MSP430簡(jiǎn)介之我見(jiàn)
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1、MSP430 單片機(jī)的發(fā)展
MSP430 系列是一個(gè) 16 位的、具有精簡(jiǎn)指令集的、超低功耗的混合型單片機(jī)，在 1996 年問(wèn)世，由于它具有極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開(kāi)發(fā)手段，已成為眾多單片機(jī)系列中一顆耀眼的新星。回憶 MSP430 系列單片機(jī)的發(fā)展過(guò)程，可以看出有這樣三個(gè)階段：
開(kāi)始階段 從 1996 年推出 MSP430 系列開(kāi)始到 2000 年初，這個(gè)階段首先推出有 33X 、 32X 、 31X 等幾個(gè)系列，而后于 2000 年初又推出了 11X 、 11X1 系列。
MSP430 的 33X 、 32X 、 31X 等系列具有LCD驅(qū)動(dòng)模塊，對(duì)提高系統(tǒng)的集成度較有利。每一系列有 ROM 型（ C ）、 OTP 型（ P ）、和 EPROM 型（ E ）等芯片。 EPROM 型的價(jià)格昂貴，運(yùn)行環(huán)境溫度范圍窄，主要用于樣機(jī)開(kāi)發(fā)。這也表明了這幾個(gè)系列的開(kāi)發(fā)模式，即：用戶可以用 EPROM 型開(kāi)發(fā)樣機(jī)；用 OTP 型進(jìn)行小批量生產(chǎn)；而 ROM 型適應(yīng)大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品。
2000 年推出了 11X/11X1 系列。這個(gè)系列采用 20 腳封裝，內(nèi)存容量、片上功能和 I/O 引腳數(shù)比較少，但是價(jià)格比較低廉。
這個(gè)時(shí)期的 MSP430 已經(jīng)顯露出了它的特低功耗等的一系列技術(shù)特點(diǎn)，但也有不盡如人意之處。它的許多重要特性，如：片內(nèi)串行通信接口、硬件乘法器、足夠的 I/O 引腳等，只有 33X 系列才具備。 33X 系列價(jià)格較高，比較適合于較為復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)。當(dāng)用戶設(shè)計(jì)需要更多考慮成本時(shí)， 33X 并不一定是最適合的。而片內(nèi)高精度A/D 轉(zhuǎn)換器又只有 32X 系列才有。
尋找突破，引入Flash技術(shù) 隨著 Flash 技術(shù)的迅速發(fā)展， TI 公司也將這一技術(shù)引入 MSP430 系列中。在 2000 年 7 月推出 F13X/F14X 系列，在 2001 年 7 月到 2002 年又相繼推出 F41X 、 F43X 、 F44X 這些全部是 Flash 型單片機(jī)。
F41X 單片機(jī)是目前應(yīng)用比較廣的單片機(jī)，它有 48 個(gè) I/O 口， 96 段 LCD 驅(qū)動(dòng)。 F43X 、 F44X 系列是在 13X 、 14X 的基礎(chǔ)上，增加了液晶驅(qū)動(dòng)器，將驅(qū)動(dòng) LCD 的段數(shù)由 3XX 系列的最多 120 段增加到 160 段。并且相應(yīng)地調(diào)整了顯示存儲(chǔ)器在存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的地址，為以后的發(fā)展拓展了空間。
MSP430 系列由于具有 Flash 存儲(chǔ)器，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)調(diào)試及實(shí)際應(yīng)用上都表現(xiàn)出較明顯的優(yōu)點(diǎn)。這是 TI 公司推出具有 Flash 型存儲(chǔ)器及 JTAG 邊界掃描技術(shù)的廉價(jià)開(kāi)發(fā)工具 MSP-FET430X110 ，將國(guó)際上先進(jìn)的 JTAG 技術(shù)和 Flash 在線編程技術(shù)引入 MSP430 。
這種以 Flash 技術(shù)與 FET 開(kāi)發(fā)工具組合的開(kāi)發(fā)方式，具有方便、廉價(jià)、實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，給用戶提供了一個(gè)較為理想的樣機(jī)開(kāi)發(fā)方式。
另外， 2001 年 TI 公司又公布了 BOOTSTRAP 技術(shù)，利用它可在燒斷熔絲以后只要幾根線就可更改并運(yùn)行內(nèi)部的程序。這為系統(tǒng)軟件的升級(jí)提供了又一方便的手段。 BOOTSTRAP 具有很高的保密性，口令可達(dá)到 32 個(gè)字節(jié)的長(zhǎng)度。
蓬勃發(fā)展階段 在前一階段，引進(jìn)新技術(shù)和內(nèi)部進(jìn)行調(diào)整之后，為 MSP430 的功能擴(kuò)展打下了良好的基礎(chǔ)。于是 TI 公司在 2002 年底和 2003 年期間又陸續(xù)推出了 F15X 和 F16X 系列的產(chǎn)品。
在這一新的系列中，有了兩個(gè)方面的發(fā)展。一是從存儲(chǔ)器方面來(lái)說(shuō)，將 RAM 容量大大增加，如 F1611 的 RAM 容量增加到了 10KB 。這樣一來(lái)，希望將實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（ RTOS ）引入 MSP430 的，就不會(huì)因 RAM 不夠而發(fā)愁了。二是從外圍模塊來(lái)說(shuō)，增加了 I 2 C 、 DMA 、DAC12 和 SVS 等模塊。
在 2003 年中， TI 公司還推出了專門用于電量計(jì)量的 MSP430FE42X 和用于水表、氣表、熱表上的具有無(wú)磁傳感模塊的 MSP430FW42X 單片機(jī)。我們相信由于 MSP430 的開(kāi)放性的基本架構(gòu)和新技術(shù)的應(yīng)用，新的 MSP430 的產(chǎn)品品種必將會(huì)不斷出現(xiàn)。
2、 MSP430 單片機(jī)的特點(diǎn)
