步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)芯片概述目錄TOC\o"1-3"\h\u22196步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)芯片概述 1122461.1TMS320F2812芯片的簡(jiǎn)介 1191861.1.1TMS320F2812芯片的主要特點(diǎn) 149361.1.2TMS320F2812芯片的外部引腳 214591.2CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu) 3171121.1.1CPU概述 3107901.1.2CPU的結(jié)構(gòu)與總線 3174601.1.3CPU寄存器 4167861.3存儲(chǔ)器與通用I/O口 4298421.3.1存儲(chǔ)器 4289831.3.2外部擴(kuò)展接口 5137061.4中斷管理和復(fù)位 521101.4.1可屏蔽中斷 514831.4.2不可屏蔽中斷 5281871.4.3中斷處理步驟 61.1TMS320F2812芯片的簡(jiǎn)介TMS320F2812是一款DSP系列芯片，它是由德州儀器所生產(chǎn)的。這種晶片一經(jīng)面世，就獲得了極大的成功，并一直沿用至今。這也從側(cè)面證明了TMS320F2812芯片的強(qiáng)大功能和優(yōu)良的性能，并經(jīng)過(guò)了時(shí)間的檢驗(yàn)。TMS320F2812是一個(gè)32位的指針芯片，它能在單位時(shí)間中對(duì)32位的二進(jìn)制字長(zhǎng)進(jìn)行處理，并且當(dāng)代表一個(gè)真實(shí)數(shù)字時(shí)，小數(shù)點(diǎn)的位置是不變的，這樣就便于操作。因?yàn)樵撔酒褂昧烁牧嫉腍arvard架構(gòu)，所以可以讓程序內(nèi)存，數(shù)據(jù)內(nèi)存都能單獨(dú)工作，因此，該芯片的計(jì)算速度得到了極大的提升。同時(shí)，該芯片具有更多的外部接口，可以按照不同的應(yīng)用環(huán)境，配置不同的外部裝置。1.1.1TMS320F2812芯片的主要特點(diǎn)TMS320F2812芯片使用了高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù)，將總線頻率提升至150MHz，這就意味著在CPU和內(nèi)存之間，可以進(jìn)行更多的數(shù)據(jù)交換，從而使CPU的性能得到最大程度的發(fā)揮，從而使計(jì)算速度得到提升。與其它邏輯相比，CMOS邏輯具有更高的抗干擾性、更低的能耗、更寬的容許電壓等優(yōu)點(diǎn)。而核心電源的選擇，則是1.8V，以減少功耗和耗電。而芯片的I/O工作電壓只有3.3V，這是由于需要與外部設(shè)備相連，高壓可以降低干擾。另外，TMS320F2812還能利用JTAG對(duì)其內(nèi)部各部件進(jìn)行檢測(cè)，從而提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理效率。因?yàn)樵谛酒械闹醒胩幚砥鳎–PU）采用了改良的Harvard結(jié)構(gòu)體系，所以它可以讓數(shù)據(jù)總線和程序總線彼此獨(dú)立，從而提升了它的工作速度。與此同時(shí)，它還可以通過(guò)流水操作來(lái)縮短程序的運(yùn)行時(shí)間。CPU具有很強(qiáng)的能力，可以在一次運(yùn)算中進(jìn)行乘法、加法、移位等操作。就記憶體而言，又可劃分為晶片內(nèi)部記憶體與晶片外部記憶體。由于受到芯片整體體積、功耗大小和集成技術(shù)的限制，片內(nèi)存儲(chǔ)器的容量比較小，所以在需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量比較大的時(shí)候，就必須對(duì)外部存儲(chǔ)器進(jìn)行擴(kuò)展。TMS320F2812單片機(jī)具有最多176個(gè)引腳，并具有外存儲(chǔ)接口，便于存儲(chǔ)能力的擴(kuò)充。同時(shí)，大量的引腳也方便了芯片對(duì)外圍器件進(jìn)行擴(kuò)充，使得該芯片可以針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行擴(kuò)充，極大地?cái)U(kuò)大了其使用范圍。另外，該芯片還具備12位ADC16信道，并可支援低耗與省電兩種方式。1.1.2TMS320F2812芯片的外部引腳本論文中使用的TMS320F2812是一個(gè)具有176針的PGFLQFP封裝，如圖1.1所示，可從該芯片的俯視圖中看出。