, 这 样 需 要 编 程 的 人 一 条 条 的 数 代 码 并 计 算 出 地 址, 实 际 应 用 根 本 无 法 接 受 另 外 有 时 候 单 片 机 程 序 需 要 存 放 一 些 不 用 改 写 的 数 据 在 ROM 代 码 区, 这 些 数 据 不 是 代 码, 程 序 也 不 会 跳 到 这 个 地 方 当 成 代 码 来 执 行, 要 实 现 这 样 的 功 能 单 靠 单 片 机 指 令 也 是 很 麻 烦 MCU EDU 第 20 页 作 者 :Dai ShangJu

21 伪 指 令 能 很 好 的 解 决 这 些 问 题, 通 过 定 义 与 单 片 机 指 令 没 有 对 应 关 系 的 另 外 汇 编 指 令, 对 汇 编 程 序 进 行 结 构 上 的 控 制, 或 者 方 便 汇 编 语 言 实 现 一 些 特 殊 功 能 这 里 我 们 看 看 伪 指 令 如 何 来 解 决 前 面 函 数 放 在 指 定 地 址 和 程 序 代 码 区 放 数 据 所 遇 到 的 问 题 定 义 出 一 条 伪 指 令 ORG, 用 法 是 按 照 ORG xxxx 的 格 式 进 行,xxxx 是 一 个 用 来 表 示 地 址 的 数 字, 这 条 伪 指 令 的 作 用 是 让 编 译 器 在 编 译 的 时 候 将 其 后 面 相 临 的 代 码 放 在 xxxx 地 址 现 在 假 定 要 在 100 这 个 地 址 固 定 去 CALL func, 来 看 这 条 指 令 给 汇 编 语 言 编 程 带 来 的 不 同 无 伪 指 令 ORG 汇 编 代 码 写 法 : NOP NOP 靠 编 程 者 手 工 连 续 填 100 个 NOP CALL func 有 伪 指 令 ORG 汇 编 代 码 写 法 : ORG 0 可 以 写 代 码, 也 可 以 空 着, 如 果 写 代 码 该 部 分 不 能 超 过 地 址 100 ORG 100 ; 编 译 器 通 过 ORG 知 道 下 一 条 指 令 放 在 地 址 100 的 位 置 CALL func 图 伪 指 令 ORG 效 果 示 意 图 很 显 然, 用 到 ORG 伪 指 令 的 汇 编 代 码 要 精 简 许 多, 再 看 看 如 何 利 用 伪 指 令 在 代 码 区 放 数 据 定 义 出 一 条 伪 指 令 DB, 用 法 是 按 照 DB xx 的 格 式 进 行, 表 示 在 当 前 位 置 厨 房 xx 这 个 数 据 假 定 在 程 序 中 某 个 位 置 要 放 0 到 9 十 个 数 无 伪 指 令 DB 汇 编 代 码 写 法 : MCU EDU 第 21 页 作 者 :Dai ShangJu

22 从 指 令 表 中 查 出 0x00 对 应 的 指 令 放 在 这 里, 如 果 没 查 到 我 也 不 知 道 怎 么 做 从 指 令 表 中 查 出 0x01 对 应 的 指 令 放 在 这 里, 如 果 没 查 到 我 也 不 知 道 怎 么 做 从 指 令 表 中 查 出 0x09 对 应 的 指 令 放 在 这 里, 如 果 没 查 到 我 也 不 知 道 怎 么 做 有 伪 指 令 DB 汇 编 代 码 写 法 : DB 0 ; 编 译 器 通 过 DB 知 道 这 是 数 据 直 接 存 放 0x00 DB 1 ; 编 译 器 通 过 DB 知 道 这 是 数 据 直 接 存 放 0x01 DB 9 ; 编 译 器 通 过 DB 知 道 这 是 数 据 直 接 存 放 0x09 如 果 将 DB xx 增 强 到 支 持 DB xx, xx, xx 这 样 的 格 式 就 采 用 下 面 更 简 洁 的 用 法 DB 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 单 片 机 的 宏 定 义 也 是 一 种 伪 指 令, 和 其 它 的 伪 指 令 宏 的 最 大 特 点 是 被 用 做 替 换, 比 如 程 序 中 有 一 段 代 码 经 常 重 复 出 现, 这 段 代 码 又 不 适 合 用 函 数 来 实 现, 这 个 时 候 宏 就 被 排 上 用 场, 可 以 用 一 个 简 单 明 了 的 名 称 将 这 段 代 码 定 义 成 一 个 宏, 在 需 要 调 用 这 段 代 码 的 地 方 用 所 定 义 的 宏 来 表 示 不 同 的 单 片 机 汇 编 语 法 各 不 相 同, 这 里 用 一 段 C 为 蓝 本 的 伪 代 码 来 就 宏 的 用 处 进 行 说 明 #define USE_MACRO 定 义 使 用 宏 #ifdef USE_MACRO 通 过 这 个 宏 可 以 进 行 条 件 编 译, 编 译 只 选 择 一 种 代 码 编 译 #define SET_IOA0_OUTPUT_HIGH 读 回 IOA 输 入 输 出 方 向 设 置 指 令 \ 设 定 IOA0 为 选 择 输 出 指 令 \ 读 回 IOA 输 出 状 态 指 令 \ 设 定 IOA0 输 出 为 高 指 令 代 码 SET_IOA0_OUTPUT_HIGH 代 码 SET_IOA0_OUTPUT_HIGH 代 码 SET_IOA0_OUTPUT_HIGH 代 码 #else 代 码 读 回 IOA 输 入 输 出 方 向 设 置 指 令 MCU EDU 第 22 页 作 者 :Dai ShangJu

23 设 定 IOA0 为 选 择 输 出 指 令 读 回 IOA 输 出 状 态 指 令 设 定 IOA0 输 出 为 高 指 令 代 码 读 回 IOA 输 入 输 出 方 向 设 置 指 令 设 定 IOA0 为 选 择 输 出 指 令 读 回 IOA 输 出 状 态 指 令 设 定 IOA0 输 出 为 高 指 令 代 码 读 回 IOA 输 入 输 出 方 向 设 置 指 令 设 定 IOA0 为 选 择 输 出 指 令 读 回 IOA 输 出 状 态 指 令 设 定 IOA0 输 出 为 高 指 令 代 码 #endif 采 用 宏 和 不 采 用 宏 用 编 译 器 编 译 出 来 的 最 终 机 器 代 码 是 一 样 的, 只 是 在 程 序 中 显 示 方 式 繁 简 会 不 一 样, 对 比 两 种 方 式 所 写 的 程 序 代 码, 有 用 宏 的 程 序 代 码 要 简 洁 直 观 不 少 1.7. RAM/ROM 的 作 用 RAM 和 ROM 都 是 单 片 机 的 存 储 器, 先 通 过 两 个 图 来 解 释 存 储 器 的 实 现, 实 际 的 存 储 器 实 现 方 法 和 这 里 的 图 示 会 不 一 致, 但 基 本 原 理 相 同 图 十 六 位 宽 存 储 行 选 通 示 意 图 上 图 是 一 个 有 十 六 个 存 储 位 的 存 储 行,A[3:0] 四 位 地 址 做 为 一 个 4-16 译 码 器 输 入 端 会 让 该 译 MCU EDU 第 23 页 作 者 :Dai ShangJu

