内容简介本书系统地介绍了 TI 公司的 MSP430 系列 16 位超低功耗单片机的内外围模块及其实用接口技术, 内容包括超低功耗单片机的设计原则,MSP430 单片机的特点 结构和指令系统,MSP430 单片机的开发环境,MSP430 单片机的片内外围模块的功能 原理 应用及各个系列模块的构成情况

Transcription

1 高等学校仪器仪表及自动化类专业规划教材 MSP430 系列超低功耗 单片机原理与系统设计 李智奇白小平 陈晓龙樊晓虹 编著 西安电子科技大学出版社

2 内容简介本书系统地介绍了 TI 公司的 MSP430 系列 16 位超低功耗单片机的内外围模块及其实用接口技术, 内容包括超低功耗单片机的设计原则,MSP430 单片机的特点 结构和指令系统,MSP430 单片机的开发环境,MSP430 单片机的片内外围模块的功能 原理 应用及各个系列模块的构成情况,MSP430 单片机应用系统的设计等 本书可作为高等院校自动化 仪器仪表及电子技术类专业的教材, 也可作为从事单片机应用开发工作的工程技术人员的学习参考书 本书配有电子教案, 需要者可与出版社联系, 免费提供 图书在版编目 (CIP) 数据 MSP430 系列超低功耗单片机原理与系统设计 / 李智奇等编著. 西安 : 西安电子科技大学出版社, 高等学校仪器仪表及自动化类专业规划教材 ISBN Ⅰ. M Ⅱ. 李 Ⅲ. 1 单片微型计算机,MSP430 系列 基础理论 高等学校 教材 2 单片微型计算机,MSP430 系列 系统设计 高等学校 教材 Ⅳ. TP368.1 中国版本图书馆 CIP 数据核字 (2007) 第 号 责任编辑曹昳云立实 出版发行西安电子科技大学出版社 ( 西安市太白南路 2 号 ) 电 话 (029) 邮编 http: // xdupfxb@pub.xaonline.com 经 销新华书店 印刷单位西安文化彩印厂 版 次 2008 年 1 月第 1 版 2008 年 1 月第 1 次印刷 开 本 787 毫米 1092 毫米 1/16 印张 字 数 506 千字 印 数 1~4000 册 定 价 元 ISBN /TN 0391 XDUP *** 如有印装问题可调换 *** 本社图书封面为激光防伪覆膜, 谨防盗版

3 前 言 单片微型计算机简称单片机, 是微型计算机的一个重要分支 单片机将微型计算机的主要部分集成于一个芯片中, 具有体积小 价格低 可靠性高的特点, 可以非常方便地配置在一块较小的电路板上并安装在各种装置的内部, 实现了微型计算机的嵌入式应用 单片机作为嵌入式应用的主角 ( 约占 70% 以上的份额 ), 在人们生活和生产的各个领域发挥着极为重要的作用 由于单片机具有体积小 功能强 应用面广等许多优点, 因此, 其不仅在工业中得到了广泛的应用, 而且已经渗透到了社会生活的方方面面, 如家用电器及其它电子产品等 目前, 以单片机为核心的控制系统正以空前的速度取代经典电子控制系统 经过多年的快速发展, 单片机的家族越来越庞大, 系列品种层出不穷, 在技术上也各具特色 近几年, 电子产品的低功耗设计越来越受到人们的重视 低电压与低功耗成为单片机技术发展的一个显著特点, 一些大的单片机厂商都推出了自己的低功耗产品, 如 TI 公司的 MSP430 系列 16 位单片机 MSP430 系列单片机是一个特别强调超低功耗性能的单片机品种, 它适合应用在要求极低功率消耗的场合 MSP430 系列单片机的处理器功耗 (1.8~3.6 V,0.1~400 μa,250 μa/mips) 和口线输入漏电流 ( 最大 50 na) 在业界都是最低的, 而且远低于其它系列产品 MSP430 系列单片机具有强大的处理能力, 指令速度最高可达 8 MIPS 同时,MSP430 系列单片机集成了 16 位多功能硬件乘法器 硬件乘 加 ( 积之和 ) 功能 DMA 等一系列先进的体系结构, 大大加强了它的数据处理功能和运算能力, 可以有效地实现一些数字信号处理的算法 MSP430 系列单片机还集成了多种功能模块, 包括定时器 模拟比较器 多功能串行接口 (SPI/IIC/UART) LCD 驱动器 12 位 ADC 和看门狗定时器 (WDT) 等 另外, 大部分 MSP430 系列单片机采用 FLASH 技术, 支持在线编程, 并有保密熔丝 其 BOOTSTARP 技术为系统软件的升级提供了又一种方便的手段,BOOTSTARP 有 32 个字节的口令字, 具有极高的保密性 学习单片机并掌握其设计应用技术已经成为当代电子 自动化 计算机应用等相关专业大学生必备的技能 单片机课程是电子 计算机 自动化等应用型专业学科学生必修的一门重要专业基础课程, 也是一门理论与实际密切结合的专业基础课 学生对该课程内容掌握的程度直接影响其专业课程的学习和专业技能的提高, 对于人才素质的培养起着举足轻重的作用 本书以 MSP430 系列单片机为例, 讲解上力求通俗易懂 全书共分 6 章, 主要从超低功耗单片机的特点和基本设计原则入手, 详细介绍了 MSP430 系列单片机的特点 结构 指令系统与程序设计, 以及各种外围模块和一些接口的原理与设计实例 第 1 章讲述了超低功耗单片机的特点和基本设计原则 ; 第 2 章简要介绍了 MSP430 单片机各系列的特点 ; 第 3 章讲述了 MSP430 单片机的内部结构特点, 其中包括单片机 CPU 存储器和外围模块

4 的结构与组织方式 ; 第 4 章介绍了 MSP430 单片机的指令系统及程序设计方法 ; 第 5 章讲述了 MSP430 单片机的各功能模块的原理和使用方法 ; 第 6 章给出了单片机常用器件的接口原理和单片机应用系统的设计方法及步骤 本书融合了编著者多年单片机教学和科研的经验, 内容上补充了很多最新的资料 书中的源程序代码都经过实际验证和测试, 应用举例和综合设计大多取之于我们的实际应用项目 本书在成稿过程中得到了西安电子科技大学赵建教授的大力支持和帮助, 还得到了西安电子科技大学出版社云立实老师的大力支持 同时, 西安电子科技大学饶鲜老师和硕士研究生赵继正 张论 周晓平 于光运等在本书的写作过程中也给予了很多帮助 在此对以上提到的所有人员表示衷心的感谢, 同时对鼓励 支持和帮助过我们的领导 同事 同行及朋友表示衷心的感谢! 由于时间仓促和水平有限, 书中难免有不当之处, 敬请广大读者批评指正 作者 2007 年 9 月于西安电子科技大学

5 目 录 第 1 章超低功耗单片机 超低功耗单片机概述 超低功耗单片机的概念 超低功耗单片机的特点 超低功耗单片机的应用领域 超低功耗单片机系统的设计原则 微处理器 MCU 的选择 IC 器件的选择 供电管理硬件设计 系统超低功耗的运行管理 软件设计...7 习题...8 第 2 章 MSP430 系列单片机简介 MSP430 系列单片机的发展与特点 MSP430 系列单片机的发展 MSP430 系列单片机的特点 MSP430 系列单片机的选型 MSP430 系列单片机的命名规则 MSP430 系列单片机的应用选型 几种常见 MSP430 系列单片机简介 MSP430 系列单片机的开发...26 习题...26 第 3 章 MSP430 系列单片机结构 MSP430 系统复位与中断的结构 MSP430 的系统复位 MSP430 的中断系统结构 MSP430 系列单片机的结构特点 程序计数器 PC 堆栈指针 SP 状态寄存器 SR 常数发生寄存器 CG1 和 CG

6 3.2.5 通用工作寄存器 MSP430 系列单片机的存储器结构和地址空间 程序存储器 数据存储器 外围模块寄存器...36 习题...38 第 4 章 MSP430 系列单片机的指令系统与程序设计 MSP430 指令系统概述 汇编语言语句格式 指令系统中的符号说明 指令的代码格式 无需 ROM 补偿的仿真指令 指令的时钟周期与指令长度 寻址方式 寄存器寻址 变址寻址 符号寻址 绝对寻址 间接寻址 间接增量寻址 立即寻址 指令系统介绍 数据传送类指令 数据运算类指令 逻辑操作类指令 位操作类指令 跳转与程序流程的控制类指令 堆栈指针寻址 汇编语言程序设计 应用程序设计基本知识 汇编语言伪指令 常用的汇编程序设计方法 常用码制转换程序设计 C 语言程序设计基础 IAR C430 语言基础 IAR C430 编译器支持的数据类型 IAR C430 表达式语句 IAR C430 的函数

7 4.5.5 IAR C430 的标准库函数 MSP430 的开发环境 Embedded Workbench 概述 IAR Embedded Workbench 使用指南...94 习题...97 第 5 章 MSP430 系列单片机片内外围模块 MSP430 系列单片机的时钟模块与低功耗结构 时钟模块 低功耗结构 MSP430 系列单片机的各种端口 MSP430 端口概述 端口 P0 P1 和 P 端口 P3~P 端口 TP 端口 COM 和 S 端口应用举例 定时器 看门狗定时器 基本定时器 位定时器 A 位定时器 B 硬件乘法器 硬件乘法器的结构 硬件乘法器寄存器 硬件乘法器的操作 硬件乘法器举例 FLASH 存储器模块 FLASH 存储器的结构 FLASH 存储器模块的控制寄存器 FLASH 存储器的操作 FLASH 模块操作举例 比较器 A 比较器 A 的结构 比较器 A 的寄存器 比较器 A 的中断 比较器 A 应用举例 DMA 控制器 DMA 控制器的结构

8 5.7.2 DMA 寄存器 DMA 控制器的操作 DMA 应用举例 MSP430 系列单片机的通用串行通信模块 USART 模块的结构 MSP430 系列通用串行通信模块的异步模式 MSP430 系列通用串行通信模块的同步模式 MSP430 系列通用串行模块的 I 2 C 模式 MSP430 系列单片机的模 / 数转换模块 ADC12 模 / 数转换模块 SD16 模 / 数转换模块 MSP430 系列单片机的数 / 模转换模块 DAC12 的结构 DAC12 的寄存器 DAC12 的操作 MSP430 系列单片机液晶驱动模块 液晶驱动模块功能结构 液晶驱动模块寄存器 LCD 的驱动方式 液晶驱动模块应用举例 习题 第 6 章 MSP430 系列单片机的应用 MSP430 系列单片机常用接口设计 键盘接口设计 数字显示系统设计 实时时钟芯片 DS1302 的接口设计 MSP430 系列单片机应用设计举例 单片机应用系统方案设计 数字温度测试仪 智能瓦斯测试仪 习题 附录 A MSP430 指令速查表 附录 B MSP430 系列单片机引脚说明 参考文献

9 第 1 章超低功耗单片机 1 第 1 章超低功耗单片机 1.1 超低功耗单片机概述 超低功耗单片机的概念单片机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的 单片机又称单片微控制器 (Single Chip Microcontroller), 它是将计算机的基本部件, 如中央处理器 CPU(Central Processing Unit) 随机存储器 RAM(Random Access Memory) 只读存储器 ROM(Read Only Memory) 定时器 / 计数器 中断控制 I/O 接口 串行接口等微型化并集成到一块芯片上的微型计算机 有些单片机除了集成了以上部件外, 还集成了其它功能模块, 如 A/D 与 D/A 转换器 液晶驱动等 随着电子技术的发展, 单片机片内集成的功能越来越强大, 并朝着 SOC( 片上系统 ) 方向发展 近几年, 电子产品的低功耗设计越来越受到人们的重视 低功耗成为单片机技术发展的一个显著特点, 一些大的单片机厂商都推出了自己的低功耗产品 如 Intel 公司的 80C31 系列 Atmel 公司的 89C51 系列 Motorola 公司的 MC68HC05/MC68HC11 系列 Philips 公司的 51LPC 系列 Microchip 公司的 PIC 系列等 随着现代电子技术的发展, 为了使系统的功耗进一步降低, 有些厂商已经开始研究生产超低功耗单片机, 如 TI 公司的 MSP430 系列 16 位单片机和 EM 公司的低功耗 8 位 FLASH 单片机 EM6812 等 超低功耗单片机是相对于普通单片机和低功耗单片机而言的 普通单片机的工作电压一般是 4.5~5 V, 而低功耗单片机的电压工作范围拓展到 3~6 V, 工作电流也降到毫安级 低功耗单片机同时还具有等待和休眠方式, 在休眠方式下, 电流可以降到微安级, 如 MCS-51 系列的 80C51B/87C51 在正常工作 (5 V,12 MHz) 时, 工作电流为 16 ma, 同样条件等待方式下, 工作电流为 3.7 ma, 而在休眠 (2 V) 时, 工作电流仅有 50 μa PIC16C5X 系列单片机是美国 Microchip 公司生产的 8 位 CMOS 单片机, 它的工作电压为 3.5~6 V, 运行时工作电流小于 2 ma, 待机时功耗电流小于 10 μa 超低功耗单片机是在低功耗单片机的基础上, 面向超低功耗应用而设计的 超低功耗单片机耗电非常小, 不论工作电压还是工作电流, 相比低功耗单片机都有了进一步的下降, 并能在低电压下工作, 采用多种节能工作模式, 工作电流也从毫安级降到了微安级, 一般在零点几微安到几百微安, 而且可以在较低频率下工作 比如 EM 公司的 EM6812 系列单片机可以在 2~5 V 电压下工作, 工作频率最低可以为 32 khz, 工作电流为 0.16~120 μa; 而 TI 公司的 MSP430X44X 的工作电压可以降到 1.8 V, 在 LPM3 方式下, 振荡器处于 32 khz, 工作电流只有 0.1~280 μa