MSP430 系列單片機(jī)的迅速發(fā)展和應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，主要取決于以下的特點(diǎn)。
強(qiáng)大的處理能力 MSP430 系列單片機(jī)是一個(gè) 16 位的單片機(jī)，采用了精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（ 7 種源操作數(shù)尋址、 4 種目的操作數(shù)尋址）、簡(jiǎn)潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在 8MHz 晶體驅(qū)動(dòng)下指令周期為 125 ns 。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。
在運(yùn)算速度方面， MSP430 系列單片機(jī)能在 8MHz 晶體的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn) 125ns 的指令周期。 16 位的數(shù)據(jù)寬度、 125ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實(shí)現(xiàn)乘加）相配合，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的某些算法（如 FFT 等）。
MSP430 系列單片機(jī)的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時(shí)靈活方便。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時(shí)，用中斷請(qǐng)求將它喚醒只用 6us 。
超低功耗 MSP430 單片機(jī)之所以有超低的功耗，是因?yàn)槠湓诮档托酒?strong>電源電壓及靈活而可控的運(yùn)行時(shí)鐘方面都有其獨(dú)到之處。
首先， MSP430 系列單片機(jī)的電源電壓采用的是 1.8~3.6V 電壓。因而可使其在 1MHz 的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)， 芯片的電流會(huì)在 200~400uA 左右，時(shí)鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有 0.1uA 。
其次，獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在 MSP430 系列中有兩個(gè)不同的系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)：基本時(shí)鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)（ FLL 和 FLL+ ）時(shí)鐘系統(tǒng)或 DCO 數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)。有的使用一個(gè)晶體振蕩器（ 32768Hz ） , 有的使用兩個(gè)晶體振蕩器）。由系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生 CPU 和各功能所需的時(shí)鐘。并且這些時(shí)鐘可以在指令的控制下，打開(kāi)和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總體功耗的控制。
由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)打開(kāi)的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著的不同。在系統(tǒng)中共有一種活動(dòng)模式（ AM ）和五種低功耗模式（ LPM0~LPM4 ）。在等待方式下，耗電為 0.7uA ，在節(jié)電方式下，最低可達(dá) 0.1uA 。
系統(tǒng)工作穩(wěn)定。上電復(fù)位后，首先由 DCOCLK 啟動(dòng) CPU ，以保證程序從正確的位置開(kāi)始執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的起振及穩(wěn)定時(shí)間。然后軟件可設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊?lái)確定最后的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。如果晶體振蕩器在用做 CPU 時(shí)鐘 MCLK 時(shí)發(fā)生故障， DCO 會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，以保證系統(tǒng)正常工作；如果程序跑飛，可用看門狗將其復(fù)位。
豐富的片上外圍模塊 MSP430 系列單片機(jī)的各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。它們分別是看門狗（ WDT ）、模擬比較器A 、定時(shí)器 A （ Timer_A ）、定時(shí)器 B （ Timer_B ）、串口 0 、1（ USART0 、1 ）、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、 10 位 /12 位ADC、IIC總線直接數(shù)據(jù)存?。?DMA ）、端口 O （ P0 ）、端口 1~6 （ P1~P6 ）、基本定時(shí)器（ Basic Timer ）等的一些外圍模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序失控時(shí)迅速?gòu)?fù)位；模擬比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時(shí)器，可設(shè)計(jì)出 A/D 轉(zhuǎn)換器； 16 位定時(shí)器（ Timer_A 和 Timer_B ）具有捕獲 / 比較功能，大量的捕獲 / 