24 码 器 的 十 六 个 输 出 端 输 出 一 个 1, 其 余 全 为 译 码 器 的 十 六 个 输 出 端 分 别 控 制 十 六 个 电 子 开 关, 为 1 导 通 示 例 中 的 A[3:0]=0b0000,4-16 译 码 器 的 第 一 个 输 出 端 为 1, 外 部 数 据 线 被 连 接 到 存 储 行 的 bit0 上 图 *16 存 储 阵 列 选 通 示 意 图 将 这 个 原 理 实 现 的 存 储 行 进 列 扩 展, 只 有 对 应 行 列 4-16 译 码 器 输 出 端 都 为 1 时 才 连 通 对 应 存 储 位 到 外 部 数 据 线 上, 上 图 表 示 选 中 了 行 和 列 都 是 第 一 的 存 储 位 如 果 A[3:0] 和 A[7:4] 并 行 控 制 和 上 图 一 样 的 八 个 存 储 阵 列, 就 可 以 实 现 八 位 宽 的 数 据 读 写, 同 样 也 可 以 实 现 十 六 位 和 三 十 二 位 宽 的 数 据 读 写 这 样 就 可 以 将 存 储 器 理 解 成 一 个 存 储 阵 列, 由 地 址 线 决 定 数 据 线 和 里 面 哪 个 位 置 相 连 通, 设 计 的 时 候 一 般 都 尽 量 设 为 行 和 列 数 目 接 近 的 阵 列, 这 样 内 部 硬 件 电 路 实 现 起 来 要 简 单 一 些 上 面 16*16 存 储 阵 列 的 例 子, 只 需 要 两 个 4-16 译 码 器 就 可 以 实 现 行 列 地 址 译 码, 如 果 设 计 成 256*1 这 样 的 一 个 单 行 序 列, 则 需 要 十 六 个 4-16 译 码 器 才 能 实 现 地 址 译 码 ROM 里 面 存 储 的 内 容 只 能 读, 不 能 被 修 改, 断 电 后 内 容 不 会 丢 失,RAM 里 面 存 储 的 内 容 既 可 以 MCU EDU 第 24 页 作 者 :Dai ShangJu

25 读 也 可 以 被 修 改, 断 电 后 里 面 的 内 容 丢 失 RAM 实 现 的 电 路 要 比 ROM 复 杂, 这 样 同 样 大 小 的 RAM 和 ROM 相 比,RAM 需 要 更 多 的 电 路 才 能 实 现, 所 以 简 单 的 单 片 机 系 统 为 了 降 低 成 本, 大 都 只 提 供 少 量 的 RAM 空 间 供 程 序 使 用 通 常 来 说 单 片 机 程 序 都 是 存 放 在 ROM 里 面,RAM 则 是 用 做 程 序 运 行 所 需 的 变 量 但 不 要 有 这 样 的 误 解 :ROM 里 面 全 是 代 码,RAM 里 面 全 是 数 据 对 于 单 片 机 程 序 而 言, 程 序 包 含 代 码 和 数 据, 我 们 说 的 是 大 多 数 时 候 程 序 都 存 放 在 ROM 里 面, 这 样 就 是 代 码 和 数 据 大 都 存 放 在 ROM 里, 实 际 上 RAM 是 不 会 用 来 存 放 任 何 东 西 的,RAM 的 特 点 断 电 里 面 的 内 容 就 会 丢 失, 如 果 存 放 到 RAM 里 面 下 次 上 电 只 能 得 到 一 片 空 白 RAM 被 用 来 存 放 程 序 运 行 的 中 间 变 量, 这 些 中 间 变 量 只 在 程 序 运 行 当 中 起 作 用, 在 断 电 时 并 不 需 要 被 保 存 RAM 虽 然 不 能 存 放 代 码, 但 可 以 用 来 临 时 装 载 代 码 并 执 行, 嵌 入 式 系 统 代 码 都 是 从 ROM 装 到 RAM 中 后 才 被 执 行 的, 后 面 会 讲 一 个 利 用 RAM 来 动 态 装 载 不 同 程 序 代 码 运 行 的 例 子 一 些 简 单 的 单 片 机 并 不 提 供 真 正 的 RAM, 而 是 用 通 用 功 能 寄 存 器 来 当 RAM 用, 这 种 情 况 我 们 可 以 不 用 管 两 者 之 间 的 差 异, 直 接 把 通 用 功 能 寄 存 器 等 同 RAM 来 进 行 理 解 用 通 用 功 能 寄 存 器 来 当 RAM 用 的 单 片 机 为 了 处 理 上 的 方 便, 在 逻 辑 上 会 将 ROM 和 RAM 地 址 都 从 0 地 址 开 始, 两 者 并 行 重 叠, 读 ROM 和 RAM 用 不 同 指 令 来 进 行 区 分 1.8. 单 片 机 接 口 单 片 机 的 接 口 就 相 当 于 人 的 眼 耳 口 鼻 舌 手 脚 这 些 器 官, 单 片 机 通 过 接 口 来 与 外 部 交 换 信 息, 交 换 信 息 的 过 程 叫 通 讯 接 口 可 以 分 为 输 入 和 输 出, 单 片 机 通 过 输 入 接 口 可 以 知 晓 外 部 电 路 或 器 件 的 状 态 信 息, 通 过 输 出 接 口 则 可 以 将 它 的 程 序 思 想 告 诉 外 部 电 路 或 器 件 在 单 片 机 技 术 发 展 的 过 程 中, 人 们 发 现 如 果 对 接 口 制 定 一 些 规 则 会 更 利 于 技 术 的 发 展, 设 计 单 片 机 的 公 司 可 以 潜 心 在 单 片 机 构 架 等 方 面 发 展 单 片 机 技 术, 另 外 一 些 专 业 公 司 则 将 自 己 独 有 的 技 术 设 计 成 带 某 种 接 口 的 模 块, 各 自 发 挥 自 己 的 优 势 技 术 同 步 发 展, 于 是 大 量 的 接 口 标 准 被 制 定 出 来 需 要 支 持 的 接 口 越 多, 单 片 机 就 越 复 杂, 外 部 管 脚 也 会 越 多, 所 以 单 片 机 会 根 据 自 己 应 用 的 方 向 决 定 支 持 哪 些 接 口 象 IO UART SPI I2C I2S USB TFT CSTN SD MMC CF CSI 等 都 是 单 片 机 的 常 用 接 口 各 个 公 司 在 设 计 一 款 单 片 机 的 时 候, 会 根 据 这 款 单 片 机 的 主 要 应 用 方 向 除 了 IO 外 还 会 选 用 可 能 需 要 使 用 到 的 接 口, 比 如 现 在 有 一 款 除 了 IO 外 还 能 支 持 UART SPI I2C 这 三 种 接 口, 在 IO 之 外 再 将 这 三 种 接 口 独 立 的 加 进 去, 就 会 使 外 部 引 脚 增 多, 单 片 机 的 封 装 增 大 对 于 大 多 数 应 用, 不 会 将 这 三 种 接 口 同 时 用 上, 于 是 采 用 一 种 IO 复 用 的 方 法 来 保 证 单 片 机 引 脚 不 增 多, 就 是 内 部 有 这 些 模 块, 但 可 以 通 过 内 部 的 电 子 开 关 选 择 外 部 引 脚 来 选 是 普 通 IO 还 是 特 殊 接 口, 由 产 品 开 发 工 程 师 在 程 序 中 进 行 选 择 配 置 图 示 为 IO[1:0] 和 UART 复 用,IO[5:2] 和 SPI 复 用,IO[7:6] 和 I2C 复 用, 如 果 现 在 产 品 要 使 用 MCU EDU 第 25 页 作 者 :Dai ShangJu