10 2 MSP430 系列超低功耗单片机原理与系统设计 超低功耗单片机的特点超低功耗单片机除具有普通单片机的特点, 如工作稳定 成本低 易于产品化 实现了控制电路的超小型化以及 RAM ROM I/O 接口 串行口 A/D 等资源齐全的显著优点外, 还有电压低 功耗小以及可以低频率运行等一些优点, 适用于机电一体化设备 智能化仪器仪表以及现代家用电器的控制核心, 如电脑控制的洗衣机 录像机等 超低功耗单片机的特点可以归纳如下 : (1) 超低功耗设计 具有超低功耗是超低功耗单片机区别于普通单片机的一个显著特点, 超低功耗单片机耗电非常小, 一般在几百 μa/mips(mips 每秒执行百万条指令 ), 工作电压和工作电流均较低 (2) 高集成度的完全单片化设计 超低功耗单片机将很多外围模块集成到了 MCU 芯片中, 增大了硬件冗余 内部以低功耗 低电压的原则设计, 这样的系统不仅功能强 性能可靠 成本低, 而且便于进一步微型化和便携化 (3) 内部电路可选择性工作 超低功耗单片机可以通过特殊功能寄存器, 选择使用不同的功能电路, 即依靠软件选择其中不同的外围功能模块, 对于不使用的模块使其停止工作, 以减少无效功耗 (4) 具有高速和低速两套时钟 系统运行频率越高, 电源功耗就会相应增大 为了更好地降低功耗, 超低功耗单片机可采用几套独立的时钟源, 如高速的主时钟 低频时钟 ( 如 khz) 和 DCO 片内时钟 其可在满足功能需要的情况下按一定比例降低 MCU 主时钟频率, 以降低电源功耗 在不需要高速运行的情况下, 可选用辅助时钟低速运行, 进一步降低功耗 通过软件对相应功能寄存器进行设置, 可改变 CPU 的时钟频率, 或进行主时钟和辅助时钟切换 (5) 具有多种节能工作模式 超低功耗单片机具有多种节能模式, 为其功耗管理提供了极好的性能保证 超低功耗单片机的应用领域超低功耗单片机以其卓越的性能和较高的性能价格比, 使其在许多领域得到了越来越广泛的应用, 如对便携式智能检测控制仪器的开发 各种数据采集系统的开发 各种智能控制仪表的开发 各种节能装置的开发等 超低功耗单片机也可应用于产品的内部, 取代部分老式机械 电子零件或元器件, 以使产品缩小体积, 增强功能, 实现不同程度的智能化 超低功耗单片机的应用从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法, 其主要的应用有以下几个方面 (1) 工业控制方面 单片机的结构特点决定了它特别适用于各种控制系统, 如数据采集系统 工业机器人控制系统 机电一体化产品等 (2) 智能仪器仪表方面 超低功耗单片机已经开始越来越多地应用于各种仪器仪表中, 使仪器仪表的智能化程度得到了提高, 硬件结构得到了简化, 从而提高了仪器仪表的精度和准确度, 减小了体积, 提高了性能价格比 单片机在该领域的应用, 不仅使仪器仪表发生了根本的变革, 也给传统仪器仪表行业的改造带来了曙光 (3) 计算机网络及通信技术方面 超低功耗单片机中集成了通信接口, 因而使其在计算

11 第 1 章超低功耗单片机 3 机网络及通信设备中得以广泛应用 其不但可以用 BITBUS CAN 以太网等构成分布式网络系统, 还可以用于调制解调器 各种智能通信设备以及无线遥控系统等 (4) 日常生活方面 超低功耗单片机不但具有普通单片机的各种优良性能, 而且功耗很低, 能够省电节能, 可采用电池供电, 非常适合家用产品的开发, 如水表 电表 暖气表 家用防盗系统等 1.2 超低功耗单片机系统的设计原则 在设计超低功耗系统时, 除了要掌握一般单片机的设计原则外, 还要针对超低功耗单片机特有的电源电压 时钟频率以及静态功耗进行控制, 从设计上来保证系统的超低功耗 这就形成了 电源宜低不宜高, 时钟宜慢不宜快, 系统 ( 器件 ) 宜静不宜动 的三相宜原则 在硬件及软件设计时要注意以下五个问题 : = 微处理器 MCU 的选择 ; = IC 器件的选择 ; = 供电管理硬件的设计 ; = 系统低功耗的运行管理 ; = 软件设计原则 低功耗设计过程中的任何一个环节都不能忽视, 否则难于做到真正的低功耗 但是上述只是低功耗设计的一般原则, 对于具体的硬件 软件都是随着电子技术的发展而发展的 如低功耗器件, 以前认为是 低功耗, 而现在却未必 ; 以前要用一大堆分离器件构建的电路, 现在只需要一个芯片就可实现等 因此, 随时了解现代电子技术的发展动态和掌握最新电子元器件的使用, 对于一个便携式产品设计者来说是非常重要和有益的 微处理器 MCU 的选择要想实现超低功耗, 首先要选择具有超低功耗的单片机, 但是在选择 CPU 内核时切忌一味追求性能 选择的原则应该是 够用就好,8 位机够用, 就没有必要选用 16 位机 如今单片机的运行速度越来越快, 但性能的提升往往带来功耗的增加 复杂 CPU 的集成度高 功能强, 但片内晶体管多, 总漏电流大, 即使进入 STOP 状态, 漏电流也变得不可忽视 简单的 CPU 内核不仅功耗低, 而且成本也低 低电源电压和低时钟频率都对单片机的选择有很大的影响, 再加上各种单片机本身所具有的低功耗特性, 选择合适的单片机对降低整个系统的功耗大有益处 下面对一些具有超低功耗的单片机产品进行简单的介绍 1. TI 公司的 MSP430 系列单片机 TI 公司的 MSP430 系列单片机是一个超低功耗类型的 16 位单片机 它采用了 RISC 内核结构, 特别适合于应用电池的场合或手持设备 同时, 该系列单片机将大量的外围模块 ( 如液晶驱动器 看门狗 A/D 转换器 硬件乘法器 模拟比较器等 ) 集成到片内, 特别适合于设计片上系统 在超低功耗方面,MSP430 能够实现在 1.8~3.6 V 电压和 1 MHz 的时钟条件下运行, 耗电电流 (0.1~400 μa 之间 ) 因不同的工作模式而不同, 如在液晶显示的条件下, 其耗电只

12 4 MSP430 系列超低功耗单片机原理与系统设计有 0.8 μa MSP430 在应用中的典型情况有 : 在 4 khz,2.2 V 条件下工作消耗电流为 2.5 μa; 在 1 MHz,2.2 V 条件下工作消耗电流为 280 μa; 在只有 RAM 数据保持的低功耗模式下工作消耗电流只有 0.1 μa 在运算速度方面,MSP430 系列单片机能在 8 MHz 晶体的驱动下实现 125 ns 的指令周期 16 位的数据宽度以及采用多功能的硬件乘法器 ( 能实现乘加 ), 能实现数字信号处理的某些算法, 如 FFT 等 本书主要针对 MSP430 系列超低功耗单片机的原理和设计进行介绍 2. EM 单片机 EM 公司推出的超低功耗单片机有 EM6812 EM6603 EM6621 EM6680 EM6617 EM6540 EM6682 等一系列品种 如 8 位的超低功耗单片机 EM6812, 主要在以电池供电并长时间工作的产品中应用, 内置的掉电检测和电源检测功能可确保设备工作在低电压环境 EM6812 采用的是 RISC 内核结构, 执行每条指令只需 2 个时钟周期 在使用 5 MHz 晶振时,EM6812 能达到 2.5 MIPS 的速度, 并能达到 2200MIPS/W, 同时内部集成了看门狗 8 8 bit 硬件乘法器 16 个独立可编程双向 I/O 口 6 个大电流输出端口 ( 可达到 20 ma) SPI 接口 ( 软件可编程串口 ) 16 个内部寄存器 4 级堆栈等 在超低功耗方面,EM6812 能够在宽电压范围 (2.0~5.5 V) 内工作, 工作电流为 0.16~ 120 μa EM6812 的各参数因工作模式不同而不同, 典型情况有 :25 3 V 1 MHz 条件下, 工作电流为 120 μa;25 3 V 1 MHz 待机模式下, 当 RC 振荡器开启时, 工作电流为 6 μa, 当 RC 振荡器关闭时, 工作电流为 0.8 μa; V 32 khz 休眠模式下, 工作电流为 0.16 μa 除此之外,EM6603 的工作电压是 1.2~3.6 V, 在 3 V 32 khz 条件下, 工作电流为 1.8 μa, 其内部集成有 RC 振荡器 ROM RAM 定时器等;EM6621 的工作电压为 1.2~3.6 V, 在 3 V 32 khz 条件下, 工作电流为 2.6 μa, 其内部集成有 RC 振荡器 ROM RAM 定时器 PWM LCD DRIVER 等 ;EM6680 的工作电压是 1.2~3.6 V, 在 3 V 32 khz 条件下, 工作电流为 4 μa, 其内部集成有 RC 振荡器 ROM RAM 定时器 PWM 等 3. Motorola 单片机 Motorola 是世界上较大的单片机生产商之一, 其单片机具有品种全 选择余地大 新产品多的特点 它在低功耗的 8 位单片机中有 68HC05 和 68HC08 系列,16 位机有 68HC16 等十多个品种,32 位机有 683XX 系列 HCS08 系列单片机是 Motorola 最新的 8 位超低功耗单片机, 其工作电压为 1.8 V HCS08 系列单片机的性能与许多 16 位 MCU 相当, 但功耗很低 以 HCS08GT60 单片机为例, 其工作电压可以在 1.8~3.6 V 之间选择, 有 WAIT 和 STOP 两种低功耗模式 STOP 模式可细分为 STOP3 STOP2 和 STOP1 三种, 功耗依次降低 在 WAIT 模式下,CPU 停止运行, 但其它外围模块并不断电, 因此系统随时可以响应各种中断 在 STOP1 模式中, 唤醒 CPU 只能通过 IRQ 中断或复位信号, 由于无法提供时钟节拍, 内核的任务调度无法实现 而在 STOP2 和 STOP3 中,RTI 都可以作为系统的唤醒中断源, 内核可以使用 RTI 作为时钟节拍 STOP2 模式与 STOP3 模式相比功耗更低, 但是, 在 STOP2 模式下 I/O 寄存器是关闭的, 必须在进入模式之前将 I/O 寄存器的值保存在 RAM 中, 而在唤醒之后再从 RAM 拷贝到 I/O 寄存器 唤醒 STOP2 可以使用 IRQ 复位信号和 RTI 在 STOP3 模式下,RAM 和 I/O 寄

13 第 1 章超低功耗单片机 5 存器内容将保持 另外, 除 STOP2 模式允许的唤醒中断源外, 还允许键盘中断唤醒 CPU HCS08GT60 的三种 STOP 模式如表 1-1 所列 表 1-1 三种 STOP 子模式的特点模式 CPU/FLASH RAM ICG ATD KBI Regulator I/O RTI STOP1 关闭关闭关闭禁用关闭关闭复位值关闭 STOP2 关闭备用关闭禁用关闭备用锁存可选 STOP3 备用备用备用禁用可选备用锁存可选 4. Epson 单片机 Epson 单片机以低电压 低功耗和内置 LCD 驱动器为特点, 具有较高的性价比 其低功耗产品包括 4 位 8 位单片机 4 位单片机更是 舍全而从专, 从而具有更高的集成度 更低的功耗 比如,E0C60 系列 E0C62 系列以及 E0C63 系列均为 4 位单片机 E0C62 系列单片机集成了 ROM RAM LCD 驱动器 SVD 电源电压检测电路 ADC 单元 多功能定时器 多引脚 I/O 等 根据不同的用途可以选择不同的外围电路, 制成专用单片机 以 E0C6240 点阵 LCD 显示单片机为例, 该机工作电压为 2.2~5.5 V, 工作时电流为 80~1000 µa, 而等待时电流仅为 2~2.5 µa, 功耗极低 5. MICROCHIP 单片机美国微芯科技公司是全球领先的单片机和模拟半导体供应商 其 8 位和 16 位 PIC 单片机系列具有高性能 低成本和封装体积小等特点 8 位 PIC 单片机采用 RISC 内核, 其架构使用户无需改变代码或只需改变少量代码, 即可轻松地在 6 引脚至 100 引脚的各种封装形式的单片机系列之间移植 产品的高级特征包括 : 精密的定时外设, 集成模数转换器 (ADC), 通信外设, 在线串行编程技术以及包括 PEEC 闪存 EEPROM 一次性编程(OTP) 和只读存储器 (ROM) 等在内的存储技术, 且 8 位 PIC 单片机具有多种电源管理模式和较低的功耗 以 PIC18F6390 单片机为例, 其工作电压为 2.0~5.5 V 电源管理模式有运行 空闲 休眠三种 空闲模式时电流典型值降到 5.8 µa, 休眠时典型值为 0.1 µa IC 器件的选择作为一个完整的单片机应用系统, 如果想要整个系统的功耗都得以降低, 单靠单片机本身并不能完成, 其外围元器件的选择也相当重要 现在各大 IC 生产厂商几乎都在这类产品上有所发展 在模拟电路方面, 在满足其性能要求的同时, 尽量选用与单片机工作电源相匹配的低电源产品以及专为超低功耗系统设计的器件, 如超低功耗电源 A/D 转换器 D/A 转换器 放大器和存储器等 而显示屏自然也要选那些低电源电压和低功耗的液晶显示屏 超低功耗单片机需要的电源范围一般为 1.2~3.3 V, 生产超低功耗电源的厂家很多, 有 Holtek 公司 Telcom 公司等 为了满足超低功耗单片机的电源需要, 可采用电压变换器 电压变换器可分为升压式 DC-DC 变换器和降压式 DC-DC 变换器 超低功耗 A/D 和 D/A 转换器的生产厂家主要有 MAXIM 公司 AD 公司等, 其主要产品有 MAX1277/9 MAX1070/1 ADS1216 和 MAX520 AD5300 DAC8541 等 它们的工作电压基本上都在 2.7~3.6 V

