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[導(dǎo)讀]任何一款MCU,其基本原理和功能都是大同小異,所不同的只是其外圍功能模塊的配置及數(shù)量、指令系統(tǒng)等。對(duì)于指令系統(tǒng),雖然形式上看似千差萬(wàn)別,但實(shí)際上只是符號(hào)的不同,其所代表的含義、所要完成的功能和尋址方式基本上是類似的。因此,對(duì)于任何一款MCU,主要應(yīng)從如下的幾個(gè)方面來(lái)理解和掌握。

任何一款MCU,其基本原理和功能都是大同小異,所不同的只是其外圍功能模塊的配置及數(shù)量、指令系統(tǒng)等。對(duì)于指令系統(tǒng),雖然形式上看似千差萬(wàn)別,但實(shí)際上只是符號(hào)的不同,其所代表的含義、所要完成的功能和尋址方式基本上是類似的。因此,對(duì)于任何一款MCU,主要應(yīng)從如下的幾個(gè)方面來(lái)理解和掌握。

MCU的特點(diǎn)

要了解一款MCU,首先需要知道就是其ROM空間、RAM空間、IO口數(shù)量、定時(shí)器數(shù)量和定時(shí)方式、所提供的外圍功能模塊(Peripheral Circuit)、中斷源、工作電壓及功耗等等。

了解這些MCU Features后,接下來(lái)第一步就是將所選MCU的功能與實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)的要求的功能進(jìn)行對(duì)比,明確那些資源是目前所需要的,那些是本項(xiàng)目所用不到的。對(duì)于項(xiàng)目中需要用到的而所選MCU不提供的功能,則需要認(rèn)真理解MCU的相關(guān)資料,以求用間接的方法來(lái)實(shí)現(xiàn),例如,所開發(fā)的項(xiàng)目需要與PC機(jī)COM口進(jìn)行通訊,而所選的MCU不提供UART口,則可以考慮用外部中斷的方式來(lái)實(shí)現(xiàn);

對(duì)于項(xiàng)目開發(fā)需要用到的資源,則需要對(duì)其Manua*進(jìn)行認(rèn)真的理解和閱讀,而對(duì)于不需要的功能模塊則可以忽略或?yàn)g覽即可。對(duì)于MCU學(xué)習(xí)來(lái)講,應(yīng)用才是關(guān)鍵,也是最主要的目的。

明確了MCU的相關(guān)功能后,接下來(lái)就可以開始編程了。對(duì)于初學(xué)者或初次使用此款MCU的設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō),可能會(huì)遇到很多對(duì)MCU的功能描述不明確的地方,對(duì)于此類問(wèn)題,可以通過(guò)兩種方法來(lái)解決,一種是編寫特別的驗(yàn)證程序來(lái)理解資料所述的功能;另一種則可以暫時(shí)忽略,程序設(shè)計(jì)中則按照自己目前的理解來(lái)編寫,留到調(diào)試時(shí)去修改和完善。前一種方法適用于時(shí)間較寬松的項(xiàng)目和初學(xué)者,而后一種方法則適合于具有一定MCU開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的人或項(xiàng)目進(jìn)度較緊迫的情況;

指令系統(tǒng)千萬(wàn)不要特別花時(shí)間去理解。指令系統(tǒng)只是一種邏輯描述的符號(hào),只有在編程時(shí)根據(jù)自己的邏輯和程序的邏輯要求來(lái)查看相關(guān)的指令即可,而且隨著編程的進(jìn)行,對(duì)指令系統(tǒng)也會(huì)越來(lái)越熟練,甚至可以不自覺地記憶下來(lái)。

MCU的基本功能

對(duì)于絕大多數(shù)MCU,下列功能是最普遍也是最基本的,針對(duì)不同的MCU,其描述的方式可能會(huì)有區(qū)別,但本質(zhì)上是基本相同的:

TImer(定時(shí)器):TImer的種類雖然比較多,但可歸納為兩大類:一類是固定時(shí)間間隔的TImer,即其定時(shí)的時(shí)間是由系統(tǒng)設(shè)定的,用戶程序不可控制,系統(tǒng)只提供幾種固定的時(shí)間間隔給用戶程序進(jìn)行選擇,如32Hz,16Hz,8Hz等,此類TImer在4位MCU中比較常見,因此可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘、計(jì)時(shí)等相關(guān)的功能;另一類則是Programmable Timer(可編程定時(shí)器),顧名思義,該類Timer的定時(shí)時(shí)間是可以由用戶的程序來(lái)控制的,控制的方式包括:時(shí)鐘源的選擇、分頻數(shù)(Prescale)選擇及預(yù)制數(shù)的設(shè)定等,有的MCU三者都同時(shí)具備,而有的則可能是其中的一種或兩種。此類Timer應(yīng)用非常靈活,實(shí)際的使用也千變?nèi)f化,其中最常見的一種應(yīng)用就是用其實(shí)現(xiàn)PWM輸出(具體的應(yīng)用,后續(xù)會(huì)有特別的介紹)。由于時(shí)鐘源可以自由選擇,因此,此類Timer一般均與Event Counter(事件計(jì)數(shù)器)合在一起;

IO口:任何MCU都具有一定數(shù)量的IO口,沒有IO口,MCU就失去了與外部溝通的渠道。根據(jù)IO口的可配置情況,可以分為如下幾種類型:

純輸入或純輸出口:此類IO口有MCU硬件設(shè)計(jì)決定,只能是輸入或輸出,不可用軟件來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)的設(shè)定;

直接讀寫IO口:如MCS-51的IO口就屬于此類IO口。當(dāng)執(zhí)行讀IO口指令時(shí),就是輸入口;當(dāng)執(zhí)行寫IO口指令則自動(dòng)為輸出口;

程序編程設(shè)定輸入輸出方向的:此類IO口的輸入或輸出由程序根據(jù)實(shí)際的需要來(lái)進(jìn)行設(shè)定,應(yīng)用比較靈活,可以實(shí)現(xiàn)一些總線級(jí)的應(yīng)用,如I2C總線,各種LCD、LED Driver的控制總線等;

對(duì)于IO口的使用,重要的一點(diǎn)必須牢記的是:對(duì)于輸入口,必須有明確的電平信號(hào),確保不能浮空(可以通過(guò)增加上拉或下拉電阻來(lái)實(shí)現(xiàn));而對(duì)于輸出口,其輸出的狀態(tài)電平必須考慮其外部的連接情況,應(yīng)保證在Standby或靜態(tài)狀態(tài)下不存在拉電流或灌電流。

外部中斷:外部中斷也是絕大多數(shù)MCU所具有的基本功能,一般用于信號(hào)的實(shí)時(shí)觸發(fā),數(shù)據(jù)采樣和狀態(tài)的檢測(cè),中斷的方式由上升沿、下降沿觸發(fā)和電平觸發(fā)幾種。外部中斷一般通過(guò)輸入口來(lái)實(shí)現(xiàn),若為IO口,則只有設(shè)為輸入時(shí)其中斷功能才會(huì)開啟;若為輸出口,則外部中斷功能將自動(dòng)關(guān)閉(ATMEL的ATiny系列存在一些例外,輸出口時(shí)也能觸發(fā)中斷功能)。外部中斷的應(yīng)用如下:

外部觸發(fā)信號(hào)的檢測(cè):一種是基于實(shí)時(shí)性的要求,比如可控硅的控制,突發(fā)性信號(hào)的檢測(cè)等;而另一種情況則是省電的需要;

信號(hào)頻率的測(cè)量;為了保證信號(hào)不被遺漏,外部中斷是最理想的選擇;

數(shù)據(jù)的解碼:在遙控應(yīng)用領(lǐng)域,為了降低設(shè)計(jì)的成本,經(jīng)常需要采用軟件的方式來(lái)對(duì)各種編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼,如Manchester和PWM編碼的解碼;

按鍵的檢測(cè)和系統(tǒng)的喚醒:對(duì)于進(jìn)入Sleep狀態(tài)的MCU,一般需要通過(guò)外部中斷來(lái)進(jìn)行喚醒,最基本的形式則是按鍵,通過(guò)按鍵的動(dòng)作來(lái)產(chǎn)生電平的變化;

通訊接口:MCU所提供的通訊接口一般包括SPI接口,UART,I2C接口等,其分別描述如下:

SPI接口:此類接口是絕大多數(shù)MCU都提供的一種最基本通訊方式,其數(shù)據(jù)傳輸采用同步時(shí)鐘來(lái)控制,信號(hào)包括:SDI(串行數(shù)據(jù)輸入)、SDO(串行數(shù)據(jù)輸出)、SCLK(串行時(shí)鐘)及Ready信號(hào);有些情況下則可能沒有Ready信號(hào);此類接口可以工作在Master方式或Slave方式下,通俗說(shuō)法就是看誰(shuí)提供時(shí)鐘信號(hào),提供時(shí)鐘的一方為Master,相反的一方則為Slaver;