26 UART 功 能, 但 不 需 要 SPI 和 I2C 功 能, 就 可 以 将 选 UART 的 电 子 开 关 设 置 成 选 UART, 选 SPI 和 I2C 的 电 子 开 关 设 置 为 选 IO, 这 时 单 片 机 的 管 脚 1~2 是 UART 的 TX 和 RX, 管 脚 3~8 是 普 通 IO 图 IO 复 用 示 意 图 IO 对 于 单 片 机 来 说, 最 基 本 的 接 口 无 异 是 IO( 现 在 开 始 流 行 叫 GPIO), 也 就 是 通 用 输 入 输 出 口 对 于 IO 口 用 做 输 出 时 只 能 输 出 高 低 电 压 两 种 状 态, 用 做 输 入 时 同 样 只 能 判 断 出 外 接 的 电 压 是 高 还 是 低, 功 能 虽 然 简 单, 但 数 字 处 理 器 也 只 能 处 理 1 和 0 两 种 状 态, 所 以 IO 口 对 外 的 逻 辑 控 制 上 非 常 实 用, 可 以 说 只 要 是 单 片 机, 就 一 定 会 提 供 IO 口 给 开 发 者 使 用 只 支 持 高 低 两 种 状 态 就 自 然 有 一 定 局 限 性, 在 有 些 时 候 对 于 一 个 单 片 机 应 用 系 统 会 希 望 控 制 更 精 细 一 些, 想 知 道 外 接 电 压 的 大 小 或 者 控 制 输 出 电 压 的 大 小 这 样 在 普 通 IO 的 基 础 功 能 上 进 行 扩 展, 出 现 带 ADC/DAC 功 能 的 IO 口, 带 ADC 功 能 IO 口 可 以 测 量 出 外 接 电 压 的 大 小, 带 DAC 功 能 的 IO 口 可 以 输 出 一 个 自 己 可 以 控 制 大 小 的 电 压 支 持 ADC/DAC 功 能 的 IO 口 内 部 的 电 路 结 构 要 复 杂 许 多, 而 且 一 个 电 子 产 品 并 不 是 每 个 IO 都 需 要 支 持 ADC/DAC 功 能, 所 以 有 的 单 片 机 可 能 没 有 IO 可 支 持 ADC/DAC, 或 者 是 只 有 少 数 的 IO 支 持 如 果 万 一 出 现 需 要 非 常 多 路 ADC/DAC 的 实 际 应 用, 可 以 选 择 专 门 的 ADC/DAC 芯 片 来 实 现 使 用 IO 的 时 候 会 遇 到 Tri-State Open Drain 等 不 同 的 驱 动 方 式, 到 底 有 什 么 不 同 数 字 电 子 技 术 基 础 一 书 中 有 详 细 描 述, 在 应 用 当 中 记 住 如 果 是 Open Drain 需 要 接 上 拉 电 阻, 否 则 不 能 正 常 输 出 高 电 平 MCU EDU 第 26 页 作 者 :Dai ShangJu

27 图 Open Drain 输 出 示 意 图 UART UART( 串 口 ) 是 用 来 进 行 异 步 串 行 通 讯 的 接 口, 了 解 这 种 接 口 之 前 需 要 知 道 什 么 是 异 步 串 行 通 讯 通 讯 是 两 方 或 者 多 方 进 行 信 息 沟 通, 最 基 本 数 字 通 讯 只 传 递 1 和 0 两 种 状 态, 通 讯 的 时 候 将 所 传 递 的 数 字 转 换 成 二 进 制, 再 依 次 进 行 传 送 比 如 我 们 现 在 想 传 送 0x12, 用 二 进 制 表 示 是 ( 低 位 ), 如 果 是 先 低 位 后 高 位 就 要 按 这 样 的 次 序 传 送 : , 这 就 是 串 行 方 式 对 于 单 片 机 的 UART 接 口, 比 电 脑 的 串 口 要 简 单, 只 需 要 三 条 线 就 可 以 进 行 通 讯, 负 责 发 送 的 TX 负 责 接 收 的 RX 和 地 线 GND 图 UART 通 讯 连 接 图 单 片 机 UART 采 用 的 是 TTL 电 平 信 号,TX 为 高 表 示 传 送 1, 为 低 表 示 传 送 0, 同 样 RX 为 高 表 示 当 前 接 收 1, 为 低 表 示 接 收 0 不 要 与 电 脑 的 RS232 所 采 用 的 负 逻 辑 混 淆 在 一 起,RS232 用 -5V 到 -15V 表 示 1,5V 到 15V 表 示 0,-5V 到 -15V 表 示 无 效 噪 声 ( 也 有 说 是 ±3V 到 ±15V), 为 什 么 用 这 么 一 个 奇 怪 的 反 向 电 压 来 表 示 1 和 0 的 原 因 不 明 ( 解 释 是 为 了 抗 干 扰 ) 因 为 存 在 这 样 的 差 异, 所 以 单 片 机 串 口 和 电 脑 的 串 口 进 行 通 讯 时 需 要 用 进 行 电 平 转 换, 比 如 MAX232 就 是 实 现 两 者 电 平 转 换 的 专 用 芯 片 回 过 头 来 接 着 解 释 异 步, 通 讯 是 一 方 把 信 息 传 给 另 外 一 方, 虽 然 我 们 规 定 是 按 次 序 一 位 一 位 的 MCU EDU 第 27 页 作 者 :Dai ShangJu

