2016 第2章 msp430微控制器体系结构_47200263

1、第2章 MSP430微控制器体系结构第1节第2节第3节第4节MSP430 MCU 概述MSP430 MCU的基本结构（CPU, ROM/RAM, GPIO）MSP430 CPU 的寻址方式MSP430 CPU 的指令系统本章课程目标：1. 掌握MSP430的基本结构（CPU, ROM/RAM, GPIO）2. 掌握常用的MSP430的寻址方式和指令系统3. 熟悉EW430开发环境的使用方法（通过实验）第1节MSP430 MCU 概述MSP430单片机简介MSP430系列单片机是美国德州仪器公司Ti 的16位超低功耗的混合信号处理器(Mixed Signal Processor) ，针对实际应用

2、需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供实际应用的“单片”解决方案。MSP430单片机各系列无段式LCD控制器系列MSP430x 3xx 、4xx、6xx带段式LCD控制器系列 MSP430 x 1xx 、2xx、5xx注用户手册详细描述该系列MCU内部模块功能、使用方法等如 MSP430x2xx Family User Guider.pdfMCU数据手册详细描述该MCU内部的配置、引脚功能等如MSP430G2x53.pdfMSP430 MCU命名规则MSP430 F 1 4 9IPM封装类型双列直插各种系列PDIP最高8MHz1xxDWSOIC20最高16MHzQFP

3、64(1mm间距)2xxPM3xxOTP最高16MHzQFP64(0.5mm间距)PJM4xx带LCD控制最高25MHz5xx温度范围最高25MHz 带LCD控制6xx-40+85I-40+105T存储器ROM类型CROMPOTPFFLASHFRFRAMGFLASHValue line器件配置I/O 端口数串口类型/个数ADC类型/ 个数DAC 类型/ 个数段式LCD控制器硬件乘法器定时器类型/个数ROM大小RAM大小几款MSP430MCU配置比较型号MSP430F135MSP430F149MSP430F169Flash ROM16KB60KB60KBSRAM512B2KB2KBI/O引脚数4

4、84848TimerA333TimerB377USART122ADC12有有有硬件乘法器MPY无有有DAC12无无有I2C无无有DMA无无有电源电压检测SVS无无有MSP430x13x功能结构图XIN XOUT AVcc Avss VREF+ VeREF+ VREF-/VeREF-P1 P2P3 P4P5 P6888888XT2INXT2OUTACLKSMCLK振荡器系统时钟Port 1/2带中断Port3/4Port5/6RAMFlashROMADC12DVccDVssMCLKMAB16-bit16位RSICCPURST/NMIJTAGMCB调试模块MDBMDB 16-bit8-bit4TM

5、STCK TDI/TCLK TDO/TDITimerB3TimerA3比较器AWDTPORUSART0总线控制MSP430x14x功能结构图XIN XOUT AVcc Avss VREF+ VeREF+ VREF-/VeREF-P1 P2P3 P4P5 P6888888XT2INXT2OUTACLKSMCLK振荡器系统时钟Port 1/2带中断Port3/4Port5/6RAMFlashROMADC12DVccDVssMCLKMAB16-bit16位RSICCPURST/NMIJTAGMCB调试模块总线MDBMDB 16-bit8-bit控制4TMSTCK TDI/TCLK TDO/TDI硬件

6、乘法器TimerB7TimerA3比较器AWDTPORUSART0USART1MSP430x16x功能结构图XIN XOUT AVcc Avss VREF+ VeREF+ VREF-/VeREF-P1 P2P3 P4P5 P6888888XT2INXT2OUTACLKSMCLK振荡器系统时钟Port 1/2带中断Port3/4Port5/6RAMFlashROMADC12DAC12DVccDVssMCLKMAB16-bit16位RSICCPURST/NMIJTAGMCB调试模块总线MDBMDB 16-bit8-bit控制4TMSTCK TDI/TCLK TDO/TDI硬件TimerB7Time

7、rA3比较器ADMAWDTPORSVSUSART0USART1乘法器课后练习：阅读msp430x15x-16x.pdf 第5页，比较msp430x15x和MSP430x16x 内部模块有何不同?MSP430G2x13功能结构图P1(XIN/P2.6XOUT/P2.7)P2P3DVccDVssRST/NMITEST仅28引脚、32引脚的MSP430G2x13有端口3模块20引脚的MSP430G2x13无端口3模块888ACLKPort 1Port 2Port 3SMCLK带中断带中断MCLK16位MAB 16-bitRSICJTAGMCBCPU调模块试MDB 16-bit总MDB线8-bit控制