UART(Universal Asynchronous Receive Transmit):屬于最基本的一種異步傳輸接口,其信號(hào)線只有Rx和Tx兩條,基本的數(shù)據(jù)格式為:Start Bit + Data Bit(7-bits/8-bits) + Parity Bit(Even, Odd or None) + Stop Bit(1~2Bit)。一位數(shù)據(jù)所占的時(shí)間稱為Baud Rate(波特率)。對(duì)于大多數(shù)的MCU來(lái)講,數(shù)據(jù)為的長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式(奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)或無(wú)校驗(yàn))、停止位(Stop Bit)的長(zhǎng)度及Baud Rate是可以通過(guò)程序編程進(jìn)行靈活設(shè)定。此類接口最常用的方式就是與PC機(jī)的串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

I2C接口:I2C是由Philips開發(fā)的一種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,同樣采用2根信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn):SDAT(串行數(shù)據(jù)輸入輸出)和SCLK(串行時(shí)鐘)。其最大的好處是可以在此總線上掛接多個(gè)設(shè)備,通過(guò)地址來(lái)進(jìn)行識(shí)別和訪問(wèn);I2C總線的一個(gè)最大的好處就是非常方便用軟件通過(guò)IO口來(lái)實(shí)現(xiàn),其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率完全由SCLK來(lái)控制,可快可慢,不像UART接口,有嚴(yán)格的速率要求。

Watchdog(看門狗定時(shí)器):Watchdog也是絕大多數(shù)MCU的一種基本配置(一些4位MCU可能沒有此功能),大多數(shù)的MCU的Watchdog只能允許程序?qū)ζ溥M(jìn)行復(fù)位而不能對(duì)其關(guān)閉(有的是在程序燒入時(shí)來(lái)設(shè)定的,如Microchip PIC系列MCU),而有的MCU則是通過(guò)特定的方式來(lái)決定其是否打開,如Samsung的KS57系列,只要程序訪問(wèn)了Watchdog寄存器,就自動(dòng)開啟且不能再被關(guān)閉。一般而言watchdog的復(fù)位時(shí)間是可以程序來(lái)設(shè)定的。Watchdog的最基本的應(yīng)用是為MCU因?yàn)橐馔獾墓收隙鴮?dǎo)致死機(jī)提供了一種自我恢復(fù)的能力。

MCU程序的編寫

MCU的程序的編寫與PC下的程序的編寫存在很大的區(qū)別,雖然現(xiàn)在基于C的MCU開發(fā)工具越來(lái)越流行,但對(duì)于一個(gè)高效的程序代碼和喜歡使用匯編的設(shè)計(jì)者來(lái)講,匯編語(yǔ)言仍然是最簡(jiǎn)潔、最有效的編程語(yǔ)言。對(duì)于MCU的程序編寫,其基本的框架可以說(shuō)是大體一致的,一般分為初始化部分(這是MCU程序設(shè)計(jì)與PC最大的不同),主程序循環(huán)體和中斷處理程序三大部分,其分別說(shuō)明如下:

初始化:對(duì)于所有的MCU程序的設(shè)計(jì)來(lái)講,出世化是最基本也是最重要的一步,一般包括如下內(nèi)容:

屏蔽所有中斷并初始化堆棧指針:初始化部分一般不希望有任何中斷發(fā)生;

清除系統(tǒng)的RAM區(qū)域和顯示Memory:雖然有時(shí)可能沒有完全的必要,但從可靠性及一致性的角度出發(fā),特別是對(duì)于防止意外的錯(cuò)誤,還是建議養(yǎng)成良好的編程習(xí)慣;

IO口的初始化:根據(jù)項(xiàng)目的應(yīng)用的要求,設(shè)定相關(guān)IO口的輸入輸出方式,對(duì)與輸入口,需要設(shè)定其上拉或下拉電阻;對(duì)于輸出口,則必須設(shè)定其出世的電平輸出,以防出現(xiàn)不必要的錯(cuò)誤;

中斷的設(shè)置:對(duì)于所有項(xiàng)目需要用到的中斷源,應(yīng)該給予開啟并設(shè)定中斷的觸發(fā)條件,而對(duì)于不使用的多余的中斷,則必須給予關(guān)閉;