28 传 送, 但 还 不 能 让 发 送 方 发 送 的 信 息 被 接 收 方 准 确 解 读 如 果 发 送 是 每 一 位 持 续 时 间 为 一 秒, 接 收 是 每 一 秒 去 读 一 次 接 收 状 态, 这 样 是 双 方 是 可 以 正 确 传 送 数 据 ; 但 如 果 发 送 还 是 维 持 一 秒, 接 收 改 为 每 两 秒 去 读 一 次 接 收 状 态 呢? 显 然 双 方 此 时 不 能 正 确 传 送 数 据 这 样 就 要 求 规 定 双 方 在 收 发 数 据 位 时, 要 采 用 同 样 的 时 间 间 隔, 由 于 收 发 双 方 各 自 采 用 自 己 的 时 钟 基 准, 就 称 为 异 步 由 于 收 发 双 方 各 自 采 用 自 己 的 时 钟 基 准, 所 以 两 方 的 时 钟 会 不 相 同, 计 算 出 的 时 间 间 隔 自 然 会 有 差 异, 如 果 连 续 发 送 数 据, 这 个 差 异 会 被 累 加 下 去, 最 终 导 致 通 讯 出 错 比 如 发 送 方 用 自 己 的 时 钟 算 出 1 秒 的 间 隔 等 于 绝 对 时 间 的 0.9 秒, 而 接 收 方 刚 好 是 1 秒, 现 在 发 送 方 以 每 秒 一 个 位 的 次 序 连 续 发 送 数 据, 当 发 完 10 个 数 据 位 的 时 候, 绝 对 时 间 才 过 去 9 秒, 接 收 方 因 为 是 以 绝 对 时 间 1 秒 为 间 隔 去 读 接 收 状 态, 就 只 读 到 9 个 数 据 位, 显 然 已 经 出 错 另 外 只 定 义 高 为 1 低 为 0, 接 收 方 读 接 收 状 态 要 不 就 为 1 要 不 就 为 0, 这 样 接 收 方 无 法 知 道 发 送 方 是 不 是 在 发 送 数 据 图 时 间 间 隔 累 计 误 差 示 意 图 为 了 解 决 这 两 个 问 题, 对 异 步 串 行 通 讯 的 协 议 除 了 增 加 时 间 约 定 外 还 有 控 制 信 息 约 定, 这 就 是 我 们 常 见 用 串 口 通 讯 时 设 定 的 9600/n/8/1 此 类 参 数 规 定 平 时 空 闲 状 态 TX 保 持 高 电 平, 当 有 数 据 发 送 的 时 候 先 发 送 一 位 0, 接 收 方 检 测 到 这 个 0 就 知 道 发 送 方 开 始 发 送 数 据 双 方 约 定 好 每 个 位 的 时 间 宽 度, 然 后 从 低 位 开 始 以 这 个 宽 度 发 送 数 据 位, 数 据 位 发 送 完 毕 依 照 约 定 决 定 是 否 发 一 个 校 验 位, 最 后 发 送 一 个 约 定 宽 度 的 停 止 信 号 这 种 做 法 每 次 发 送 的 总 位 数 最 多 也 就 十 多 个, 两 边 时 间 间 隔 不 同 误 差 所 造 成 的 累 计 误 差 完 全 可 以 控 制 在 允 许 范 围 内, 从 而 保 证 不 出 错 9600/n/8/1 表 示 数 据 位 宽 是 1/9600 秒 无 校 验 位 8 位 数 据 位 1 位 停 止 位 图 UART 通 讯 时 序 图 异 步 串 行 接 口 除 了 UART 外 还 有 IRDA USB 等, 要 注 意 的 是 USB 可 支 持 非 常 高 的 数 据 速 率, 比 如 USB2.0 最 大 速 率 可 以 到 480Mbps, 这 在 传 统 的 串 行 通 讯 上 是 不 可 思 议 的 速 率, 其 传 输 信 号 与 传 统 MCU EDU 第 28 页 作 者 :Dai ShangJu

29 串 行 传 输 的 方 式 不 一 样, 是 采 用 两 条 信 号 线 差 分 驱 动 和 其 它 一 些 特 殊 技 术 来 实 现 高 速 率 传 输 同 步 接 口 异 步 串 行 通 讯 口 UART 需 要 在 使 用 上 另 外 增 加 一 些 约 定, 这 些 约 定 会 影 响 传 送 效 率, 而 且 发 送 方 和 接 收 方 的 时 钟 基 准 要 相 近, 即 便 如 此, 还 是 会 有 机 会 出 错 图 UART 发 送 0xFF 波 形 图 对 比 上 图 中 的 两 个 波 形, 如 果 TX/RX 定 义 为 8 位 数 据 位 无 校 验 1 位 停 止 位, 发 送 方 以 9600 的 波 特 率 发 送 0xFF, 如 果 接 收 方 将 波 特 率 定 义 为 9600, 显 然 能 正 确 接 收 到 0xFF 但 如 果 将 波 特 率 定 义 为 4800, 一 样 可 以 收 到 数 据, 而 且 数 据 也 是 0xFF 这 样 看 来 异 步 串 行 通 讯 出 错 的 风 险 还 是 比 较 高, 要 减 少 这 种 风 险, 就 要 在 时 间 基 准 上 想 办 法 解 决 方 法 就 是 增 加 同 步 控 制 信 号, 让 发 送 方 和 接 收 方 都 使 用 同 一 个 时 间 信 号 来 做 时 间 基 准,SPI 就 是 这 样 的 同 步 接 口 图 SPI 通 讯 连 接 图 和 UART 相 比,SPI 增 加 了 一 条 线 CLK, 这 条 线 是 时 钟 线, 由 主 设 备 给 出, 时 钟 线 CLK 每 高 低 变 化 一 次,MISO 就 输 出 一 个 数 据 位, 同 时 MOSI 读 入 一 个 数 据 位, 这 样 只 要 CLK 信 号 不 超 过 两 侧 设 备 的 最 高 限 制 速 度, 无 论 传 多 少 数 据, 都 不 会 出 现 类 似 UART 时 间 误 差 被 累 计 的 情 况 通 过 一 个 SPI 的 时 序 图 来 看 看 SPI 的 信 号 是 如 何 传 输 控 制 的, 忽 略 片 选 信 号 CSN 的 作 用, 这 个 时 序 图 显 示 该 SPI 接 口 在 CLK 的 上 升 沿 读 MOSI 状 态 得 到 当 前 输 入 数 据 位, 在 CLK 下 降 沿 向 MISO 输 出 当 前 数 据 位 MCU EDU 第 29 页 作 者 :Dai ShangJu