14 6 MSP430 系列超低功耗单片机原理与系统设计运算放大器的选择需要多方面的综合考虑 如为了保持低消耗电流, 必须选择具有兆欧 (MΩ) 级阻值的反馈网络电阻器, 这就有可能影响放大级的噪声和准确度指标 同时, 超低供电电流放大器的运算速度一般都非常慢 ( 低带宽 ), 仅适合于速度较慢的信号, 为了获得较大的带宽, 就需要消耗更多的功率 在现有的运算放大器当中, 当静态电流给定后, 可获得的带宽是存在着显著的差异的, 在选择时要引起注意 由于其功耗很低, 所以输出电流受到限制, 从而导致其容性负载驱动能力下降 另外, 极低功耗运算放大器的噪声电平较高, 因而极大地限制了其在高精度应用中的推广使用 为了降低功耗, 使用中可采取启动 ( 停机 ) 功能来开启和关断放大器 常用的低电压低功耗的静态程序存储器有很多, 有静态存储器 NVRAM FRAM FLASH, 以及 Cypress 公司的 CY62XXXX 系列 HOLTEK 公司的非挥发存储器 OTP EPROM 系列 3-Wire EEPROM 系列 I 2 C EEPROM 系列等 其中, 静态存储器 NVRAM 具有掉电保存功能, 采用单 5 V 或者 3 V 供电, 功耗小于 5 mw, 微功耗型电流小于 20 μa, 常用的有 DCM 系列 HK 系列和 BS 系列等 新型超低功耗存储器 FRAM 具有掉电数据保存 读写速度快 超低功耗 擦写次数几乎无限等优点, 生产这类存储器的厂商很多, 有 Ramtron Motorola TI 松下 夏普和 NEC 等公司 对于数字电路, 一般都选 HCMOS 器件 仅从功耗角度考虑, 对于 74 系列芯片, 可选用 74HC 或 74HCT 系列 后者为 74LS 系列的每门功耗的百分之几或千分之几 对于 4000 系列芯片也可选用 HC 或 HCT 系列, 各种电路和器件的参数如表 1-2 所示 MAXIM 公司的比较器 MAX987/991,Philips 公司的 PCF8574 PCF8563 系列,ATMEL 公司的 24WC 系列 I 2 C 器件等都是 μa 级产品 表 1-2 各种电路和器件的参数电源电压范围 /V 输入电平 /V 输出电平 /V 参数电路 V CC V IH V IL V OH V OL LSTTL 4.5~ CMOS 3~18( 取 V CC =5) HCMOS 2~ 供电管理硬件设计降低单片机的供电电压可以有效地降低其功耗 当前, 单片机从与 TTL 兼容的 5 V 供电降低到了 3.3 V 3 V 2 V 乃至 1.8 V 供电电压的下降, 主要归功于半导体工艺的发展, 从原来的 3 μm 工艺到现在的 0.25 μm 0.18 μm 0.13 μm 工艺,CMOS 电路的门限电平阀值不断降低 低电压供电可以大大降低系统的工作电流, 但是由于晶体管的尺寸不断减小, 晶体管的漏电流有增大的趋势, 这也是对降低功耗不利的一个方面 在采用单电池电源时应实现多分支电源网络管理, 使得系统各功能模块的电源相对独立地供电, 在不工作时可以分别断电, 以节省功耗 在供电控制方式中的总线电源开关应选择一些具有导通电阻小 静态功耗小 开关速度快 驱动电流小的器件, 如可选择 MOSFET 同时还应选择具有可关断的 DC-DC 模块或电源总线开关 这样可以利用微机做到实时关断控制, 有利于独立供电支路功耗的管理

15 第 1 章超低功耗单片机 7 在电路设计中, 应对系统中电源泄漏电流进行检查, 其中包括系统电源泄漏 RC 泄漏 分布电路泄漏 保护电路泄漏 意外泄漏以及电源关断的防泄漏等 同时还须耐心地进行静态运行的全功耗测定与比较, 切实把系统功耗降到最低 除此以外, 还有其它一些应注意的问题, 如减少电路的分布电容, 在正常工作的情况下最大限度地加大各通路的阻抗等 系统超低功耗的运行管理系统超低功耗的运行管理指的是利用软件进行管理 结合硬件的设计, 应消除程序的无谓循环等待 超低功耗单片机都设有低功耗模式, 即系统的等待和休眠模式 而各种低功耗模式又可以通过中断方式回到活动模式 处于这类模式下的单片机功耗将大大小于运行模式下的功耗 当系统不工作时, 应使单片机及时进入低功耗模式 可选择关断 CPU 时钟或系统时钟, 对时钟的控制要做到忙时多用 闲时少用 不用关闭的原则 对于外围电路, 可通过 SHDN( 关断 ) 控制其工作时间 单片机内部的总电流消耗可分为运行电流和漏电流两部分 理想的 CMOS 开关电路在保持输出状态不变时是不消耗功率的 运行电流几乎是和单片机的时钟频率成正比的, 因此, 尽量降低系统时钟的运行频率可以有效地降低系统功耗 有以下几点值得注意 : = 选择尽可能低的工作频率作为系统时钟和信号频率 = 对电路中的其它用电模块进行电源管理, 结合硬件中外围模块的低功耗控制功能, 分别利用软件控制外围模块电源的开启和导通, 即根据工作需要接通相应模块的电源 例如, 对于串行通信程序, 不用反复检查中断标志位等待收发结束的方法, 而应采用临时唤醒 CPU 开中断进行通信, 结束通信后立即切断电源 = 对于 A/D 转换程序, 启动转换后不必等待, 而应进入外部中断的待机方式, 由转换结束中断信号唤醒 CPU = 对于显示器件, 显示程序最好采用静态显示方式, 而不宜采用动态扫描显示方式 显示过后, 可以关掉显示, 甚至关掉显示模块的振荡时钟 = 对于可程控的数字量输出的 IC 管脚, 因为需考虑驱动负载能力, 负载常接正电源, 所以在不工作时, 这些管脚要尽量控制输出为高电平 软件设计采用单片机作为控制部件时, 会存在低功耗软件设计问题 利用单片机的智能特性, 就是尽量用软件替代硬件 这样不仅简化了硬件设计, 而且对降低功耗也起到了重要的作用 利用单片机提供的闲置 掉电工作方式, 可尽量避免循环 查询 动态扫描等工作 单片机进入 节电 工作方式时,CPU 被冻结, 不执行程序, 只有中断系统 定时器和外部接口 ( 如串行通信口 数据采集口等 ) 仍在工作, 而这些外部接口可在单片机进入 节电 方式前将它们的电源关闭, 这样整个系统的功耗可降到正常工作的几百分之一, 节能效果非常理想 低功耗软件设计包括下面的内容 : (1) 延时子程序用定时中断实现 (2) 采用键盘扫描方式时, 扫描程序可以纳入外部中断服务程序 (3) 尽量减少 CPU 抗干扰中的冗余指令及软件陷阱, 散转程序中的逐次比较法等最好

16 8 MSP430 系列超低功耗单片机原理与系统设计不要采用 (4) 单片机的看门狗功能与电压侦测功能往往要消耗不少的电流, 应尽量取消这类功能, 尤其是进入低功耗状态之前, 一定要注意这类功能状态的设置 (5) 用 中断 代替 查询 一个程序使用中断方式还是查询方式对于一些简单的应用并不那么重要, 但在其低功耗特性上却相去甚远 当使用中断方式时,CPU 可以什么都不做, 甚至可以进入等待模式或停止模式 ; 而在查询方式下,CPU 必须不停地访问 I/O 寄存器, 这会带来很多额外的功耗 (6) 尽量减少 CPU 的运算量 减少 CPU 运算的工作可以从很多方面入手 : = 将一些运算的结果预先算好放在 FLASH 中, 用查表的方法替代实时计算, 以减少 CPU 的运算工作量, 这样可以有效地降低 CPU 的功耗 ( 很多单片机都有快速有效的查表指令和寻址方式, 用以优化查表算法 ); = 对于不可避免的实时计算, 应算到足够的精度就结束, 避免 过度 的计算 ; = 尽量使用短的数据类型, 尽量使用分数运算而避免浮点数运算等 (7) I/O 模块间歇运行 不用的 I/O 模块或间歇使用的 I/O 模块要及时关掉, 以节省电能 RS232( 串口 ) 的驱动需要一定的功率, 可以用单片机的一个 I/O 引脚来控制, 在不需要通信时, 应将驱动关掉 如果引脚没有初始化, 可能会增大单片机的漏电流, 不用的 I/O 引脚要设置成输出或输入, 用上拉电阻拉高 特别要注意有些简单封装的单片机没有把个别 I/O 引脚引出来, 对这些看不见的 I/O 引脚也不应忘记初始化 (8) 对于带有 FLASH 的单片机, 可以采用 宏 代替 子程序 程序员必须清楚, 读 RAM 会比读 FLASH 带来更大的功耗 正是因为如此, RAM 在低功耗性能突出的 CPU 设计上应改为仅允许一次子程序调用 因为 CPU 进入子程序时, 会首先将当前 PC 值压入堆栈 (RAM), 在离开时又将 CPU 寄存器弹出堆栈, 这样至少带来两次对 RAM 的操作 因此, 程序员可以考虑用宏定义来代替子程序调用 对于程序员, 调用一个子程序还是一个宏在程序写法上并没有什么不同, 但宏会在编译时展开,CPU 只是顺序执行指令, 避免了调用子程序, 唯一的问题是代码量的增加 目前, 单片机的片内 FLASH 越来越大, 对于那些不在乎程序代码量大的应用, 这种做法无疑会降低系统的功耗 习 题 1-1 超低功耗单片机的概念是什么? 1-2 超低功耗常用领域有哪些? 1-3 单片机和我们通常所用的微型计算机有什么区别和联系? 1-4 超低功耗单片机的设计基本原则有哪些?

17 第 2 章 MSP430 系列单片机简介 9 第 2 章 MSP430 系列单片机简介 MSP430 系列单片机是美国德州仪器 (TI)1996 年推向市场的一种 16 位超低功耗的混合信号处理器 (Mixed Signal Processor), 其中包括一系列器件, 针对不同的应用而由不同的模块组成 系列的全部成员均软件兼容, 可通过公共软件库 设计技术及开发工具, 方便地在系列中的各型号间移植 2.1 MSP430 系列单片机的发展与特点 单片机的一个主要特点是易于扩展, 如进行存储器 I/O 接口和一些常用外围设备接口的扩展 MSP430 系列具有多种型号, 各型号由这些基本片内外设按不同应用目标组合而成, 从而使 MSP430 系列产品的使用更加多元化 MSP430 系列单片机自推出以来, 因其性能卓越, 种类齐全, 用户可以根据应用需求选择合适的芯片, 使得这一系列单片机得到了迅速的发展 MSP430 系列单片机的发展 1996 年,TI 公司推出了 MSP430 系列单片机, 该系列单片机具有极低的功耗 丰富的片内外设和方便灵活的开发手段, 可以方便地构成各种超低功耗的单片机应用系统 MSP430 系列单片机的发展过程可以大致分为四个阶段 第一代 : 这一阶段以 1996 年推出的 MSP430 系列和到 2000 年初首先推出的 33X 32X 31X 等几个系列为代表, 其主要的技术特征是实现了低电源电压供电, 范围在 2.5~5.5 V 之间, 有 5 种节电模式, 采用了 16 位 RISC 结构, 使用外部单一 khz 晶体, 集成了 LCD 液晶驱动和 A/D 转换等, 有利于提高系统的集成度 EPROM 型的价格昂贵, 运行环境温度范围窄, 主要用于样机开发 这也表明了这几个系列的开发模式, 即用户可以用 EPROM 型开发样机, 用 OTP 型进行小批量生产, 而 ROM 型适应大批量生产 接着又推出了 11X 11X1 系列,MSP430 的 11X/11X1 系列采用 20 脚封装, 内存容量 片上功能和 I/O 引脚数比较少, 价格比较低廉 这个时期的 MSP430 已经显露出了它的超低功耗等一系列技术特点 其中,33X 系列具备片内串行通信接口 硬件乘法器 足够的 I/O 引脚等,32X 系列具有片内高精度 A/D 转换器 用户可以根据需要选择合适的芯片 第二代 : 这一阶段以 2000 年 7 月推出 F13X/F14X 系列为代表, 其主要技术特征是增加了 Flash 存储器, 同时又拓展了 I/O 接口 在 2001 年 7 月到 2002 年 TI 公司又相继推出了