8、USCIA0 USCIB0WDT+Timer0 Timer1掉电比较器(UART(SPI2BPA3A3保护A+SPI)IIC)SBWRAM 512B256BFlash 16KB8KB4KB2KB1KB振荡器系统时钟MSP430G2x53功能结构图P1(XIN/P2.6XOUT/P2.7)P2P3DVccDVssRST/NMITEST仅28引脚、32引脚的MSP430G2x53有端口3模块20引脚的MSP430G2x53无端口3模块888ACLKPort 1Port 2Port 3SMCLK带中断带中断MCLK16位MAB 16-bitRSICJTAGMCBCPU调模块试MDB 16-bit总M

9、DB线8-bit控制USCIA0 USCIB0WDT+Timer0 Timer1掉电比较器(UART(SPI2BPA3A3保护A+SPI)IIC)SBWADC10RAM 512B256BFlash 16KB8KB4KB2KB1KB振荡器系统时钟MSP430的体系结构与特点16-bit RISC CPU；丰富的peripherals模块（外设，I/O接口）； 灵活的时钟系统，支持各种低功耗运行方式；各模块通过内部三大总线（AB，DB，CB）互连；I/O接口与存储器采用统一编址方式； 27条核心指令，7种寻址方式；CPU中的寄存器均可以进行读和写操作（单周期）；无需寄存器中介的存储器之间的数据传送

10、； 内含常数发生器，可缩短代码长度；内嵌JTAG调试模块，方便开发调试；RISC（Reduced Instruction Set Computer）, 精简指令集计算机CISC（Complex Instruction Set Computer）, 复杂指令集计算机第2节MSP430 MCU的基本结构（CPU, ROM/RAM, GPIO）1. MSP430 MCU 的CPU16-bit RISC architecture 16个16位的寄存器27条核心指令7种寻址方式16-bit地址总线MSP430 CPU原理图AB16-bit数据总线DBCB控制总线通用寄存器指令指针寄存器堆栈指针寄存器常数

11、发生器运算ALU器状态SR寄/R存2 器指令译码与控制逻辑数据输入输出电路R2/R3SP/R1PC/R0R4R5R15地址输出电路MSP430 CPU 的寄存器MSP430 CPU的编程结构仅从编程的角度看待CPU的组成，主要是指CPU中的寄存器及其使用方法，而不关心其硬件实现的具体细节150R15General PurposeR14General PurposeR5General PurposeR4General PurposeR3/CG2 Constant GeneratorR2/SR/CG1 StatusR1/SP Stack Point0R0/PC Program Counter0汇编

12、语言直接与CPU中的寄存器打交道MSP430汇编语言程序：因此在汇编语言程序中要频繁使用寄存器例：右图的MSP430 汇编语言程序使用了R6,R7,R8,R2(SR) 等寄存器使用SR寄存器Start: MOV#100 , R6 MOV#0 , R8 MOV#2000H , R7Again:ADDR7 , R8 INCR7DECR6JNZagainMSP430 的 PC、SP 和SR 寄存器取完指令后CPU根据该指令的字节数自动增量PC，因此PC的值指向下一条要执行的指令。PC总是指向偶地址（bit0=0）堆栈用于保存子程序的返回地址等重要信息。堆栈按先进后出原则进行操作，堆栈指针SP 指向堆

13、栈的栈顶（TOP）。SP总是指向偶地址（bit0=0），并且必须由用户初始化。状态寄存器SR用于指示ALU的运算结果状态以及CPU、时钟和中断控制等。SR只能用于寄存器寻址方式的.W指令中。150若用于其它指令中，则实际上用的是常数发生器CG1，而不是SR。（SR与CG1具有相同的寄存器地址，通过寻址方式来区分）通用寄存器R15General PurposeR5General PurposeR4General PurposeR3Constant Generator2R2SR Status Register/CG1R1SP Stack Pointer0R0PC Program Counter0在

14、IAR EW430下用View/ Registers 查看寄存器的内容在IAR下用修改寄存器的内容 程序计数器PC( Program Counter)CPU到存储器取指令时, PC给出指令所在存储器单元的首址，即: 取指令的地址由程序计数器PC决定取完一条指令，PC将自动加上该指令的长度， 指向下一条指令（自动本能）在EW430查看程序执行和PC的变化View/registers/CPU Registers复位本能：复位（上电、按键、看门狗等）后，MCU自动从一固定（或预先设定）的地址（复位向量）开始取指并执行程序。在EW430查看程序执行和PC的变化View/registers/CPU Re

15、gisters操作F10, 单步执行在EW430查看程序执行和PC的变化View/registers/CPU Registers操作F10, 单步执行MSP430 CPU的状态寄存器SR/R2159876543210rw-0方式位（Mode Bits）: SCG1SCG0 OSCOFF CPUOFFGIE (General Interrupt enable)用于控制时钟、CPU 和中断状态位（Status Bits）： V (Overflow Flag)N (Negative Flag) Z (Zero Flag)C (Carry Flag)记录指令运算结果的状态信息。常作为后续转移指令的控制