30 图 SPI 通 讯 时 序 图 SPI 接 口 发 送 方 和 接 收 方 都 通 过 这 个 CLK 的 上 下 跳 变 来 触 发 操 作, 也 就 是 收 发 一 个 一 个 数 据 位, 都 会 由 CLK 信 号 进 行 同 步, 这 样 就 即 使 数 据 无 穷 无 尽 的 收 发 下 去, 不 会 出 现 前 面 异 步 传 行 通 讯 所 遇 到 的 误 差 累 计 问 题 I2C 是 也 是 一 种 常 见 的 同 步 串 行 接 口, 和 SPI 的 区 别 是 SPI 收 发 是 两 条 独 立 的 信 号 线, 而 I2C 是 共 用 一 条,SPI 可 以 收 发 同 时 进 行, 但 I2C 同 一 时 刻 只 能 从 收 发 操 作 中 选 一 种 对 于 I2C 接 口 最 常 见 的 应 用 就 是 读 写 EEPROM,SPI 常 用 于 SPI FLASH 的 读 写 另 外 象 SIO I2S 等 也 都 是 同 步 串 行 接 口 用 时 钟 信 号 进 行 同 步 只 是 一 种 最 简 单 的 同 步 方 式, 有 些 时 候 单 独 用 时 钟 信 号 来 进 行 同 步 是 不 够 的, 比 如 CSI 这 类 数 字 视 频 接 口, 除 了 时 钟 信 号 同 步 外 还 有 场 同 步 行 同 步 信 号 并 行 接 口 与 串 行 通 讯 对 应 的 是 并 行 通 讯, 串 行 一 次 只 能 传 送 一 个 数 据 位, 并 行 则 可 以 传 送 多 个 数 据 位, 理 论 上 并 行 传 送 的 数 据 位 宽 是 多 少, 速 率 就 是 对 应 串 行 通 讯 的 多 少 倍 当 需 要 进 行 高 速 数 据 传 输 时, 并 行 接 口 就 被 排 上 用 场, 最 常 见 的 就 是 打 印 口, 不 过 单 片 机 一 般 不 支 持 打 印 口, 一 些 功 能 强 点 的 单 片 机 会 有 IDE CSI TFT SD CF 等 并 行 接 口 并 行 接 口 先 天 存 在 一 个 不 足, 因 为 用 途 就 是 高 速 数 据 传 输, 象 UART 为 了 避 免 时 间 误 差 的 累 计 而 增 加 起 始 位 这 样 的 做 法 会 严 重 影 响 其 高 速 性, 所 以 异 步 方 式 对 其 来 说 完 全 不 适 用, 只 要 是 并 行 接 口, 就 一 定 是 同 步 接 口 同 步 接 口 使 得 原 本 就 不 少 的 信 号 线 进 一 步 增 多, 高 速 性 则 限 制 了 信 号 线 的 长 度, 这 样 凡 是 同 步 接 口 的 设 备, 最 大 通 讯 距 离 都 不 长 AV 接 口 前 面 介 绍 的 都 是 数 字 接 口, 日 常 生 活 中 还 有 一 种 特 殊 的 接 口 应 用 非 常 广 泛, 就 是 视 听 产 品 所 带 MCU EDU 第 30 页 作 者 :Dai ShangJu

31 的 AV 接 口,AV 接 口 是 模 拟 接 口, 本 质 就 是 音 频 视 频 的 DAC 输 出, 音 频 DAC 除 了 增 强 功 率 输 出 外 和 DAC 并 无 太 大 区 别, 但 视 频 DAC 则 不 同, 内 部 采 用 的 DAC 是 依 照 电 视 信 号 标 准 专 门 设 计 的, 输 出 信 号 有 着 自 己 独 有 的 格 式 特 点, 具 体 细 节 请 自 行 查 阅 电 视 信 号 相 关 资 料 1.9. 接 口 驱 动 能 力 每 种 接 口 都 有 自 己 的 驱 动 能 力, 这 个 驱 动 能 力 又 分 成 电 气 性 能 的 模 拟 驱 动 能 力 和 扩 展 性 能 的 数 字 驱 动 能 力 接 口 驱 动 能 力 常 常 被 人 忽 视, 有 不 少 这 样 的 单 片 机 应 用 工 程 师, 在 完 成 产 品 开 发 后 问 他 所 用 接 口 的 驱 动 能 力, 他 会 一 脸 茫 然, 内 心 会 想 产 品 都 已 经 做 了 出 来 那 接 口 驱 动 能 力 肯 定 没 什 么 问 题, 用 不 着 关 心 接 口 驱 动 能 力 是 一 项 非 常 重 要 的 参 数, 在 规 划 设 计 可 对 系 统 进 行 功 能 扩 展 的 产 品 时 尤 显 重 要 如 果 工 程 师 在 设 计 产 品 的 初 期 阶 段 能 习 惯 性 地 去 考 虑 接 口 驱 动 能 力, 那 说 明 他 已 经 具 备 负 责 整 体 项 目 开 发 的 基 本 素 质 为 了 体 现 接 口 驱 动 能 力 的 重 要 性, 特 意 将 其 做 为 一 个 专 门 的 章 节 进 行 解 释 IO 接 口 模 拟 驱 动 能 力 IO 口 有 驱 动 能 力, 先 忽 略 IO 是 什 么 电 路 实 现 的 这 些 细 节, 做 个 小 实 验 来 看 看 IO 的 驱 动 能 力, 找 一 个 IO 口 可 以 直 接 输 出 高 低 电 压 的 单 片 机, 将 其 中 一 条 IO 输 出 高, 并 将 这 个 IO 口 接 一 个 电 阻 到 地, 改 变 这 个 电 阻 的 阻 值, 然 后 去 测 量 这 个 IO 口 的 输 出 电 压, 看 看 有 什 么 情 况 发 生 ( 详 见 完 整 版 ) UART 接 口 模 拟 驱 动 能 力 来 看 看 数 字 接 口 电 气 性 能 方 面 的 模 拟 驱 动 能 力,UART 因 为 是 靠 TX/RX 与 GND 之 间 的 电 压 高 低 来 表 示 1 和 0, 先 建 立 一 个 UART 通 讯 的 电 气 特 性 示 意 图 ( 详 见 完 整 版 ) I2C 接 口 数 字 驱 动 能 力 不 是 每 种 数 字 接 口 都 会 有 体 现 扩 展 性 能 的 数 字 驱 动 能 力, 这 里 以 I2C 接 口 为 例 进 行 讲 解 常 用 的 EEPROM 大 都 是 采 用 I2C 接 口, 它 支 持 多 片 EEPROM 进 行 并 联, 我 们 选 用 ATMEL 公 司 的 AT24CXX 的 资 料 来 做 分 析 ( 详 见 完 整 版 ) 方 便 实 用 的 中 断 每 个 周 末 丁 丁 小 朋 友 的 父 母 会 要 求 他 独 立 完 成 一 些 家 务, 来 培 养 他 的 劳 动 习 惯, 家 务 是 固 定 的 MCU EDU 第 31 页 作 者 :Dai ShangJu