18 10 MSP430 系列超低功耗单片机原理与系统设计 F41X F43X F44X 单片机 F41X 单片机是目前应用比较广的单片机, 它有 48 个 I/O 接口,96 段 LCD 驱动 F43X F44X 系列是在 13X 14X 的基础上, 增加了液晶驱动器, 将驱动 LCD 的段数由 3XX 系列的最多 120 段增加到 160 段, 并且相应地调整了显示存储器在存储区内的地址, 为以后的发展拓展了空间 这种以 Flash 技术与 FET 开发工具组合的开发方式, 具有方便 廉价 实用等优点, 给用户提供了一个较为理想的样机开发方式 另外,2001 年 TI 公司又公布了 BOOTSTRAP 技术, 利用它可在烧断熔丝以后只要几根线就可更改并运行内部的程序 这为系统软件的升级提供了又一方便的手段 BOOTSTRAP 具有很高的保密性, 口令可达到 32 个字节的长度 第三代 :TI 公司在 2002 年底和 2003 年期间又陆续推出了 F15X 和 F16X 系列的产品, 其主要技术特征是 RAM 容量大大增加, 如 F1611 的 RAM 容量增加到了 10 KB 这样可以突破 RAM 的限制, 将实时操作系统 (RTOS) 引入 MSP430 从外围模块来说, 增加了 I 2 C DMA DAC12 和 SVS 等模块 第四代 : 在 2003 年,TI 公司推出了专门用于电量计量的 MSP430FE42X 和用于水表 气表 热表上的具有无磁传感模块的 MSP430FW42X 单片机 在 2004 年,TI 公司还推出了 MSP430X2XX 系列, 该系列单片机片内外设进一步精简, 价格低廉, 适合做一些简单应用 近两年,TI 公司针对某些特殊应用领域, 利用 MSP430 的超低功耗特性, 推出了一些专用单片机, 用这些单片机来设计相应的专业产品, 可大大简化系统设计 MSP430 系列单片机的特点不同系列的 MSP430 单片机性能虽有不同, 但是总体特性相似, 概括如下 : = 五种省电模式,6 μs 内从待机模式唤醒 ; = 低电压供电 :1.8~3.6 V; 耗电电流 :0.1~400 μa ( 掉电工作模式 :0.1 μa; 待机模式 :0.8 μa); = 16 位 RISC 结构的 CPU 通过总线连接到存储器和外围模块 ; = 三个时钟模块可提供三种时钟信号 :ACLK MCLK SMCLK; = 多达 64 KB 寻址空间, 包括 ROM RAM Flash; = 多个 I/O 口 :P0~P10; = 仅 3 种指令格式, 全部为正交结构 ; = 共 7 种寻址模式, 可字或者字节寻址 ; = 具有多达 16 个中断源 ( 如定时器 串行口 P1 P2 WDT 等 ), 多级优先级, 可以实现中断嵌套 ; = 串行通信接口 USART 可设置为同步 (SPI) 异步(UART) 或 I 2 C 模式, 发送与接收有各自的中断入口地址 ; = 定时器有基本定时器 定时器 A 定时器 B 和看门狗定时器, 能实现事件定时 计数 PWM 等功能 ; = 具有 16 位看门狗功能 ; = 具有 A/D 转换器和 12 位的 D/A 转换器 ; = 集成 LCD 驱动器 硬件乘法器 比较器 DMA 控制器及 Scan IF 模块

19 第 2 章 MSP430 系列单片机简介 MSP430 系列单片机的选型 MSP430 系列单片机的种类繁多, 不同型号的单片机内部所含资源不同, 在实际应用中, 首先要根据具体情况选择容易实现设计目标且性价比高的单片机 MSP430 系列单片机的命名规则 MSP430 系列单片机种类繁多, 各类型芯片的命名规则如图 2-1 所示 图 2-1 MSP430 系列单片机的命名规则 例如 : 对于 MSP430F149, 其中 F 代表 FLASH 型,14 代表具有 ADC12 硬件乘法器等外围模块,9 代表存储器容量为 60 KB MSP430 系列单片机的应用选型 MSP430 系列单片机的主要特点是超低功耗, 所以在选用 MSP430 系列单片机设计系统时, 除了要考虑外围电路采用低功耗设计以外, 还要根据系统要求选择合适的 MSP430 系列单片机型号, 选型原则为够用即可 MSP430 系列单片机各种型号所涵盖的功能如表 2-1 表 2-2 表 2-3 所示

20 2-1 MSP430 ( ) (C)ROM (F)FLASH Program /KB SRAM /B I/O 16 bit Timer A B USART2 I 2 C DMA SVS BROWN -OUT RESET MPY Comp_A Temp Sensor ADC Ch/Res Additional Analog Package(s) MSP430F1101A slope 20 DGV, DW, PW, 24 RGE MSP430C slope 20 DW, PW, 24 RGE MSP430F1111A slope 20 DGV, DW, PW, 24 RGE MSP430C slope 20 DW, PW, 24 RGE MSP430F1121A slope 20 DGV, DW, PW, 24 RGE MSP430C slope 20 DW, PW, 24 RGE MSP430F /10 20 DW, PW, 32 RHB MSP430F /10 20 DW, PW, 32 RHB MSP430F slope 28 DW, PW, 32 RHB MSP430F slope 20 DW, PW, 32 RHB MSP430F /12 28 DW, PW, 32 RHB MSP430F /12 28 DW, PW, 32 RHB MSP430F /12 64 PM, PAG, RTD MSP430C slope 64 PM, RTD MSP430F /12 64 PM, PAG, RTD MSP430C slope 64 PM, RTD

21 (C)ROM (F)FLASH Program /KB SRAM /B I/O 16 bit Timer A B USART2 I 2 C DMA SVS BROWN -OUT RESET MPY Comp_A Temp Sensor ADC Ch/Res Additional Analog Package(s) MSP430F /12 64 PM, PAG, RTD MSP430F slope 64 PM, RTD MSP430F /12 64 PM, PAG, RTD MSP430F slope 64 PM, RTD MSP430F /12 64 PM, PAG, RTD MSP430F slope 64 PM, RTD MSP430F /12 (2)DAC12 64 PM, RTD MSP430F /12 (2)DAC12 64 PM, RTD MSP430F /12 (2)DAC12 64 PM, RTD MSP430F /12 (2)DAC12 64 PM, RTD MSP430F /12 (2)DAC12 64 PM, RTD MSP430F /12 (2)DAC12 64 PM, RTD MSP430F /12 (2)DAC12 64 PM, RTD MSP430F /12 (2)DAC12 64 PM, RTD MSP430F /12 (2)DAC12 64 PM, RTD

22 (C)ROM (F)FLASH Program /KB SRAM /B I/O 16 bit Timer USART2 A B 2-2 MSP430 ( ) USCI USI2 DMA SVS BROWN -OUT RESET MPY Comp_A+ Temp Sensor ADC Ch/Res Additional Analog MSP430F slope MSP430F slope MSP430F /10 MSP430F /10 MSP430F /16 MSP430F /16 MSP430F2101 1K slope MSP430F2111 2K slope MSP430F2121 4K slope MSP430F2131 8K slope Package(s) 14 PW,N, 16 RSA 14 PW,N, 16 RSA 14 PW,N, 16 RSA 14 PW,N, 16 RSA 14 PW,N, 16 RSA 14 PW,N, 16 RSA 20 DGV,DW, PW,24 RGE 20 DGV,DW, PW,24 RGE 20 DGV,DW, PW,24 RGE 20 DGV,DW, PW,24 RGE MSP430F /10 (2) OPAMP 30 DA,40 RHA MSP430F /10 (2) OPAMP 30 DA,40 RHA MSP430F /10 (2) OPAMP 30 DA,40 RHA

23 2-3 MSP430 ( ) (C)ROM (F)FLASH Program /KB SRAM /B I/O 16 bit Timer USART2 A B USART USCI2 LCD Segments DMA SVS Brown -Out Reset MPY Comp_A Temp Sensor ADC Ch/Res Additional Analog Package(s) MSP430F slope 64PM,RTD MSP430C slope 64PM,RTD MSP430F slope 64PM,RTD MSP430C slope 64PM,RTD MSP430F ,5 96 slope 64PM MSP430F ,5 96 slope 64PM MSP430FW ,5 96 slope Flow-meter 64PM MSP430FW ,5 96 slope Flow-meter 64PM MSP430FW slope Flow-meter 64PM MSP430F /16 DAC12 48DL,RGZ MSP430F /16 DAC12 48DL,RGZ MSP430F /16 DAC12 48DL,RGZ MSP430F /16 64PM MSP430F /16 64PM MSP430F /16 64PM MSP430FE /16 E meter 64PM

24 (C)ROM (F)FLASH Program /KB SRAM /B I/O 16 bit Timer USART2 A B USART USCI2 LCD Segments DMA SVS Brown -Out Reset MPY Comp_A Temp Sensor ADC Ch/Res Additional Analog Package(s) MSP430FE /16 E meter 64PM MSP430FE /16 E meter 64PM MSP430F /160 8/12 80PN,100PZ MSP430F /160 8/12 80PN,100PZ MSP430F /160 8/12 80PN,100PZ MSP430FG /12 (2)DAC12,(3)OPAMP 80PN MSP430FG /12 (2)DAC12,(3)OPAMP 80PN MSP430FG /12 (2)DAC12,(3)OPAMP 80PN MSP430F /12 100PZ MSP430F /12 100PZ MSP430F /12 100PZ MSP430FG /12 (2)DAC12,(3)OPAMP 100PZ MSP430FG /12 (2)DAC12,(3)OPAMP 100PZ MSP430FG /12 (2)DAC12,(3)OPAMP 100PZ MSP430FG /12 (2)DAC12,(3)OPAMP 100PZ

25 第 2 章 MSP430 系列单片机简介 几种常见 MSP430 系列单片机简介 MSP430 系列单片机种类齐全, 其中,MSP430X1XX 和 MSP430X2XX 使用方式灵活 控制简单 性价比较高 实际应用很广 ;MSP430X3XX 是 TI 推出的最早产品, 片内外设丰 富, 但未使用 FLASH 存储技术, 价格较高, 性价比略低 ;MSP430X4XX 既具有段式液晶 的驱动能力, 还具有一些 MSP430X1XX 产品所配备的 FLASH 存储器, 片外资源同 MSP430X3XX 一样丰富, 在设计 开发调试和实际应用中有较大优势 以下介绍 MSP430 系列单片机各种系列的具体特点, 各系列单片机引脚说明见附录 B, 读者可以根据具体用途 选择学习 1. MSP430X1XX 系列 MSP430X1XX 系列又可具体分为以下几个子系列 :MSP430X11X 系列 MSP430X12X 系列 MSP430X13X 系列 MSP430X14X 系列 MSP430X15X/MSP430X16X 系列 它们具 有以下共同特点 : (1) 16 位 RISC 结构,125 ns 指令周期 (2) 低电源电压范围 :1.8~3.6 V (3) 从等待方式唤醒的时间小于 6 μs (4) 配合外部器件可构成单斜边 A/D 转换器 (5) 串行在系统编程 (6) 安全熔丝的程序代码保护 除了以上特点, 各个子系列还具有其它特点, 具体介绍如下 1) MSP430X11X 系列 = 超低功耗 : 6 khz, 2.2 V; 250 MHz, 2.2 V = 五种节电模式 : 等待方式 :0.8 μa; RAM 保持的节电方式 :0.1 μa = 基本时钟模块配置 : 多个内部电阻, 一个外部电阻 ; 32 khz 晶振 ; 高频率晶振 ; 谐振器 ; 外部时钟源 = MSP430F1132 内有 10 位 200 kb/s 的 A/D 转换器, 自带采样保持 = 具有 3 个捕获 / 比较寄存器的 16 位定时器 该家族品种繁多, 具体如下所列 : (1) ROM 型的 MSP430C1111 MSP430C1121; (2) 可一次编程的 MSP430P112;

26 18 MSP430 系列超低功耗单片机原理与系统设计 (3) FLASH 型的 MSP430F110 MSP430F1101 MSP430F1101A MSP430F1111A MSP430F112 MSP430F1121 MSP430F1121A MSP430F1132; (4) EPROM 型的 MSP430E1121 MSP430X11X 系列的结构框图如图 2-2 所示 图 2-2 MSP430X11X 的结构框图 2) MSP430X12X 系列 = 超低功耗 : 3 4 khz, 2.2 V; MHz, 2.2 V = 五种节电模式 : 等待方式 :0.7 μa; RAM 保持的节电方式 :0.1 μa = 基本时钟模块配置 : 多个内部电阻, 一个外部电阻 ; 32 khz 晶振 ; 高频率晶振 ; 谐振器 ;