其他功能模塊的初始化:對(duì)于所有需要用到的MCU的外圍功能模塊,必須按項(xiàng)目的應(yīng)用的要求進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置,如UART的通訊,需要設(shè)定Baud Rate,數(shù)據(jù)長(zhǎng)度,校驗(yàn)方式和Stop Bit的長(zhǎng)度等,而對(duì)于Programmer Timer,則必須設(shè)置其時(shí)鐘源,分頻數(shù)及Reload Data等;

參數(shù)的出世化:完成了MCU的硬件和資源的出世化后,接下來(lái)就是對(duì)程序中使用到的一些變量和數(shù)據(jù)的初始化設(shè)置,這一部分的初始化需要根據(jù)具體的項(xiàng)目及程序的總體安排來(lái)設(shè)計(jì)。對(duì)于一些用EEPROM來(lái)保存項(xiàng)目預(yù)制數(shù)的應(yīng)用來(lái)講,建議在初始化時(shí)將相關(guān)的數(shù)據(jù)拷貝到MCU的RAM,以提高程序?qū)?shù)據(jù)的訪問(wèn)速度,同時(shí)降低系統(tǒng)的功耗(原則上,訪問(wèn)外部EEPROM都會(huì)增加電源的功耗)。

主程序循環(huán)體:大多數(shù)MCU是屬于長(zhǎng)時(shí)間不間斷運(yùn)行的,因此其主程序體基本上都是以循環(huán)的方式來(lái)設(shè)計(jì),對(duì)于存在多種工作模式的應(yīng)用來(lái)講,則可能存在多個(gè)循環(huán)體,相互之間通過(guò)狀態(tài)標(biāo)志來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。對(duì)于主程序體,一般情況下主要安排如下的模塊:

計(jì)算程序:計(jì)算程序一般比較耗時(shí),因此堅(jiān)決反對(duì)放在任何中斷中處理,特別是乘除法運(yùn)算;

實(shí)時(shí)性要求不高或沒有實(shí)時(shí)性要求的處理程序;

顯示傳輸程序:主要針對(duì)存在外部LED、LCD Driver的應(yīng)用;

中斷處理程序:中斷程序主要用于處理實(shí)時(shí)性要求較高的任務(wù)和事件,如,外部突發(fā)性信號(hào)的檢測(cè),按鍵的檢測(cè)和處理,定時(shí)計(jì)數(shù),LED顯示掃描等。一般情況下,中斷程序應(yīng)盡可能保證代碼的簡(jiǎn)潔和短小,對(duì)于不需要實(shí)時(shí)去處理的功能,可以在中斷中設(shè)置觸發(fā)的標(biāo)志,然后由主程序來(lái)執(zhí)行具體的事務(wù)――這一點(diǎn)非常重要,特別是對(duì)于低功耗、低速的MCU來(lái)講,必須保證所有中斷的及時(shí)響應(yīng)。

對(duì)于不同任務(wù)體的安排,不同的MCU其處理的方法也有所不同。例如,對(duì)于低速、低功耗的MCU(Fosc=32768Hz)應(yīng)用,考慮到此類項(xiàng)目均為手持式設(shè)備和采用普通的LCD顯示,對(duì)按鍵的反應(yīng)和顯示的反應(yīng)要求實(shí)時(shí)性較高,應(yīng)此一般采用定時(shí)中斷的方式來(lái)處理按鍵的動(dòng)作和數(shù)據(jù)的顯示;而對(duì)于高速的MCU,如Fosc》1MHz的應(yīng)用,由于此時(shí)MCU有足夠的時(shí)間來(lái)執(zhí)行主程序循環(huán)體,因此可以只在相應(yīng)的中斷中設(shè)置各種觸發(fā)標(biāo)志,并將所有的任務(wù)放在主程序體中來(lái)執(zhí)行;

在MCU的程序設(shè)計(jì)中,還需要特別注意的一點(diǎn)就是:要防止在中斷和主程序體中同時(shí)訪問(wèn)或設(shè)置同一個(gè)變量或數(shù)據(jù)的情況。有效的預(yù)防方法是,將此類數(shù)據(jù)的處理安排在一個(gè)模塊中,通過(guò)判斷觸發(fā)標(biāo)志來(lái)決定是否執(zhí)行該數(shù)據(jù)的相關(guān)操作;而在其他的程序體中(主要是中斷),對(duì)需要進(jìn)行該數(shù)據(jù)的處理的地方只設(shè)置觸發(fā)的標(biāo)志。――這可以保證數(shù)據(jù)的執(zhí)行是可預(yù)知和唯一的。

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