32 三 件 事 情 : 烧 两 壶 开 水 炖 一 锅 排 骨 将 家 里 的 地 板 拖 一 遍 如 果 单 独 完 成 这 些 事 情, 烧 一 壶 开 水 大 概 需 要 十 分 钟, 炖 排 骨 大 概 二 十 五 分 钟, 拖 地 板 大 概 需 要 三 十 分 钟, 烧 开 水 只 要 等 水 开 了 倒 进 保 温 瓶 里, 排 骨 炖 好 后 关 掉 火 就 行 第 一 周, 丁 丁 小 朋 友 先 开 始 烧 水 和 炖 排 骨, 然 后 去 拖 地 板, 为 了 看 水 有 没 有 烧 开 和 排 骨 有 没 有 炖 好, 拖 一 会 地 板 就 要 停 下 来 跑 到 厨 房 去 看 一 看, 这 样 看 一 次 需 要 一 分 钟, 总 共 看 了 十 次, 四 十 分 钟 后 三 样 家 务 全 部 做 完 虽 然 四 十 分 钟 把 家 务 全 部 做 完, 但 丁 丁 小 朋 友 是 隔 几 分 钟 才 去 看 一 下 水 有 没 有 烧 开, 于 是 水 被 烧 开 了 一 会 丁 丁 小 朋 友 才 发 现, 水 烧 开 后 从 壶 里 溢 出 流 到 煤 气 灶 上, 有 点 危 险, 显 然 从 家 务 完 成 的 质 量 来 看 不 是 很 理 想 第 二 周, 丁 丁 小 朋 友 吸 取 了 上 周 的 经 验, 烧 水 换 用 水 烧 开 后 可 以 自 动 鸣 笛 的 壶, 排 骨 有 上 周 的 经 验 知 道 炖 二 十 五 分 钟 火 候 差 不 多, 于 是 炖 的 时 候 用 一 个 闹 钟 定 时 二 十 五 分 钟, 接 下 来 专 心 开 始 拖 地 板 大 约 十 分 钟 后, 第 一 壶 水 烧 开 鸣 笛, 丁 丁 小 朋 友 停 下 拖 地 板 去 把 水 倒 进 保 温 瓶 接 着 烧 第 二 壶, 继 续 拖 地 板 ; 又 过 了 大 约 十 分 钟, 第 二 壶 水 烧 开, 丁 丁 小 朋 友 同 样 处 理 ; 二 十 五 分 钟 时 间 到, 闹 钟 响 起, 丁 丁 小 朋 友 过 去 看 排 骨, 已 经 炖 好 于 是 关 火, 接 着 拖 地 板 ; 三 十 三 分 钟, 地 板 拖 完, 家 务 全 部 完 成 和 第 一 周 对 比, 时 间 少 用 了 七 分 钟, 而 且 水 一 开 就 去 倒 掉, 消 除 了 潜 在 危 险, 完 成 的 质 量 自 然 要 好 一 些, 看 来 日 常 生 活 中 的 一 些 事 情, 不 同 的 处 理 方 法 做 出 来 的 效 果 也 会 有 明 显 差 异 丁 丁 小 朋 友 做 家 务 的 例 子 对 应 单 片 机 同 时 需 要 处 理 几 个 工 作 任 务 的 两 种 基 本 方 法 : 轮 流 查 询 和 中 断 响 应 开 水 烧 开 了 不 马 上 处 理 就 会 有 危 险, 拖 地 板 被 打 断 有 延 时 不 会 发 生 什 么 意 外, 但 烧 开 水 只 要 把 水 倒 进 壶 里 烧 就 行, 烧 的 过 程 中 并 不 需 要 做 其 它 事 情, 拖 地 板 则 需 要 一 直 拖 到 全 部 地 板 拖 完 如 果 说 第 一 周 的 方 法 是 轮 流 查 询 那 二 周 的 方 法 就 是 中 断 响 应, 水 烧 开 鸣 笛 和 闹 铃 为 中 断 发 生 信 号, 从 丁 丁 小 朋 友 两 周 完 成 的 结 果 可 以 看 出 中 断 响 应 效 果 要 好 过 轮 流 查 询 MCU EDU 第 32 页 作 者 :Dai ShangJu

33 图 丁 丁 第 一 周 家 务 流 程 图 MCU EDU 第 33 页 作 者 :Dai ShangJu

34 图 丁 丁 第 二 周 家 务 流 程 图 序 言 中 就 说 过 单 片 机 技 术 是 一 门 实 用 工 程 技 术 学 科, 和 日 常 生 活 息 息 相 关, 正 是 为 了 应 付 丁 丁 小 朋 友 做 家 务 例 子 中 烧 水 炖 排 骨 这 类 问 题, 单 片 机 有 了 中 断 的 概 念 中 断 就 是 在 工 作 过 程 中 突 然 有 更 紧 要 的 事 情 去 要 去 处 理, 于 是 将 当 前 的 工 作 打 断, 处 理 好 更 紧 要 的 事 情 后 再 继 续 当 前 的 工 作 单 片 机 的 中 断 可 分 为 两 大 类 : 一 种 是 单 片 机 内 部 控 制 电 路 在 某 种 条 件 下 产 生 的 叫 内 部 中 断, 另 外 一 种 则 是 由 单 片 机 外 部 器 件 产 生 的 叫 外 部 中 断 丁 丁 小 朋 友 烧 水 和 炖 排 骨 对 于 他 是 两 个 独 立 的 外 部 事 情, 这 两 个 外 部 事 情 所 产 生 的 中 断 信 号 分 别 属 于 外 部 中 断 和 内 部 中 断 水 烧 开 是 水 壶 主 动 发 出 笛 声, 这 个 笛 声 和 丁 丁 小 朋 友 没 有 直 接 的 关 联, 他 不 知 道 具 体 会 在 什 么 时 候 响, 只 要 水 开 就 会 由 水 壶 产 生 并 传 到 丁 丁 小 朋 友 的 耳 朵 里, 笛 声 是 他 的 外 部 中 断 信 号 ; 闹 铃 是 丁 丁 小 朋 友 用 他 的 闹 钟 来 产 生 的, 和 炖 排 骨 没 有 直 接 联 系, 只 是 因 为 丁 丁 小 朋 友 知 道 排 骨 二 十 五 分 钟 可 以 炖 好 才 设 置 成 这 个 时 间, 他 自 己 是 知 道 闹 铃 什 么 时 候 会 响, 只 是 他 不 想 频 繁 地 去 看 时 间 才 用 闹 钟 定 时, 闹 铃 声 是 他 的 内 部 中 断 信 号 通 过 丁 丁 小 朋 友 做 家 务 的 例 子 我 们 明 白 了 中 断 的 原 理 和 方 法 : 单 片 机 在 工 作 的 时 候 往 往 需 要 处 理 多 个 事 情, 有 些 事 情 只 并 不 需 要 单 片 机 时 刻 进 行 控 制, 只 是 需 要 在 某 些 特 定 的 条 件 下 由 单 片 机 做 出 相 应 处 理, 有 些 事 情 则 需 要 单 片 机 花 比 较 多 的 时 间 逐 步 控 制, 一 旦 停 止 控 制 就 无 法 进 行 下 一 步 操 作, 中 断 的 引 入 可 以 让 单 片 机 面 对 这 样 的 问 题 时 有 更 高 的 工 作 效 率, 对 于 不 需 时 刻 进 行 控 制 的 事 情 在 需 要 被 干 预 时 发 出 中 断 信 号 让 单 片 机 来 进 行 相 应 处 理, 需 要 时 刻 控 制 的 就 由 单 片 机 主 程 序 循 环 持 续 控 制 单 片 机 中 断 分 为 内 部 中 断 和 外 部 中 断 两 大 类, 外 部 中 断 由 单 片 机 外 部 设 备 产 生, 中 断 产 生 后 通 MCU EDU 第 34 页 作 者 :Dai ShangJu