27 外部时钟源 = 具有 3 个捕获 / 比较寄存器的 16 位定时器 第 2 章 MSP430 系列单片机简介 19 = 串行通信接口可用于异步或同步 (UART / SPI) 通信 = 有 3 个并行端口 3) MSP430X13X 系列 = 超低功耗 : khz, 2.2 V; MHz, 2.2 V = 五种节电模式 : 等待方式 :1.6 μa; RAM 保持的节电方式 :0.1 μa = 基本时钟模块配置 : 高速晶振 ( 最高 8 MHz); 低速晶振 ( Hz); DCO = 配合外部器件可构成单斜边 A/D 转换器 = 12 位 200 kb/s 的 A/D 转换器, 自带采样保持, 多种转换方式 = 内部温度传感器 = 具有 3 个捕获 / 比较寄存器的 16 位定时器 Timer_A 与 Timer_B = 串行通信接口可用于异步或同步 ( 软件选择 UART / SPI 模式 ) = 6 个 8 位并行端口, 且 2 个 8 位端口有中断能力 = 片内 FLASH 存储器, 方便开发与调试 = JTAG 引脚单独引出, 不与 I/O 口线复用 4) MSP430X14X 系列 = 超低功耗 : khz, 2.2 V; MHz, 2.2 V = 五种节电模式 : 等待方式 :0.7 μa; RAM 保持的节电方式 :0.1 μa = 基本时钟模块配置 : 高速晶振 ( 最高 8 MHz); 低速晶振 ( Hz); DCO = 具有 3 个捕获 / 比较寄存器的 16 位定时器 Timer_A 与 Timer_B = 内部温度传感器 = 12 位 200 kb/s 的 A/D 转换器, 自带采样保持, 多种转换方式 = 串行通信接口可用于异步或同步 ( 软件选择 UART / SPI 模式 ) = 硬件乘法器

28 20 MSP430 系列超低功耗单片机原理与系统设计 = 多达 60 KB FLASH ROM 和 2 KB RAM MSP430X14X 系列的结构如图 2-3 所示 5) MSP430X15X/ MSP430X16X 系列 = 超低功耗 : khz, 2.2 V; 图 2-3 MSP430X14X 系列结构框图 MHz, 2.2 V = 五种节电模式 = 内置三通道 DMA = 具有 3 个捕获 / 比较寄存器的 16 位定时器 Timer_A 及 Timer_B = 12 位 200 kb/s 的 A/D 转换器, 自带采样保持, 多种转换方式 = 双 12 位 D/A 同步转换 = 串行通信接口可用于异步或同步 ( 软件选择 UART / SPI 模式 ) 2. MSP430X2XXX 系列 MSP430X2XXX 系列可分为 MSP430X20XX MSP430X21X1 MSP430X22XX MSP430X23X0 子系列 它们具有以下共同特点 : (1) 低电源电压范围 :1.8~3.6 V; (2) 五种节电模式 ; (3) 从等待模式唤醒的时间不超过 1 µs; (4) 16 位 RISC 结构,62.5 ns 指令周期 ; (5) 可在线编程, 不需要外部编程电压, 安全熔丝的程序代码保护 1) MSP430X20XX 系列 该系列又包括几个子系列 :MSP430X20X1 系列 MSP430X20X2 系列 MSP430X20X3 系列 它们具有以下共同特点 :

29 = 超低功耗模式 : 第 2 章 MSP430 系列单片机简介 21 活动模式 :220 MHz, 2.2 V; 等待模式 :0.5 µa; RAM 保持模式 :0.1 µa = 基本时钟模块配置 : 内部频率可达 16 MHz, 带有 4 个被校准频率, 精度可达 ±1%; 内部低功耗 LF 振荡器 ; 32 khz 晶体 ; 外部数字时钟源 = 带有 2 个捕获 / 比较寄存器的 16 位定时器 = 片内比较器配合其它器件可构成单斜边 A/D 转换器 (MSP430X20X1 ) = 10 位 200 kb/s 的 A/D 转换器, 自带采样保持 内参考源 自动扫描 (MSP430X20X2) = 16 bit 带有差分 PGA 输入 Σ-ΔA/D 转换器和内部参考源 (MSP430X20X3) = 通用串行通信 (USI), 支持 SPI 和 I 2 C (MSP430X20X2 和 MSP430X20X3) = BOR 掉电检测器 系列包括 :MSP430F2001,MSP430F2011,MSP430F2002,MSP430F2012,MSP430F2003, MSP430F2013 2) MSP430X21X1 = 超低功耗 : = 活动模式 :250 MHz, 2.2 V; = 等待方式 :0.7 μa; = RAM 保持的节电方式 :0.1 μa = 基本时钟模块配置 : 内部频率可达 16 MHz, 带有 4 个被校准频率, 精度可达 ±1%; 谐振器 ; 内部 HF 晶体可达 16 MHz; 外部数字时钟源 = 带有 3 个捕获 / 比较寄存器的 16 位定时器 = 片内具有模拟信号比较功能的比较器或斜边 A/D 转换器 (MSP430X20X1 only) = 10 位 200 kb/s 的 A/D 转换器, 自带采样保持 内参考源 自动扫描 (MSP430X20X2only) = 通用串行通信 (USI), 支持 SPI 和 I 2 C (MSP430X20X2 and MSP430X20X3 only) = 掉电检测 = 引导装载程序 = 片内仿真模块 = 可在线编程, 不需要外部编程电压, 安全熔丝的程序代码保护 系列包括 :MSP430F2101,MSP430F2111,MSP430F2121,MSP430F2131 3) MSP430X22XX 系列 = 超低功耗 : 活动模式 :250 MHz, 2.2 V;

30 22 MSP430 系列超低功耗单片机原理与系统设计 待机模式 :0.7 µa; 掉电模式 (RAM 数据保持 ):0.1 µa = 基本时钟配置 : 内部频率可达 16 MHz, 带有 4 个被校准频率, 精度可达 ±1%; 32 khz 晶体 ; HF 晶体可达 16 MHz; 谐振器 ; 外部数字时钟源 ; 外部电阻 = 带有 3 个捕获 / 比较寄存器 16 位 Timer_A 与 Timer_B = 通用串行通信接口 : 增强 UART 支持自动波特率检测 (LIN); IrDA 编码器和解码器 ; 同步 SPI; I 2 C = 10 位 200 kb/s 的 A/D 转换器, 带有内部参考源, 采样保持器, 自动扫描, 数据发 送控制器 = 两个可配置运算放大器 (MSP430X22X4) = 掉电检测 = 在线可编程, 不需要外部参考电压可编程保密熔丝来保护代码 = 引导装载程序 = 片内仿真模块 系列包括 :MSP430F2232,MSP430F2252,MSP430F2272,MSP430F2234,MSP430F2254, MSP430F2274 4) MSP430X23X0 系列 = 超低功耗 : 活动模式 :270 MHz, 2.2 V; 等待模式 :0.7 µa; RAM 保持模式 :0.1 μa = 硬件乘法器 = 基本时钟模块配置 : HF 频率晶体可达 16 MHz; 谐振器 ; 外部数字时钟源 = 外部电阻 = 带有 3 个捕获 / 比较寄存器 16 位 Timer_A 与 Timer_B = 通信串行通信口 : 增强 UART 支持自动波特率检测 ; IrDA 编码器和解码器 ;

31 第 2 章 MSP430 系列单片机简介 23 同步 SPI; I 2 C = 掉电检测器 = 在线可编程, 不需要可编程电压, 可编程的保密熔丝保护程序代码 = Flash 器件引导程序 = 片内仿真模式 系列包括 :MSP430F KB B Flash Memory 1 KB RAM,MSP430F KB B Flash Memory 2 KB RAM,MSP430F KB B Flash Memory 2 KB RAM MSP430F23X0 结构框图如图 2-4 所示 图 2-4 MSP430F23X0 结构框图 3. MSP430X3XX 系列 MSP430X3XX 系列又可细分为 MSP430X31X MSP430X32X 和 MSP430X33X 子系列, 其子系列的共同特点如下 : (1) 低电源电压范围 :2.5~5.5 V (2) 五种节电模式 : 备用模式 1.3 μa;ram 保持模式 0.1 μa (3) 从等待方式唤醒的时间 :6 μs (4) 16 位 RISC 结构,300 ns 指令周期 (5) 三态输出端口 (6) 配合外部器件可构成单斜边 A/D 转换器 (7) 使用外部单一 32 khz 晶体, 内部可得到 3.3 MHz, 内含频率锁定环 (8) 在系统串行编程

32 24 MSP430 系列超低功耗单片机原理与系统设计 (9) 安全熔丝的程序代码保护 除了以上特点, 各个子系列还具有其它特点, 具体介绍如下 1) MSP430X31X 系列 = 超低功耗 :400 1MHz, 3 V; = 64 段或 92 段液晶驱动 该系列器件有两种封装形式, 它们的结构框图 引脚定义稍有不同 48 引脚的 SSOP 封装 有 MSP430C311SIDL MSP430C315SIDL;56 引脚的器件有 MSP430C312IDL MSP430C313IDL MSP430C314IDL MSP430C315IDL MSP430C313IDL MSP430C315IDL 等 2) MSP430X32X 系列 = 超低功耗 :3 V,1 MHz 时耗电 400 μa, 备用时耗电可降到 0.1 μa = 内嵌液晶驱动电路, 驱动液晶多达 84 段 = 内部整合 12+2 位模数转换器 = 有 EPROM 版本器件 PMS430E325A MSP430X32X 系列的结构如图 2-5 所示 图 2-5 MSP430X32X 系列结构框图 3) MSP430X33X 系列 = 内嵌液晶驱动电路, 驱动液晶多达 120 段 = 16 位定时器带 5 个捕获 / 比较寄存器

33 = 内部硬件乘法器可执行 位的操作 4. MSP430X4XX 系列 第 2 章 MSP430 系列单片机简介 25 MSP430X4XX 系列又可细分为 MSP430X41X MSP430X43X 和 MSP430X44X 子系列, 这 3 种子系列的共同特点如下 : (1) 低电源电压范围 :1.8~3.6 V (2) 五种节电模式 (3) 从等待方式唤醒的时间不超过 6 μs (4) 片内频率锁相环 FLL+, 可使系统工作在稳定的频率上 (5) 16 位 RISC 结构,125 ns 指令周期 (6) 带有 3 个捕获 / 比较寄存器的 16 位定时器 (7) 片内比较器配合其它器件可构成单斜边 A/D 转换器 (8) 可在线系统串行编程 (9) 安全熔丝的程序代码保护 (10) FLASH 存储器 除了以上特点, 各个子系列还具有其它特点, 具体介绍如下 1) MSP430X41X 系列 = 超低功耗 : 活动模式 225 1MHz, 2.2 V; 待机模式 0.7 μa; 掉电模式 (RAM 数据保持 )0.1 μa = 集成 96 段液晶驱动器 2) MSP430X43X 系列 = 超低功耗 : 活动模式 280 1MHz, 2.2 V; 待机模式 1.1 μa; 掉电模式 (RAM 数据保持 )0.1 μa = 串行通信可软件选择 UART/SPI 模式 = 可编程电压监测器 = 驱动液晶能力可达 160 段 3) MSP430X44X 系列 = 超低功耗 : 活动模式 280 1MHz, 2.2 V ; 待机模式 1.1 μa; 掉电模式 (RAM 数据保持 )0.1 μa = 12 位 A/D 转换器带有内部参考源 采样保持 自动扫描特性 = 串行通信可软件选择 UART/SPI 模式 = 驱动液晶能力可达 160 段 MSP430X40X 的结构如图 2-6 所示

34 26 MSP430 系列超低功耗单片机原理与系统设计 图 2-6 MSP430X44X 结构框图 MSP430 系列单片机的开发 TI 公司提供的仿真工具通过接口与 PC 机连接, 由 JTAG 口连接目标板, 可方便地进行在线编程 软件仿真环境由第三方提供, 如 IAR, QUADRAVOX 公司等, 并有免费的限制版软件, 可以编译小于 4 KB 字的 C 语言程序 对于小型系统的开发或学习, 为降低成本, 可以在 TI 网站 ( 下载 习 题 2-1 MSP430 系列单片机最显著的特性是什么? 2-2 MSP430X4XX 系列单片机的主要特征是什么? 2-3 如何理解 MSP430 单片机的低功耗特性? 2-4 MSP430 系列单片机内部包含哪些主要功能部件? 2-5 在开发环境方面,MSP430 单片机与传统单片机相比有哪些显著优势? 2-6 MSP430 系列单片机应用选型的主要依据是什么?