比較寄存器，可用于事件計(jì)數(shù)、時(shí)序發(fā)生、PWM等；有的器件更具有可實(shí)現(xiàn)異步、同步及多址訪問(wèn)串行通信接口可方便的實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信等應(yīng)用；具有較多的 I/O 端口，最多達(dá) 6*8 條 I/O 口線； P0 、 P1 、 P2 端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入； 12/14 位硬件 A/D 轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達(dá) 200kbps ，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；能直接驅(qū)動(dòng)液晶多達(dá) 160 段；實(shí)現(xiàn)兩路的 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換；硬件IIC串行總線接口實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器串行擴(kuò)展；以及為了增加數(shù)據(jù)傳輸速度，而采用直接數(shù)據(jù)傳輸（ DMA ）模塊。 MSP430 系列單片機(jī)的這些片內(nèi)外設(shè)為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。
方便高效的開(kāi)發(fā)環(huán)境 目前 MSP430 系列有 OPT 型、 FLASH 型和 ROM 型三種類型的器件，這些器件的開(kāi)發(fā)手段不同。對(duì)于 OPT 型和 ROM 型的器件是使用仿真器開(kāi)發(fā)成功之后在燒寫或掩膜芯片；對(duì)于 FLASH 型則有十分方便的開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境，因?yàn)槠骷瑑?nèi)有 JTAG 調(diào)試接口，還有可電擦寫的 FLASH 存儲(chǔ)器，因此采用先下載程序到 FLASH 內(nèi)，再在器件內(nèi)通過(guò)軟件控制程序的運(yùn)行，由 JTAG 接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計(jì)者調(diào)試使用的方法進(jìn)行開(kāi)發(fā)。這種方式只需要一臺(tái) PC 機(jī)和一個(gè) JTAG 調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。開(kāi)發(fā)語(yǔ)言有匯編語(yǔ)言和 C 語(yǔ)言。
MSP430 單片機(jī)目前主要以 FLASH 型為主。
適應(yīng)工業(yè)級(jí)運(yùn)行環(huán)境 MSP430 系列器件均為工業(yè)級(jí)的，運(yùn)行環(huán)境溫度為 -40~+ 85 攝氏度 ，所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品適合用于工業(yè)環(huán)境下。
⒊ MSP430 系列與89C51系列的比較
我國(guó)的多數(shù)讀者對(duì)89C51系列的單片機(jī)是很熟悉的，為了加深對(duì) MSP430 系列單片機(jī)的認(rèn)識(shí)，我們不妨將兩者進(jìn)行一下比較。
首先，89C51單片機(jī)是 8 位單片機(jī)。其指令是采用的被稱為“ CISC ”的復(fù)雜指令集，共具有 111 條指令。而 MSP430 單片機(jī)是 16 位的單片機(jī)，采用了精簡(jiǎn)指令集（ RISC ）結(jié)構(gòu)，只有簡(jiǎn)潔的 27 條指令，大量的指令則是模擬指令，眾多的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算。這些內(nèi)核指令均為單周期指令，功能強(qiáng)，運(yùn)行的速度快。
其次，89C51單片機(jī)本身的電源電壓是 5 伏，有兩種低功耗方式：待機(jī)方式和掉電方式。正常情況下消耗的電流為 24mA ，在掉電狀態(tài)下，其耗電電流仍為 3mA ；即使在掉電方式下，電源電壓可以下降到 2V ，但是為了保存內(nèi)部 RAM 中的數(shù)據(jù)，還需要提供約 50uA 的電流。而 MSP430 系列單片機(jī)在低功耗方面的優(yōu)越之處，則是89C51系列不可比擬的。正因?yàn)槿绱耍?MSP430 更適合應(yīng)用于使用電池供電的儀器、儀表類產(chǎn)品中。
再者，89C51系列單片機(jī)由于其內(nèi)部總線是 8 位的，其內(nèi)部功能模塊基本上都是 8 位的雖然經(jīng)過(guò)各種努力其內(nèi)部功能模塊有了顯著增加，但是受其結(jié)構(gòu)本身的限制很大，尤其模擬功能部件的增加更顯困難。 MSP430 系列其基本架構(gòu)是16位的，同時(shí)在其內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換還存在 8 位的總線，在加上本身就是混合型的結(jié)構(gòu)，因而對(duì)它這樣的開(kāi)放型的架構(gòu)來(lái)說(shuō)，無(wú)論擴(kuò)展 8 位的功能模塊，還是16位的功能模塊，即使擴(kuò)展模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換或數(shù) / 模轉(zhuǎn)換這類的功能模塊也是很方便的。這也就是為什么 MSP430 系列產(chǎn)品和其中功能部件迅速增加的原因。
最后，就是在開(kāi)發(fā)工具上面。對(duì)于89C51來(lái)說(shuō)，由于它是最早進(jìn)入中國(guó)的單片機(jī)，人們對(duì)它在熟悉不過(guò)了，再加上我國(guó)各方人士的努力，創(chuàng)造了不少適合我們使用的開(kāi)發(fā)工具。但是如何實(shí)現(xiàn)在線編程還是一個(gè)很大的問(wèn)題。對(duì)于 MSP430 系列而言，由于引進(jìn)了 Flash 型程序存儲(chǔ)器和 JTAG 技術(shù)，不僅使開(kāi)發(fā)工具變得簡(jiǎn)便，而且價(jià)格也相對(duì)低廉，并且還可以實(shí)現(xiàn)在線編程。
評(píng)論