35 过 单 片 机 的 外 部 管 脚 传 递 给 单 片 机, 传 递 这 个 中 断 信 号 最 简 单 的 方 法 就 是 规 定 单 片 机 的 管 脚 在 什 么 状 态 下 有 外 部 中 断 产 生, 这 样 单 片 机 通 常 是 有 一 个 或 多 个 IO 口 当 在 输 入 状 态 时 可 以 用 来 检 测 外 部 中 断 信 号 有 外 部 中 断 产 生 的 条 件 通 常 也 就 是 这 五 种 :IO 口 输 入 为 高 IO 口 输 入 为 低 IO 口 输 入 由 高 变 为 低 IO 口 输 入 由 低 变 为 高 IO 口 输 入 由 高 变 低 或 者 由 低 变 高 一 个 连 接 到 单 片 机 的 外 部 设 备, 如 果 想 要 使 用 单 片 机 的 外 部 中 断, 就 必 须 在 自 己 请 求 单 片 机 中 断 响 应 的 时 候 给 单 片 机 提 供 单 片 机 在 这 五 种 信 号 中 所 支 持 的 类 型 来 触 发 单 片 机 中 断 程 序 运 转 中, 一 个 中 断 不 是 只 产 生 一 次, 一 般 都 会 间 隔 持 续 产 生, 这 五 种 外 部 中 断 触 发 信 号 前 四 种 都 有 一 个 问 题, 就 是 外 设 发 出 请 求 中 断 信 号 后 如 果 信 号 请 求 线 状 态 不 改 变, 外 设 会 无 法 向 单 片 机 提 供 下 一 次 中 断 请 求 信 号 让 我 们 来 看 看 以 单 片 机 和 外 部 设 备 采 用 负 跳 变 触 发 中 断 为 例 的 触 发 情 况 外 部 设 备 以 负 跳 变 触 发 单 片 机 中 断, 第 一 次 中 断 请 求 外 部 设 备 的 中 断 请 求 输 出 脚 可 以 从 高 变 低, 触 发 单 片 机 中 断, 第 一 次 中 断 请 求 发 生 后 中 断 请 求 脚 保 持 输 出 低, 外 部 设 备 无 法 产 生 第 二 次 中 断 的 触 发 负 跳 变 信 号 图 外 设 只 能 产 生 一 次 中 断 请 求 信 号 示 意 图 将 外 部 设 备 的 中 断 请 求 信 号 做 出 修 改, 原 来 为 需 要 中 断 时 只 是 输 出 从 高 到 低 变 化, 现 在 改 为 输 出 先 从 高 变 到 低, 经 过 一 小 段 时 间 后 自 己 从 低 变 回 高, 这 样 就 可 以 每 次 需 要 中 断 时 都 能 向 单 片 机 输 出 负 跳 变 触 发 信 号 MCU EDU 第 35 页 作 者 :Dai ShangJu

36 图 外 设 可 连 续 产 生 中 断 请 求 信 号 示 意 图 一 或 者 是 由 外 部 设 备 提 供 某 种 接 口, 单 片 机 通 过 该 接 口 可 以 对 外 部 设 备 进 行 中 断 清 除 操 作, 中 断 清 除 操 作 可 以 让 外 部 设 备 的 中 断 请 求 输 出 脚 恢 复 到 高 MCU EDU 第 36 页 作 者 :Dai ShangJu

37 图 外 设 可 连 续 产 生 中 断 请 求 信 号 示 意 图 二 外 部 中 断 触 发 还 有 一 些 特 殊 方 式, 比 如 外 部 脉 冲 宽 度 测 量 外 部 脉 冲 计 数 等, 这 些 方 式 都 是 在 前 面 几 种 基 本 触 发 方 式 上 进 行 功 能 扩 展 得 来 的, 外 部 脉 冲 宽 度 测 量 就 是 当 中 断 信 号 线 跳 变 时 会 启 动 内 部 一 个 计 时 器, 到 下 一 次 中 断 信 号 线 跳 变 时 通 过 计 时 器 得 到 脉 冲 宽 度 并 重 新 启 动 计 时 器, 这 些 方 式 很 少 会 使 用 到, 不 做 详 述 内 部 中 断 是 指 单 片 机 内 部 的 功 能 模 块 产 生 中 断 信 号, 只 要 是 单 片 机 内 部 在 CPU 外 围 能 独 立 工 作 的 功 能 模 块 都 会 提 供 中 断 功 能, 常 见 的 内 部 中 断 类 型 有 时 钟 Timer 串 口 UART 模 数 转 换 ADC 等 内 部 中 断 的 工 作 流 程 和 外 部 中 断 没 太 多 区 别, 只 是 中 断 请 求 信 号 是 在 单 片 机 内 部 进 行 传 输, 中 断 信 号 不 是 管 脚 上 的 电 平 状 态, 而 是 一 个 寄 存 器 里 面 的 相 应 标 志 位, 通 常 当 某 个 内 部 中 断 产 生 中 断 请 求 时 就 会 将 相 应 标 志 位 置 为 1,CPU 响 应 中 断 时 将 这 个 标 志 位 清 0 MCU EDU 第 37 页 作 者 :Dai ShangJu