16、条件，又称为条件码reservedVSCG1SCG0OSC OFFCPU OFFGIENZC加法运算对状态标志的影响举例159876543210被加数8位加数8位被加数1 0 1 1 0 1 0 11 0 0 0 1 1 1 1+进位1 0 1 1 1 1 1 1和8位0 1 0 0 0 1 0 0加数和最高位D7位产生进位:相加的结果为44H, 不为0: 结果为正：结果有溢出：C=1Z=0 N=0V=1运运算 算器器SRreservedVSCG1SCG0OSC OFFCPU OFFGIENZC利用EW430查看标志位:View/registers/CPU Registers/SRMOV.B#

17、10110101B,R4ADD.B#10001111B,R4执行前的状态C=0, Z=0, N=0, V=0利用EW430查看标志位(续) :View/registers/CPU Registers/SRMOV.B#10110101B, R4ADD.B#10001111B,R4执行后的状态, C=1, Z=0, N=0, V=1常用状态标志C 和Z 的含义及其使用C：进位标志（Carry Flag）加法时，若最高位有进位则C1，否则C0 减法时，若最高位有借位则C0，否则C1（此处C为“被减数”+ “减数补码”时的进位位，以简化全加器的设计）例：CMP指令与C标志结合可判断两数的大小：CMPx

18、 , y; y-xJClseq;若 C=1（无借位） , xy 运行此指令lseq:; lseq处的指令Z：零标志（Zero Flag）若运算结果为 0 时，则Z1，否则Z0例：CMP指令与Z标志结合测试两个操作数是否相等：CMPx , y;y-xJNC great;若 C=0（有借位） , xy , 转great处运行JZequal;若 Z=1 , x=y , 转equal处运行;否则xy 运行此指令great:equal: 与TST指令结合用Z测试某位是0还是1：1xxx xxxxB1000 0000B0xxx xxxxB1000 0000B例：测试R5的D7 是0还是1？与与1000 0

19、000BZ=00000 0000BZ=1TSTR5 , 1000 0000B;两个操作数相“与”JZzero;若 Z=1 则R5的D7=0，转 zero处运行;否则R5的D7=1，运行此指令zero: ; zero处的指令2. MSP430 MCU 的存储器与I/O 组织 MSP430 采用冯诺依曼结构（也称普林斯顿体系结构）： 程序存储器和数据存储器使用同一组地址和数据总线 I/O接口与存储器采用统一编址方式，总寻址空间64KBACLK外围外围外围SMCLK模块模块模块MCLK16MAB 16-bit位JTAGMCBRSIC调试CPU模块MDB 16-bitMDB8-bit4WDT外围外围外

20、围外围外围模块模块模块模块模块总线控制外围模块RAMFlash ROM振荡器MSP430的存储器与I/O 组织ABDBCB64K高低控制电路数据缓冲地址译码ROM程序和常数RAM变量与堆栈I/O SFR通用寄存器指令指针寄存器堆栈指针寄存器运算ALU器控制逻辑SR/R2状态寄存器指令译码器指令寄存器数据暂存器SP/R1R4R5R15PC/R0地址寄存器MSP430 64KB 字节可寻址空间的组织word/byte , read onlyword/byte , read onlyM0word/byte , read/writeword , read/writebyte , read/write

21、byte , read/write0FFFFh0FFE0h0FFDFhROM的最高地址都是0FFFFH, 起始地址随CU型号而不同interrupt vector table(32B)FLASH/ROMRAM起始地址都是200H, 末地址随MCU型号而不同；0200hRAM01FFh外围模块寄存器都在001FFH处0000h16-bit peripheral modules8-bit peripheral modulesSFRsMSP430F135/149 /169的存储器结构 不同型号MCU的存储器ROM和RAM容量不一样， ROM的最高地址都是0FFFFH, RAM起始地址都是0200H，

22、RAM的末地址= 该器件数据RAM 容量+ 0200H-1； 中断向量地址、外围模块地址、特殊功能寄存器地址范围相同MSP430F135MSP430F149MSP430F169ROM大小16KB60KB60KB中断向量地址32B, FFFFFFE0H代码存储器地址FFDFC000HFFDF1100HFFDF1100HRAM大小512B2KB2KBRAM地址03FF0200H09FF0200H09FF0200H16位外围模块地址01FF0100H8位外围模块地址00FF0010H特殊功能寄存器地址000F0000HMSP430G2xx3的存储器结构 不同型号MCU的存储器ROM和RAM容量不一样