35 第 3 章 MSP430 系列单片机结构 27 第 3 章 MSP430 系列单片机结构 单片机的功能取决于单片机的内部电路和指令系统 学习单片机首先要从了解其硬件电路结构和指令开始, 在此基础上掌握单片机接口技术和应用系统的开发 本章主要介绍 MSP430 系列单片机系统复位 中断 CPU 存储器和外围模块的结构与组织方式 3.1 MSP430 系统复位与中断的结构 单片机在工作之前都需进行复位, 以便使 CPU 以及其它功能部件均处于一个确定的初始状态, 并从这个状态开始工作 中断是单片机处理外部或内部紧急情况的重要手段, 单片机可以通过中断暂停原程序的执行, 转而为外围设备或内部紧急事件服务 ( 执行中断复位子程序 ), 并在服务完后自动返回原程序 本节主要介绍 MSP430 系列单片机的系统复位和中断结构的特点 MSP430 的系统复位 MSP430 的系统复位电路如图 3-1 所示, 它提供了两个内部复位信号 : 上电复位信号 (POR) 和上电清除信号 (PUC) 各种不同的事件能触发产生这些复位信号, 而根据不同的复位信号会产生不同的初始化状态 RST/NMI 图 3-1 POR 与 PUC 电路

36 28 MSP430 系列超低功耗单片机原理与系统设计 1. 系统复位的产生 POR 是设备复位信号, 它只在下面 3 种情况时产生, 即 : = 芯片上电 = RST /NMI 设置成复位模式, 在 RST /NMI 引脚上出现低电平信号 = 在 PORON=1,SVS 为低的条件下 ( 对个别有供电电压管理模块的器件有效 ),POR 信号的发生总是会产生 PUC 信号, 但是 PUC 信号的发生不会产生 POR 信号 下面几种情 况会触发 PUC: (1) 发生 POR 信号 (2) 处于看门狗模式下, 看门狗定时器时间到 (3) 在看门狗模式下, 看门狗定时器溢出 (4) FLASH 存储器写入错误的安全键值 (5) 看门狗定时控制器写入错误安全键值 POR 信号与 PUC 信号 若 POR 信号有效, 则必然产生一个系统复位中断,PUC 信号 的产生并不一定产生系统复位中断 当 PUC 信号有效时, 系统可能发生复位中断, 也可能 不发生复位中断, 而产生一个较低优先级的中断, 这取决于引起 PUC 的事件 每一型号的 技术手册中都详细说明了产生中断的原因, 这些产生中断的因素是恰当的处理全部中断请 求时所要考虑的 如果 V CC 的加载上升时间较慢 ( 如图 3-2 所示 ), 则 POR 检测电路保持 POR 信号有效, 直到 V CC 上升超过 POR 电平 这样, 同样也保证了正确的初始化 如果供电 V CC 加载的是 快速上升时间, 则 POR 信号会提供足够长的延时时间, 以保证各部分的电路在上电后的正 确初始化 当 RST /NMI 设置成复位模式时, 在 RST /NMI 引脚上出现低电平信号 图 3-2 POR 上电复位时间如果芯片上电是周期性的, 则掉电时 V CC 必须降低到 V min, 以保证 V CC 再次加载发生新的 POR 信号 如果在一个周期中 V CC 没有下降到低于 V min, 或者发生干扰, 那么 POR 信号就不发生, 这样上电状态将不能正确设置 对于有些器件,POR 检测和 POR 延迟电路由 BOR 复位电路的 ( 参照器件手册 ) 代替, BOR 复位电路检测供电电压的水平, 如当 V CC 引脚在加电或去除电压时, 通过触发 POR 信

37 号,BOR 电路可以复位单片机 2. 系统复位后的设备初始化 第 3 章 MSP430 系列单片机结构 29 在 POR 或 PUC 信号引起设备复位后, 系统的初始状态如下 : (1) I/O 引脚切换成输入模式 (2) I/O 标识位清除, 见有关 I/O 章节的说明 (3) 其它外围模块及寄存器实现初始化, 见相应各章的说明 (4) 状态寄存器复位 (5) 看门狗定时器定义为看门狗模式 (6) PC 装入 0FFFEh 处的地址值,CPU 从这一地址开始执行 I/O 引脚初始化 I/O 引脚及标志仅在上电时发生初始化 在 MSP430 上电后或运行中, 在 RST /NMI 引脚上 ( 在复位模式下 ) 加复位信号对各 I/O 引脚没有影响 在发生系统复位后, 用户程序可以通过各种标志来确定复位源, 以做相应的处理 MSP430 的中断系统结构 MSP430 有 3 类中断 : = 系统复位 = 可屏蔽中断 (maskable) = 非屏蔽中断 (non-maskable) 引起可屏蔽中断的来源有 : = 当看门狗定时器选定时器模式, 发生定时器溢出 = 其它具有中断能力的模式发生中断事件 ( 非 ) 屏蔽中断是无法屏蔽的, 即无中断允许控制位, 通用中断允许位 (GIE) 也不会对它 产生影响 ( 非 ) 屏蔽中断不能用通用中断允许位 (GIE) 屏蔽, 但是可以用各自的中断允许位控制 当一个 ( 非 ) 屏蔽中断请求被接受时, 相应的中断允许位就自动复位, 因此也禁止了新的中断 请求 RETI( 从中断服务程序返回 ) 指令不影响相应的 ( 非 ) 屏蔽中断的允许位, 因此必须用软 件在中断服务程序中的 RETI 指令前将中断允许位置位 ( 非 ) 屏蔽中断可由下列条件产生 : = 当选择 NMI 模式时, RST /NMI 引脚产生跳变沿 = 当振荡器失效中断允许时, 发生时钟失效 = 当非法访问中断允许时, 发生对 FLASH 存储器的非法访问 1. MSP430 中断优先级 各模块的中断优先级结构见图 3-4, 优先级由模块连接链决定, 越接近 CPU/NMIRS 的 模块中断优先级越高 非屏蔽中断源的原理见图 3-5 因为作用在同一个引脚 RST /NMI 上, 复位和 NMI 功能 只能交替工作 相关的控制位位于 WDT 控制寄存器 (WDTCTL) 内, 也有安全键值保护

38 30 MSP430 系列超低功耗单片机原理与系统设计 图 3-4 中断优先级结构 图 3-5 非屏蔽中断源

39 第 3 章 MSP430 系列单片机结构 RST /NMI 的 NMI( 非屏蔽中断 ) 功能如果选择复位功能, 则当 RST /NMI 引脚保持为低时,CPU 一直保持复位状态 当引脚电平变高时,CPU 从 0FFFEh( 复位向量 ) 所含的地址开始执行程序 当 NMIIE=1 时, 如果设置 RST /NMI 引脚为 NMI 功能, 则一个按 WDTNMIES 规定的触发沿会产生 NMI 中断, 程序将从 0FFFCh 所含的地址处重新开始执行, 并且 SFR 中的 RST /NMI 标志 (IFG1.4) 也被置位 当选择 NMI 模式时, 产生 NMI 事件的信号不可以将 RST /NMI 引脚保持在低状态, 除非打算进入复位 当在引脚上发生 NMI 事件时,PUC 信号成为有效, 这样会将 WDTCTL 中的各位复位 这将使 RST /NMI 引脚进入复位模式 如果产生 NMI 的信号仍保持为低, 则会使处理机进入复位状态 当选择 NMI 模式, 并改变 NMI 沿选择位时, 根据 RST /NMI 引脚上的实际电平可能发生一次 NMI 但是, 如果在 NMI 模式选择前改变 NMI 的边沿选择位, 就不会发生 NMI NMI 中断可以用 NMIIE 位屏蔽 3. 振荡器失效控制振荡器失效信号对可能由晶振引起的错误发出警告 当 LFXT1 振荡器设置成高速模式但未起振 振荡器工作停止或者将振荡器关闭时, 都会触发振荡器失效信号 对于有 XT2 振荡器的型号, 也会因同样的条件引起振荡器失效 一次 PUC 信号会触发一次振荡器失效, 因为 PUC 信号会将 LFXT1 切换到低速模式, 即关闭了高速模式 同样,PUC 信号也会将 XT2 振荡器关闭 用 SFR 中的 OFIE 位允许振荡器失效信号产生 NMI 可以在 NMI 的中断服务程序中通过对 SFR 中的 OFIFG 位的测试来判断 NMI 是否由时钟实效引起 3.2 MSP430 系列单片机的结构特点 MSP430 系列采用 冯 诺依曼 结构,ROM 和 RAM 在同一地址空间, 使用一组地址数据总线 中央处理器 CPU 采用精简的高度正交化指令系统, 可以实现直接的存储器到存储器间访问 它是由一个 16 位的 ALU( 算术逻辑运算单元 ) 16 个寄存器和一套指令控制逻辑组成的, 如表 3-1 所示 16 个寄存器中有 4 个寄存器有特殊用途, 即程序计数器 PC 堆栈指针 SP 状态寄存器 SR 以及常数发生器 CG1 CG2 除了 R3/CG2 和 R2/CG1 外, 所有寄存器都可用作通用寄存器, 并在所有指令操作中使用 常数发生器用于指令执行时提供常数, 而不是用于存储数据 表 3-1 MSP430 CPU 中的 16 个寄存器寄存器功能 R0 R1 R2 R3 程序计数器 PC 堆栈指针 SP 状态寄存器 SR/ 常数发生器 CG1 常数发生器 CG2

40 32 MSP430 系列超低功耗单片机原理与系统设计 续表 寄存器功能 R4 R5 Μ R13 R14 R15 工作寄存器 R4 工作寄存器 R5 Μ 工作寄存器 R13 工作寄存器 R14 工作寄存器 R 程序计数器 PC 程序计数器 PC 是 CPU 中最基本的寄存器, 它的宽度决定了程序存储器可以直接寻址的范围 在 MSP430 中, 程序存储器 PC 是 16 位的计数器, 最多可以直接寻址 64 KB 存储空间 PC 中存放的是将要执行的下一条指令的地址 指令根据其操作数的多少, 其长度分别为 1 2 或 3 字长 PC 内容总是偶数, 指向偶地址 程序计数器 PC 可以像其它寄存器一样用所有指令和所有的寻址方式访问, 但对程序存储器的访问必须以字为单位, 否则会清除高位字节 PC 变化的轨迹决定程序的流程, 一般情况下, 程序计数器 PC 自动增 2, 只有执行条件或无条件转移指令 调用指令或响应中断时, 程序计数器 PC 才被置入新的数值, 程序的流程发生变化 堆栈指针 SP MSP430 的堆栈遵循的是先进后出的原则, 可以在中断处理 子程序调用或者函数调用过程中保存程序的指针 参数寄存器等 在系统调用子程序或响应中断时, 系统堆栈用来保护当前指令地址程序计数器 PC 中的内容, 即断点地址 程序断点 16 位地址会自动压入堆栈, 由于系统堆栈指针 SP 总是对准偶地址的, 因此, 在中断服务中以字访问堆栈 堆栈采用先减后加的方案, 当数据入栈时, 总是先将堆栈指针 SP 值减 2, 然后再将数据送到 SP 所指的 RAM 单元 在中断服务程序或子程序结束时, 执行中断返回或子程序返回指令, 原断点地址会自动从堆栈中弹出送回到程序计数器 PC 中, 使程序从原断点处继续顺序执行下去 堆栈中每弹出一个数据,SP 会自动加 2 用户也可以使用 PUSH 和 POP 指令操作 SP, 但必须考虑 CPU 也在使用 SP 堆栈的大小受可用 RAM 的限制, 程序中每个使用堆栈的部分必须保证只有相关的信息保存在堆栈中, 而所有无关的数据需要整理清除, 否则, 堆栈可能发生上溢或下溢 堆栈指针的任何定位错误, 都会使错误的数据写入程序计数器 PC 中, 从而导致程序失败 例如 : 如图 3-6 所示, 当前 SP 指向 300H 时 : PUSH #8H ;SP 指向 :2FEH POP R15 ;SP 指向 :300H

41 第 3 章 MSP430 系列单片机结构 33 图 3-6 堆栈使用 状态寄存器 SR MSP430 的 16 位状态寄存器 SR 含有 CPU 的各状态位, 用于指示指令执行状态, 控制 CPU 晶体 时钟的状态 其各位定义如下: 15~ 保留 V SCG1 SCG0 OSCOFF CPUOFF GIE N Z C C: 进位位, 当运算结果产生进位时 C 置位, 否则 C 复位 Z: 零标志, 当运算结果为零时 Z 置位, 否则 Z 复位 N: 负标志, 当运算结果为负时 N 置位, 否则 N 复位 GIE: 中断控制位, 控制可屏蔽中断,GIE 置位,CPU 可响应可屏蔽中断 ;GIE 复位, CPU 不响应可屏蔽中断 CPUOFF:CPU 控制位, 置位 CPUOFF 位可使 CPU 进入关闭模式, 可用所有允许的中断将 CPU 唤醒 OSCOFF: 晶振控制位, 置位 OSCOFF 使晶体振荡器 LFXT1 处于停止状态, 置位 OSCOFF 同时 CPUOFF 位也需置位 可用 NMI 或者外部中断 ( 系统当前中断允许 ) 将 CPU 唤醒 SCG0: 系统时钟发生器控制位 0,SCG0 置位关闭 DCO 发生器, 在 MSPX44X 中, 该位置可关闭 FLL + LOOP 控制器 SCG1: 系统时钟发生器控制位 1,SCG1 置位关闭 SMCLK, 在 MSPX44X 中, 该位置可关闭 DCO 发生器 V: 溢出位, 当算术运算结果超出有符号数范围时置位 溢出情况如下 : 正数 + 正数 = 负数负数 + 负数 = 正数正数 - 负数 = 负数负数 - 正数 = 正数状态位 V N Z 和 C 只在某些指令执行时改变, 状态寄存器只能用寄存器方式访问, 每个状态位可以单独也可以与其它状态位一起被置位或复位, 状态标志位的状态会影响后面的操作 常数发生寄存器 CG1 和 CG2 经常使用的常数可由 16 位常数发生器 R2 和 R3 产生, 而不必占用一个 16 位字 所用常数的数值由寻址位 As 来定义, 见表 3-2

42 34 MSP430 系列超低功耗单片机原理与系统设计 表 3-2 常数发生寄存器 CG1 和 CG2 的值 寄存器 As 常 数 说 明 R 寄存器模式 R2 01 (0) 绝对寻址模式 R H +4, 位处理 R H +8, 位处理 R H 0, 字处理 R H +1 R H +2, 位处理 R3 11 0FFFFH -1, 字处理 通用工作寄存器 16 个寄存器中 R4~R15 为通用工作寄存器, 可字操作也可以字节操作, 可用来执行算术逻辑运算, 也可作为临时的暂存单元, 如 : MOV #2234H,R4; MOV.B #23H,R4; ADD #2334H, R4; ADD.B #23H, R4; 3.3 MSP430 系列单片机的存储器结构和地址空间 微型计算机的存储器组成一般有两种形式 : 一种是统一结构, 在这种结构中数据与程序合用一个存储空间 ; 另一种是独立结构, 这种结构把数据存储器空间和程序存储器空间相互分隔开来 MSP430 系列单片机的存储器采用的是统一结构, 物理上完全分离的存储区域 ( 如 ROM/FLASH RAM 外围模块 特殊功能寄存器 SFR 等 ) 被安排在同一地址空间 0000H~0FFFFH, 这样就可以使用一组地址 数据总线 相同的指令对它们进行字节或字形式访问 MSP430 系列单片机存储器的这种组织方式和 CPU 采用精简指令相互协调, 对外围模块的访问不需要单独的指令, 该结构为软件的开发和调试提供了便利 常用 MSP430 器件的存储器组织结构如表 3-3 所示 表 3-3 MSP430 存储空间分配 中断向量表程序存储器跳转控制表数据表等 引导存储器 (ROM) 0FFFFH~0FFE0H 0200H~0FFDFH 数据存储器 16 位外围模块 0100H~0FFH 8 位外围模块 010H~0FFH 特殊功能存储器 00H~0FH