38 图 内 部 中 断 触 发 示 意 图 单 片 机 对 中 断 标 志 位 的 处 理 方 法 没 有 统 一 标 准, 具 体 的 约 定 方 法 要 看 单 片 机 文 档 大 部 分 是 标 志 位 为 1 有 中 断 产 生, 但 有 少 数 单 片 机 是 标 志 位 为 0 有 中 断 产 生 ; 有 的 单 片 机 对 中 断 标 志 位 是 CPU 写 入 什 么 就 是 给 改 写 成 什 么, 有 的 则 是 规 定 必 须 通 过 写 1 或 写 0 来 实 现 清 除 操 作, 还 有 少 数 只 要 读 一 下 中 断 标 志 位 就 会 自 动 清 除 掉 该 标 志 位 如 果 单 片 机 不 想 被 外 部 中 断 触 发, 大 不 了 将 用 于 连 接 外 部 中 断 触 发 信 号 的 管 脚 接 成 不 会 触 发 中 断 的 电 压 状 态 就 可 以, 但 内 部 中 断 无 法 去 改 变 内 部 连 线, 所 以 单 片 机 为 了 可 以 选 择 中 断 是 否 可 以 被 除 法, 在 其 内 部 会 有 相 关 的 寄 存 器 来 进 行 选 择, 通 过 里 面 的 控 制 标 志 位 开 发 人 员 可 以 根 据 实 际 情 况 决 定 是 否 使 用 中 断 通 常 单 片 机 里 面 有 一 个 总 控 制 位, 这 个 位 可 以 控 制 所 有 中 断 的 开 与 关, 然 后 每 一 种 中 断 自 己 还 有 一 个 独 立 的 控 制 位 决 定 自 己 的 开 与 关, 如 果 想 使 用 某 个 中 断, 就 需 要 将 总 中 断 开 关 和 对 应 中 断 的 开 关 都 打 开 当 单 片 机 有 中 断 信 号 产 生 时, 就 会 触 发 对 应 中 断, 不 同 的 中 断 源 会 需 要 不 同 的 响 应 方 法, 也 就 是 说 不 同 的 中 断 产 生 的 时 候, 需 要 单 片 机 程 序 依 照 不 同 的 中 断 源 做 出 不 同 的 响 应, 这 就 是 中 断 服 务 程 序 如 果 是 UART 收 到 新 数 据 产 生 中 断, 应 该 是 UART 中 断 服 务 程 序 将 数 据 读 回 来 并 做 处 理, 如 果 是 ADC 转 换 完 成 产 生 的 中 断, 需 要 的 则 是 ADC 中 断 服 务 程 序 将 数 据 读 回 来 并 做 处 理 如 果 需 要 清 中 断 标 志 位 动 作, 一 般 都 是 在 中 断 服 务 程 序 里 面 完 成 不 同 的 中 断 源 需 要 与 之 对 应 的 中 断 服 务 程 序, 实 际 开 发 中 并 不 是 所 有 的 中 断 都 会 被 用 到, 开 发 人 员 为 了 节 约 程 序 代 码 空 间 会 只 写 出 自 己 要 使 用 到 的 中 断 服 务 程 序, 也 就 是 说 会 有 一 些 中 断 没 有 与 之 对 应 的 中 断 服 务 程 序, 如 果 触 发 了 这 样 的 中 断, 单 片 机 程 序 会 运 行 出 错, 前 面 中 断 各 自 独 立 的 控 制 位 就 排 上 用 场, 将 这 些 控 制 位 关 掉, 相 应 中 断 就 不 会 被 触 发 单 片 机 开 始 上 电 的 时 候, 如 果 控 制 中 断 是 否 被 打 开 的 寄 存 器 控 制 标 志 位 被 打 开, 可 能 会 出 现 中 断 被 误 触 发 的 情 况, 而 这 个 中 断 如 果 没 有 与 之 相 对 应 的 中 断 服 务 程 序 的 话 程 序 就 会 跑 飞, 所 以 单 片 机 上 电 的 时 候 一 般 会 自 动 将 这 些 寄 存 器 里 面 的 标 志 位 都 关 掉, 以 免 误 触 发 中 断 服 务 程 序 是 单 片 机 程 序 的 一 部 分, 具 体 内 容 由 开 发 人 员 决 定, 这 样 中 断 服 务 程 序 的 大 小 在 单 片 机 程 序 中 的 位 置 就 不 固 定, 当 单 片 机 的 中 断 被 触 发 后, 单 片 机 需 要 知 道 中 断 服 务 程 序 在 什 么 位 置 才 能 执 行 它, 单 片 机 通 过 中 断 跳 转 表 ( 中 断 向 量 表 ) 来 解 决 这 个 问 题 虽 然 中 断 服 务 程 序 的 大 小 和 在 整 个 程 序 中 的 位 置 会 不 固 定, 但 程 序 只 要 被 烧 进 单 片 机 系 统, 对 于 这 个 程 序 来 说 其 中 断 服 务 程 序 的 大 小 和 在 整 个 程 序 中 的 位 置 就 会 被 固 定 下 来, 如 果 对 单 片 机 程 序 空 间 分 配 我 们 做 出 一 些 约 定, 将 一 个 绝 对 固 定 地 址 专 门 分 配 给 中 断 使 用, 程 序 编 译 时 会 将 中 断 服 务 程 序 的 起 始 地 址 ( 或 者 是 跳 转 到 中 断 服 务 程 序 的 指 令 ) 填 到 这 个 绝 对 固 定 地 址 所 在 的 空 间, 当 中 断 产 生 时 候, 单 片 机 先 将 绝 对 固 定 地 址 所 在 位 置 里 面 的 内 容 读 出, 根 据 所 读 内 容 就 可 以 跳 转 到 中 断 服 务 程 序 MCU EDU 第 38 页 作 者 :Dai ShangJu

39 图 中 断 响 应 示 意 图 简 单 的 单 片 机 所 提 供 的 中 断 种 类 有 限, 为 了 简 化 程 序, 会 给 每 一 个 中 断 分 配 一 个 用 来 存 放 中 断 服 务 程 序 地 址 的 地 址 空 间, 这 种 方 法 其 实 没 什 么 不 好 的 地 方, 只 是 单 片 机 技 术 发 展 到 现 在 遇 到 了 瓶 颈, 高 端 单 片 机 越 来 越 复 杂, 于 是 一 些 专 业 厂 商 开 始 合 作 共 享 技 术 资 源, 例 如 ARM 公 司 利 用 他 们 在 CPU 架 构 体 系 上 的 技 术 优 势 专 门 给 另 外 的 厂 商 提 供 CPU 内 核, 另 外 的 厂 商 在 ARM 内 核 的 CPU 外 围 增 加 功 能 模 块, 这 些 功 能 模 块 大 都 支 持 中 断 MCU EDU 第 39 页 作 者 :Dai ShangJu

40 图 ARM 内 核 单 片 机 架 构 图 不 同 厂 家 在 相 同 CPU 内 核 基 础 上 设 计 出 来 的 单 片 机 外 围 的 功 能 模 块 会 各 不 相 同, 从 而 中 断 的 种 类 和 个 数 也 各 不 相 同, 而 CPU 处 理 中 断 的 方 法 是 一 样 的, 如 果 延 续 简 单 的 单 片 机 给 每 个 中 断 都 分 配 一 个 地 址 空 间 的 做 法 显 然 有 问 题,CPU 无 法 知 道 到 底 有 多 少 种 中 断 需 要 支 持, 这 些 中 断 又 分 别 对 应 什 么 模 块, 于 是 采 用 另 外 一 种 中 断 处 理 方 法, 将 所 有 中 断 地 址 都 指 向 同 一 个, 并 将 所 有 中 断 依 次 编 号, 中 断 产 生 时 候 CPU 会 告 诉 中 断 服 务 程 序 当 前 中 断 编 号 是 多 少, 然 后 中 断 服 务 程 序 根 据 中 断 编 号 做 出 相 应 响 应 MCU EDU 第 40 页 作 者 :Dai ShangJu