23、， ROM的最高地址都是0FFFFH, RAM起始地址都是0200H，RAM的末地址= 该器件数据RAM 容量+ 0200H-1； 中断向量地址、外围模块地址、特殊功能寄存器地址范围相同MSP430G2153 G2113G2253 G2213G2353 G2313G2453 G2413G2553 G2513ROM容量1KB2KB4KB8KB16KB中断向量64B,0xFFFF0xFFC0代码存储器0xFFBF x0FC000xFFBF0xF8000xFFBF0xF0000xFFBF0xE0000xFFBF0xC000信息存储器256B, 0x10FF0x1000RAM容量256B256B256

24、B512B512B范围0x02FF0x02000x03FF020016位外围模块01FF0100H8位外围模块00FF0010H特殊功能寄存000F0000HMSP430 的存储格式（读/写模式）采用小端格式( Little Endian )高字节存储在高地址低字节存储在低地址byte可以在奇地址或偶地址word高字节只能在奇地址低字节只能在偶地址地址对齐对比大端格式( Big Endian )MSP430的存储器读/写模式采用小端模式（Little Endian）字操作必须从偶地址开始，否则实际存储结果与预想的不一样，在仿真执行过程中将报错0200h0201h0202h0203h预想结果例:

25、MOV#1234h,&0201h0200h0201h0202h0203h实际结果34h12h34H12H3. MSP430 MCUGeneral-purpose digital I/OGPIOMSP430 General-purpose digital I/O GPIO MSP430 具有丰富的端口资源，端口数随型号不同而不同， 最多可达8个8位端口。例：MSP430x11xx 有 2 个 端 口 P1P2 MSP430x12xx 有 3 个 端 口 P1P3 MSP430x13x/14x/15x/16x有6个端口P1P6MSP430G2xx有3个端口P1P3，其中20个引脚封装只有P1P2

26、目前 MSP430 MCU 的总线不对外开放，仅通过GPIO 的引脚对行输入/输出。通过操作GPIO的控制寄存器，可设置该GPIO的方向、功能等，且可进行位操作，即每位（引脚） 都可单独设置（思考：芯片外扩?） MSP430 操作GPIO的方法与操作存储器单元相同，只是两者的地址不同MSP430x14x/16x GPIOsP1P2P3P4P5P6ACLK SMCLKMCLKAB DB CBUSART0& USART1POR&COMP AADC12Timer A & Timer BWatchdogTimerCPURISCSRAMFlashI/O Port 1/216 I/OsI/O Port 1

27、/216 I/OsI/O Port 1/216 I/OsOSCSystem ClockP5P6P4P2引脚复用P3P1MSP430x14x/16x GPIO 的编程结构（不考虑中断功能）ABCBDBPxSEL : 功能选择寄存器。PxDIR : 方向选择寄存器。PxIN: 输入寄存器。PxOUT : 输出寄存器。0: I/O功能;0: 输入;0: 输入低电平;0: 输出低电平;1: 外设模块功能1: 输出1: 输入高电平1: 输出高电平x=16PxOUT数据缓冲PxIN输入输出电路PxDIRPxSEL地址译码控制电路CPUMSP430G2x53 GPIOsP1(XIN/P2.6XOUT/P2.

28、7)P2P3DVccDVssRST/NMITEST注：仅28和32引脚的MSP430G2x53有Port3，20引脚的无Port3888ACLKPort 1Port 2Port 3SMCLK带中断带中断MCLK16位MAB 16-bitRSICJTAGMCBCPU调试总模块MDB 16-bit线MDB8-bit控制USCIA0 USCIB0WDT+Timer0 Timer1掉电比较器(UART(SPI2BPA3A3保护A+SPI)IIC)SBWADC10RAM 512B256BFlash 16KB8KB4KB2KB1KB振荡器系统时钟20引脚双列直插式MSP430G2553DVCCP1.0/T

29、A0CLK/ACLK/A0/CA0 P1.1/TA0.0/UCA0RXD/UCA0SOMI/A1/CA1 P1.2/TA0.1/UCA0TXD/UCA0SIMO/A2/CA2 P1.3/ADC10CLK/CAOUT/VREF-/VEREF-/A3/CA3 P1.4/SMCLK/UCB0STE/UCA0CLK/VREF+/VEREF+/A4/CA4/TCK P1.5/TA0.0/UCB0CLK/UCA0STE/A5/CA5/TMSP2.0/TA1.0P2.1/TA1.1 P2.2/TA1.11234567891020191817161514131211DVSSXIN/P2.6/TA0.1 XOUT/P2.7 TEST/SBWTCK #RST/NMI/SBWTDIOP1.7/CAOUT/UCB0SIMO/UCB0SDA/A7/CA7/TDO/TDI P1.6/TA0.1/UCB0SOMI/UCB0SCL/A6/CA6/TDI/TCLK P2.5/TA1.2P2.4/TA1.2 P2.3/TA1.0Port1 , Port2参看 MSP