43 第 3 章 MSP430 系列单片机结构 程序存储器程序存储器为 0FFFFH 以下一定数量存储空间, 可存放系统程序 应用程序以及数据表格等 MSP430 系列各种型号的程序存储器, 在断电情况下信息都不会丢失 对程序存储器的访问是以字形式访问 每次访问需要 16 条数据线和访问当前存储器模块所需的地址线, 存储器模块由模块允许信号自动选中, 这样可以减少总电流的消耗 程序代码包括 3 种 : 中断向量区 用户程序代码及系统引导程序 (FLASH 型有 ) 1. 中断向量区中断向量区含有相应中断处理程序的 16 位入口地址, 不同器件所对应中断向量表的中断含义不同, 具体使用请参见相关器件数据手册, 如表 3-4 所示 表 3-4 MSP430F43X MSP430F44X 中断向量表 中断源中断标志系统中断地址优先级 上电 外部复位 看门狗 FLASH NMI 振荡器故障 FLASH 访问出错 WDTIFG 复位 0FFFEH 15( 最高 ) NMIFG,OFIFG,ACCVIFG 非屏蔽 / 可屏蔽 0FFFCH 14 定时器 B BCCIFG0 可屏蔽 0FFFAH 13 定时器 B BCCIFG1~6,TBIFG 可屏蔽 0FFF8H 12 比较器 A CMPAIFG 可屏蔽 0FFF6H 11 看门狗定时器 WDTIFG 可屏蔽 0FFF4H 10 串口 0 接收 URXIFG0 可屏蔽 0FFF2H 9 串口 0 发送 UTXIFG0 可屏蔽 0FFF0H 8 ADC12 ADC12IFG 可屏蔽 0FFEEH 7 定时器 A CCIFG0 可屏蔽 0FFECH 6 定时器 A CCIFG1~2,TAIFG 可屏蔽 0FFEAH 5 端口 P1 P1IFG.0~7 可屏蔽 0FFE8H 4 串口 1 接收 URXIFG1 可屏蔽 0FFE6H 3 串口 1 发送 UTXIFG1 可屏蔽 0FFE4H 2 端口 P2 P2IFG.0~7 可屏蔽 0FFE2H 1 基本定时器 BTIFG 可屏蔽 0FFE0H 0( 最低 ) 中断事件在提出中断请求的同时, 通过硬件向主机提供向量地址 目前, 大多数单片 机的向量地址指向一个中断向量表, 从中断向量表的相应单元中再取出中断服务程序的入

44 36 MSP430 系列超低功耗单片机原理与系统设计口地址, 所以中断向量地址是中断服务程序入口地址的地址 中断向量用于程序计数器 PC 增加偏移, 以使中断处理软件在相应的程序位置继续运行, 这样能够简化中断处理程序 表 3-4 中有多源中断, 例如 0FFFCH 0FFF8H 0FFEAH 0FFE8H 0FFE2H 等, 多个中断事件对应同一个中断向量, 其中任何一个中断事件的出现, 对应的中断标志都被置位, 中断响应时要用软件判断是哪一个中断源 中断标志不能自动清零, 需要用软件清除 2. 用户程序区除了中断向量表外的其它空间都可用作用户程序区 用户程序区一般用来存放程序 常数以及表格 表处理是十分重要的, 利用它可以实现传感器处理中数据线性化和补偿 表的处理支持程序流向控制, 可用所有的字和字节指令访问这些表格 3. 引导程序区对于含 FLASH 的器件还有 1 KB 的引导 ROM( 自动加载程序 ), 这是一段出厂时已固化的程序, 可以实现程序代码的读 写操作, 利用它只需几根线就可以修改 运行内部的程序, 为闪速存储器的读 写 擦除等操作提供方便 数据存储器数据存储器 (RAM) 位于存储器地址空间的 0200H 以上, 这些存储器一般用于堆栈和数据的保存, 如存放运算中间结果, 用作缓存和数据暂存, 同时也是数据运算的场所 数据存储器可以字操作, 也可以字节操作, 通过指令后缀加以区别 在字操作时, 每两个字节为一个操作单元, 必须对准偶地址, 如 : MOV.B #34H, &235H ; 执行后 235H 单元内容为 34H MOV.W #2336H, &234H ; 执行后 234H 单元内容为 36H, 执行后 235H 单元的内容为 23H MOV.W #336H, &235H ; 执行后 235H 单元内容为 03H, 执行后 234H 单元的内容为 36H 具有 FLASH 型的器件,FLASH 中有信息存储区, 也可以当作数据 RAM 使用, 由于它是 FLASH 型, 掉电后数据不丢失, 可以保存重要参数 外围模块寄存器 MSP430 系列单片机内所有外围模块经 MAB MDB 中断服务及请求线与 CPU 相连, 可以用软件访问和控制, 与外围模块相关的控制寄存器和状态寄存器都被安排在 0000H~ 01FFH 范围的 RAM 中, 如表 3-5 所示 CPU 可以像访问普通 RAM 单元一样访问这些寄存器 表 3-5 外围模块空间分布 0100H~01FFH 0010H~00FFH 0000H~000FH 16 位外围模块 8 位外围模块 特殊功能寄存器 同时, 这些寄存器还分字结构和字节结构, 地址空间 0100H~01FFH 留作安排字结构, 即字模块, 表 3-6 所示为 MSP430F449 字模块存储空间的使用情况

45 第 3 章 MSP430 系列单片机结构 37 表 3-6 MSP430F449 字模块的空间分配 地址 说明 地址 说明 1F0H~1FFH 保留 170H~17FH 定时器 A 1E0H~1EFH 保留 160H~16FH 定时器 A 1D0H~1DFH 保留 150H~15FH ADC12 转换 1C0H~1CFH 保留 140H~14FH ADC12 转换 1B0H~1BFH 保留 130H~13FH 硬件乘法器 1A0H~1AFH ADC12 控制和中断 120H~12FH 看门狗,FLASH 控制 190H~19FH 定时器 B 110H~11FH 保留 180H~18FH 定时器 B 100H~10FH 保留 字节模块是经总线的低 8 位相连, 只能以字节方式来访问, 地址空间 0010H~00FFH 留作安排字节模块, 表 3-7 所示为 MSP430F449 字节模块的地址分配 表 3-7 MSP430F449 字节模块的空间分配 地址 说明 地址 说明 0F0H~0FFH 保留 070H~07FH 串口 1/ 串口 0 0E0H~0EFH 保留 060H~06FH 保留 0D0H~0DFH 保留 050H~05FH 比较器 A, 系统时钟 0C0H~0CFH 保留 040H~04FH 基本定时器 0B0H~0BFH 保留 030H~03FH 端口 6/ 端口 5 0A0H~0AFH 液晶模块 020H~02FH 端口 2/ 端口 1 090H~09FH 液晶模块 010H~01FH 端口 3/ 端口 4 080H~08FH ADC12 存储控制 000H~00FH SFR 特殊功能寄存器 SFR 处于存储空间的最低位置, 地址空间 0000H~000FH 共 16 个字节 用做 SFR, 只能以字节方式访问 MSP430F449 特殊功能寄存器的地址分配如表 3-8 所示 表 3-8 MSP430F449 特殊功能寄存器 SFR 的空间分配 地址 说明 地址 说明 0FH 无定义 / 未实现 07H 无定义 0EH 无定义 / 未实现 06H 无定义 0DH 无定义 / 未实现 05H 模块允许 2:ME2 0CH 无定义 / 未实现 04H 模块允许 1:ME1 0BH 无定义 / 未实现 03H 中断标志 2:IFG2 0AH 无定义 / 未实现 02H 中断标志 1:IFG1 09H 无定义 / 未实现 01H 中断允许 2:IE2 08H 无定义 / 未实现 00H 中断允许 1:IE1 特殊功能寄存器 SFR 包括模块允许位, 可以用于启动或停止的某个外围模块 无论操 作是允许还是停止, 所有外围模块的寄存器都可以进行存取 不过, 有些模块的节电功能

46 38 MSP430 系列超低功耗单片机原理与系统设计是通过本地寄存器的位状态来控制的 例如,LCD 模块的模拟电压发生器启动和关闭就是通过一个寄存器位来控制的 多数中断和模块允许位集中在低地址空间 未分配功能的那些特殊功能寄存器位在器件中实际上并未提供, 这样安排可以简化软件存取 习 题 什么? 什么? 3-1 MSP430 系列单片机 POR 和 PUC 代表什么含义? 什么情况下可以产生复位信号? 3-2 系统复位后,I/O 引脚初始化的状态是什么? 3-3 MSP430 系列单片机包括哪几类中断? 3-4 RST /NMI 引脚在什么情况下产生中断? 3-5 MSP430 系列单片机内部包含哪些主要功能部件? 3-6 MSP430 系列单片机 CPU 状态寄存器的作用是什么? 各位的含义是什么? 3-7 MSP430 系列单片机 CPU 常数发生器的作用是什么? 3-8 MSP430 系列单片机存储器的组织方式是什么? 3-9 为什么说 MSP430 系列单片机还有很大的系统外围模块扩展能力? 3-10 MSP430 系列单片机具有怎样的中断处理能力? 3-11 MSP430 系列单片机数据存储器的最低地址是什么? 程序存储器的最高地址是 3-12 程序存储器一般用来存储哪几类信息? 各类信息的含义是什么? 3-13 MSP430 单片机的堆栈有什么特点? 堆栈的作用一般有哪些? 3-14 MSP430 单片机的程序存储器一般用来存储哪几类信息? 各类信息的含义是

47 第 4 章 MSP430 系列单片机的指令系统与程序设计 39 第 4 章 MSP430 系列单片机的指令系统与程序设计 MSP430 的指令系统是按照精简指令集和高透明的宗旨来设计的, 使用的指令可分为硬件执行的内核指令和汇编支持的高效率仿真指令 仿真指令使得内核更容易访问, 但是它们没有自己的操作码汇编时, 它们通过等效的内核指令被自动替代 MSP430 系列单片机指令系统包括 27 条内核指令和大量的仿真指令 本章主要介绍 MSP430 系列单片机的寻址方式 指令系统和相应的程序设计方法 4.1 MSP430 指令系统概述 汇编语言语句格式程序设计语言是实现人机交换信息的重要工具 一般来说高级语言 汇编语言和机器语言都可以用程序编制 机器语言是用二进制数表示的机器指令, 能被计算机直接识别并执行, 但机器语言不便记忆和理解, 书写时也容易出错 汇编语言是用助记符来表示机器指令的, 与机器码一一对应, 便于记忆和理解, 易于掌握和使用, 与高级语言相比程序结构紧凑, 节省存储空间, 执行效率高 对于适用于实时测控系统的单片机来说, 采用汇编语言编程最为方便 汇编语言 (Assembly Language) 是用助记符和标号地址来编写程序语言的, 直接面向机器, 因机器而异 汇编语言的语句由四部分组成 : 标号 操作码 操作数和注释 MSP430 单片机的指令格式如下 : 标号 操作码, 操作数 ; 注释 标号 : 用户设定的符号, 表示该指令所在的地址 由汇编器将标号翻译成该行语句的物理地址 标号并非每一个语句都有, 只有在需要时才使用 书写时最左边对齐, 后面不必用冒号 操作码 : 指令的操作功能, 是任何一个语句都不可缺少的 操作数 : 规定数据的类型和所用的寻址方式 如果有两个操作数, 则第一个为源操作数, 第二个为目的操作数, 源操作数和目的操作数之间用逗号分隔 ; 如果只有一个操作数, 该操作数既是源操作数, 又是目的操作数 有的指令也可以没有操作数, 如 NOP 指令 注释 : 语句的说明部分, 它必须用分号 ; 和指令隔开, 注解该指令具体完成了什么操作, 它是为了方便人们阅读程序而设定的 计算机在汇编时对注释部分不作处理 指令系统中的符号说明指令系统中各符号的含义介绍如下 :

48 40 MSP430 系列超低功耗单片机原理与系统设计 (1) 前面带有标志 * 的指令是仿真指令, 仿真指令的使用结合了 CPU 结构和执行方 便的内核指令, 使得代码效率更高, 速度更快 ; (2) 表示 写内容到 ; (3) src 和 dst 分别表示源操作数和目的操作数 ; (4) 状态位中 * 表示影响, - 表示不影响, 0 和 1 表示清零和置位 ; 表示寄存器间接寻址, direct 代表直接地址 ; (6) 指令助记符的后缀.W 或无后缀表示其为字操作指令, 在字操作指令中, 存储器 地址一定要对准偶数地址, 指令助记符的后缀.B 表示其为字节操作指令 ; (7) Rn 表示 R0~R15; (8) PC/R0 为程序计数器 ; (9) SP/R1 为堆栈指针 ; (10) TOS 为堆栈顶 ; (11) & 后面的数据为具体的地址 ; (12) # 是立即数的前缀, 后面的数为立即数 ; (13) MSB 为最高有效位 ; (14) LSB 为最低有效位 ; (15) + 表示内容增加 ; (16) - 内容减少 ; (17) V 为溢出标志,N 为负标志,Z 为零标志,C 为进位标志 ; (18) ( ) 表示某寄存器或某单元中的内容 ; (19) (( )) 表示间接寻址单元中的内容 ; (20) EDE TONI TOM 和 LEO 是一般的符号, 它们没有特殊的含义 指令的代码格式 MSP430 单片机指令系统的代码格式有双操作数指令 ( 内核指令 ) 代码格式 单操作数指 令 ( 内核指令 ) 代码格式 条件和无条件转移指令代码格式, 下面分别进行介绍 1. 双操作数指令 ( 内核指令 ) 双操作数指令由 4 个域组成, 共 16 位代码 操作码源寄存器 Ad B/ W As 目的寄存器 操作码域 = 操作码域,4 位 [ 操作码 ] = 源域,6 位 [ 源寄存器 +As] = 字节操作识别符,1 位 [ B/ W ] = 目的域,5 位 [ 目的寄存器 +Ad] 源域由 2 个寻址位和 4 位寄存器数 (R0~R15) 组成 ; 目的域由 1 个寻址位和 4 位寄存器 数 (R0~R15) 组成 B/ W 表明指令是以一个字节 ( B/ W =1) 还是一个字 ( B/ W =0) 的形式执行 ; As 表示寻址模式的寻址位, 用于源操作数 ;Ad 表示寻址模式的寻址位, 用于目的操作数

49 第 4 章 MSP430 系列单片机的指令系统与程序设计 单操作数指令 ( 内核指令 ) 单操作数指令是由 2 个主域组成的, 共 16 位代码 B/ W Ad 目的源寄存器 操作码域 = 操作码域,9 位且高 4 位 MSB 为 0001 目的域 = 字节操作识别符,1 位 [ B/ W ] = 目的域,6 位 [ 目的 / 源寄存器 +Ad] 该域由 2 个寻址位和 4 位寄存器数 (R0~R15) 组 成 目的域位的位置与 2 个操作数指令的位置相同 3. 条件和无条件转移指令 ( 内核指令 ) 该类指令包括 2 个主域, 共 16 位代码 操作码跳转码符号偏移 操作码域 跳转 / 偏移域 = 操作码域,6 位 = 跳转偏移域,10 位 转移指令可跳转到相对于当前地址范围在 -511~+512 字之间的地址 汇编器计算出有 符号的偏移, 并把它们插入操作码 转移类指令不影响状态位, 当发生转移时, 可通过偏移量改变 PC 值, 公式为 PCnew = Pcold 偏移量 无需 ROM 补偿的仿真指令 无需 ROM 补偿的仿真指令可用精简指令集仿真, 汇编器接收仿真指令, 并能够插入适 当的内核指令 MSP430 指令系统中无需 ROM 补偿的仿真指令如表 4-1 所示 表 4-1 无需 ROM 补偿的仿真指令 助记符 操作数 说 明 V N Z C 仿 真 ADD[.W] dst 进位位加至目的操作数 * * * * ADDC #0,dst ADC.B dst 进位位加至目的操作数 * * * * ADDC.B #0,dst DADC[.W] dst 十进制进位位加至目的操作数 * * * * DADD #0, dst DADC.B dst 十进制进位位加至目的操作数 * * * * DADD.B #0, dst DEC[.W] dst 目的操作数减 1 * * * * SUB #1, dst DEC.B dst 目的操作数减 1 * * * * SUB.B #1, dst DECD[.W] dst 目的操作数减 2 * * * * SUB #2, dst DECD.B dst 目的操作数减 2 * * * * SUB.B #2, dst INC[.W] dst 目的操作数增 1 * * * * ADD #1, dst INC.B dst 目的操作数增 1 * * * * ADD.B #1, dst

50 42 MSP430 系列超低功耗单片机原理与系统设计 续表 助记符 操作数 说 明 V N Z C 仿 真 INCD[.W] dst 目的操作数增 2 * * * * ADD #2, dst INCD.B dst 目的操作数增 2 * * * * ADD.B #2, dst SBC[.W] dst 从目的操作数中减去进位位 * * * * SUBC #0, dst SBC.B dst 从目的操作数中减去进位位 * * * * SUBC.B #0, dst 逻辑指令 INV[.W] dst 目的操作数求反 * * * * XOR #0FFFFH, dst INV.B dst 目的操作数求反 * * * * XOR.B #0FFFFH, dst RLA[.W] dst 算术循环左移 * * * * ADD dst, dst RLA.B dst 算术循环左移 * * * * ADD.B dst, dst RLC[.W] dst 带进位循环左移 * * * * ADDC dst, dst RLC.B dst 带进位循环左移 * * * * ADDC.B dst, dst 数据指令 ( 共用 ) CLR[.W] 清除目的操作数 MOV #0, dst CLR.B 清除目的操作数 MOV.B #0, dst CLRC 清除进位位 BIC #1,SR CLRN 清除负位 BIC #4,SR CLRZ 清除零位 BIC #2,SR POP dst 项目从堆栈中弹出 dst SETC 置位进位位 BIS #1,SR SETN 置位负位 BIS #4,SR SETZ 置位零位 BIS #2,SR TST[.W] dst 测试目的操作数 0 * * 1 CMP #0, dst TST.B dst 测试目的操作数 0 * * 1 CMP.B #0, dst 程序流程指令 BR dst 转移到 MOV dst,pc DINT 禁止中断 BIC #8,SR EINT 使能中断 BIS #8,SR NOP 空操作 MOV #0H,#0H RET 子程序返回指令 注 :1 表中指令的仿真可以由 R2 和 R3 的内容仿真 2 寄存器 R2(CG1) 包含立即数 2 和 4; 寄存器 R3(CG2) 包含 -1 或 0FFFH,0,+1 和 +2, 这取决于寻 址位 As 3 汇编器根据所用的立即数设置寻址位

51 第 4 章 MSP430 系列单片机的指令系统与程序设计 指令的时钟周期与指令长度 MSP430 的指令执行速度 ( 指令所用的时钟周期数, 这里时钟周期指 MCLK 的周期 ) 和指 令长度 ( 所占用存储空间 ) 与指令的格式和寻址模式密切相关 在不同的寻址模式下,CPU 寻 找操作数的路径不一样, 当然要占用不同的时间与不同的存储空间 表 4-2 和 4-4 给出了 MSP430 指令的时钟周期数和指令长度, 表 4-3 和表 4-5 给出了简单判定双操作数和单操作 数的 CPU 指令周期方式 #N x(rn) EDE &EDE 寻址模式 表 4-2 双操作数指令的时钟周期数与指令长度 Ad Rm PC x(rm) EDE &EDE Rm PC x(rm) EDE &EDE Rm PC x(rm) EDE &EDE Rm PC x(rm) EDE &EDE Rm PC TONI x(rm) &TONI Rm PC TONI x(rm) &TONI Rm PC TONI x(rm) &TONI 周期数指令长度 / 字实例 MOV BR ADD XOR MOV AND BR XOR MOV XOR ADD BR XOR MOV MOV MOV BR MOV ADD ADD MOV BR MOV ADD MOV AND BR CMP MOV MOV MOV BRA MOV MOV MOV R5, R8 R9 R5, 4(R6) R8, EDE R5, R5 @R5, &EDE #20, R9 #2AEh #0300h, 0(SP) #33, EDE #33, &EDE 2(R5), R7 2(R6) 4(R7), TONI 4(R4), 6(R9) 2(R4), &TONI EDE, R6 EDE EDE, TONI EDE, 0(SP) EDE, &TONI &EDE, R8 &EDE &EDE, TONI &EDE, 0(SP) &EDE, &TONI

52 44 MSP430 系列超低功耗单片机原理与系统设计 表 4-3 双操作数指令执行周期 目的寻址模式 源寻址模式 Rm X(Rm) 符号寻址 绝对寻址 (&) Rn X(Rn), 符号寻址, 绝对寻址 (&) 3 6 注 : 当 Rm 是 PC 时,+ 表示加一个周期 例如 :ADD #500H,16(R5); 需要 5 个时钟周期 表 4-4 单操作数指令的时钟周期数与指令长度 周期数 (MCLK) 寻址模式 As/Ad RRA RRC SWPB PUSH/CALL 指令长度 / 字实例 SXT 00,Rn 1 3/4 1 SWPB R5 01,X(Rn) CALL 2(R7) 01,EDE PUSH EDE 01,&EDE SXT &EDE 10,@Rn ,@Rn+ 3 4/5 1 11,#N 4/5 2 CALL #81H 表 4-5 单操作数指令执行周期 指 令 SWPB 寻址模式 SXT RRA PUSH CALL RRC Rn X(Rn), 符号寻址, 绝对寻址 (&) 4 5 5

53 第 4 章 MSP430 系列单片机的指令系统与程序设计 45 例如 :PUSH #500H ; 需要 4 个时钟周期 对于跳转类指令, 它们的时钟周期数与指令长度是固定的 条件跳转指令无论跳转与否都要占用 2 个时钟周期, 指令长度为 1 个字长 RETI 要占用 5 个时钟周期, 指令长度也是 1 个字长 除了 CPU 的指令外,CPU 还有一些操作也将占用时间, 但不占用存储空间 ( 因为不是程序指令 ) 它们是以下一些操作: = 中断响应, 占用 6 个时钟周期 ; = WDT 复位, 占用 4 个时钟周期 ; = 系统复位, 占用 4 个时钟周期 4.2 寻址方式 单片机执行程序的过程是不断地寻找操作数并进行操作的过程, 寻址方式是指 CPU 寻找操作数或操作数地址的方法 寻址方式是计算机的重要性能指标之一, 也是 汇编程序设计中最基本的内容 寻址方式越多, 单片机指令功能越强, 灵活性越大 MSP430 共有 7 种寻址方式 其中, 源操作数可用全部的 7 种方式寻址, 目的操作数有 4 种寻址方式, 它们可以访问整个地址空间, 如表 4-6 所示 表 4-6 寻址方式 As/Ad 寻址方式 语法 说 明 00/0 寄存器寻址 Rn 寄存器内容为操作数 01/1 变址寻址 X(Rn) (Rn+X) 指向操作数,X 存于后续字中 01/1 符号寻址 ADDR (PC+X) 指向操作数,X 存于后续字中, 使用了变址方式的 X(PC) 01/1 绝对寻址 &ADDR 指令后续字含绝对地址 10/- Rn 为指向操作数的指针 11/- Rn 为指向操作数的指针, 然后在字节指令中 Rn 增 1, 在 字指令中 Rn 增 2 11/- 立即寻址 #N 指令后续字含立即数 N, 寄存器寻址操作数的地址由寄存器直接给出, 寄存器的内容就是指令中的操作数, 这种寻址方式称为寄存器寻址 寄存器寻址方式是将源操作数中的内容移到目的操作数, 而源操作数内容不变, 通常占 1 到 2 个字 源操作数和目的操作数都可以用于寄存器寻址 寄存器寻址一般用于对时间要求比较严的操作

54 46 MSP430 系列超低功耗单片机原理与系统设计汇编源程序 : MOV R10, R11; 设指令执行前 : (R10)=0A022H,(R11)=0FA00H,(PC)=Pcold; 指令执行后 : (R10)=0A022H,(R11)=0A022H,(PC)=PCold+2 R11 R 变址寻址变址寻址方式的操作数在内存中, 操作数的地址为寄存器内容加上前面的偏移量, 一般占 2~3 个字, 格式如下 : 汇编源程序 ROM 中的内容 MOV 2(R5),6(R6) MOV X(R5),Y(R6) X=2 Y=6 解释 : 将地址 R5 中的内容 +2 的存储单元内容移到地址 R6 中的内容 +6 的存储单元中 ( 见 图 4-1) 图 4-1 变址指令执行过程变址寻址中源操作数或目的操作数中涉及的寄存器内容在执行前后不变 这种寻址方式对源操作数和目的操作数都有效, 例如 : MOV R6,3(R8) ; MOV 5(R6),R7

55 第 4 章 MSP430 系列单片机的指令系统与程序设计 符号寻址 这种寻址方式的操作数在内存中, 操作数的地址在指令中直接给出, 格式如下 : 汇编源程序 ROM 中的内容 MOV EDE, TONI MOV X(PC),Y(PC) X = EDE-PC Y = TONI-PC 其中, 操作数的地址为 EDE 和 TONI (EDE)=PC+X,(TONI)=PC+Y X,Y 存在指令的后续中, 汇编程序能自动计算并插入偏移量 X 和 Y 例如 :MOV EDE,TONI;(EDE)=0F016H,(TONI)=01114H 解释 : 将地址 EDE 单元中的内容移到地址为 TONI 的单元中 ( 见图 4-2) 图 4-2 符号指令执行过程例如 : MOV TAB,R5; TAB DW 13F2H,2213H,3ED4H ; 将符号 TAB 所表示的数据作为地址, 再将该地址中的 ; 数据送达 R5 执行前 :R5=43F2H,TAB 标号所指示的地址处的数据为字 13F2H; 执行后 :R5=13F2H; 这种寻址模式既可用于源操作数, 也可用于目的操作数 下面的语句都属于符号寻址模式 :