圖1.1176引腳LQFP封裝頂視圖其中，一些引腳會(huì)包含XINTF地址資料總線（該總線的一部分用于傳送地址資訊，該總線的數(shù)量將會(huì)影響芯片的直接編址空間；剩余總線用于傳輸數(shù)據(jù)信息、XINTF控制總線來(lái)控制程序的運(yùn)行進(jìn)度、JTAG和其他信號(hào)線用來(lái)檢測(cè)芯片有沒有問(wèn)題并進(jìn)行通信、ADC模擬輸入信號(hào)線用來(lái)把外部連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號(hào)、電源信號(hào)線來(lái)確保電源的供應(yīng)、GPIO信號(hào)線可以被軟件編程設(shè)定為輸入或者輸出來(lái)使用。1.2CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)中央處理器（CPU）是TMS320F2812芯片的主要組成部分，它被用來(lái)處理控制程序中的指令，讓指令的編碼譯碼工作變得有條不紊，與此同時(shí)，它還可以執(zhí)行指令對(duì)應(yīng)的操作，并對(duì)各個(gè)操作所用的時(shí)間進(jìn)行管控，最后處理數(shù)據(jù)，比如說(shuō)進(jìn)行乘法、加法、移位等各種運(yùn)算得到結(jié)果。接著介紹了CPU的工作原理，內(nèi)部結(jié)構(gòu)，功能角色等。1.1.1CPU概述中央處理器（CPU）是一種性能高、功耗低的32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，它集合了微控制器的眾多優(yōu)良特性，擁有很多先進(jìn)的性能。改進(jìn)后的Harvard架構(gòu)，使CPU的程序總線和數(shù)據(jù)總線彼此獨(dú)立，這樣就能在一段時(shí)間里同時(shí)讀入指令和進(jìn)行操作，極大地提高了計(jì)算的效率。CPU由三個(gè)部分構(gòu)成，它們分別是：運(yùn)算器，用于進(jìn)行邏輯運(yùn)算、加減乘法運(yùn)算等，控制所有指令先后執(zhí)行順序的控制器，存儲(chǔ)處理結(jié)果和各種重要數(shù)據(jù)的寄存器。另外，CPU還有一些重要的參數(shù)，可以用來(lái)衡量其性能優(yōu)劣，比如工作頻率、總線頻率、字長(zhǎng)等。1.1.2CPU的結(jié)構(gòu)與總線該系統(tǒng)的核心部分由運(yùn)算單元、控制器、寄存器組成。運(yùn)算器，正如它的名字所說(shuō)，它是一種用來(lái)進(jìn)行計(jì)算的設(shè)備，它是通過(guò)控制器發(fā)出的命令來(lái)進(jìn)行控制的。它的核心是一個(gè)算術(shù)邏輯單元（ALU)，它能夠執(zhí)行乘法、加法等算數(shù)運(yùn)算，以及移位、比較等邏輯運(yùn)算?？刂破骶拖袷荂PU的大腦，它用來(lái)對(duì)整個(gè)器件的工作進(jìn)行協(xié)調(diào)，按照操作員編制好的程序，按順序?qū)χ噶钸M(jìn)行解碼，并向其他執(zhí)行器件發(fā)送信號(hào)；寄存器是用來(lái)存儲(chǔ)一些重要數(shù)據(jù)的，例如：等待處理的數(shù)據(jù)、處理后的數(shù)據(jù)結(jié)果等，它可以降低CPU讀取數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間，從而提升工作速度。接下來(lái)，我們?cè)賮?lái)看一看CPU總線，這是CPU和其它設(shè)備間通信的總線，按其作用可以劃分為：地址總線，控制總線，數(shù)據(jù)總線。其中，控制總線用來(lái)傳遞控制信號(hào)，控制信號(hào)有時(shí)由CPU傳遞給存儲(chǔ)器等執(zhí)行器件，有時(shí)由其他器件反饋回CPU，具體方向則取決于控制信號(hào)本身，所以控制總線是雙向的。地址總線用于傳送與之對(duì)應(yīng)的設(shè)備所對(duì)應(yīng)的地址，它僅能從中央處理器傳送到其它設(shè)備，因此具有單向性。數(shù)據(jù)總線用于傳輸信息，具有雙向性，可以將來(lái)自CPU的信息傳輸?shù)狡渌O(shè)備，也可以將信息傳輸?shù)紺PU。1.1.3CPU寄存器寄存器是一種用來(lái)存放二進(jìn)制信息的裝置，它是一種用來(lái)存放二進(jìn)制信息的裝置。寄存器對(duì)CPU而言非常重要，因?yàn)樗梢员４娣浅ｊP(guān)鍵的運(yùn)行資料，并且可以縮短CPU對(duì)資料的存取時(shí)間。CPU的主要內(nèi)容有六個(gè)，下面就逐一介紹一下。本發(fā)明采用了一種新的存儲(chǔ)方式，即在CPU與其它設(shè)備間起到一個(gè)傳輸站的作用，并降低了CPU與其它設(shè)備間的傳輸速率差；而地址寄存器是用來(lái)存儲(chǔ)CPU當(dāng)前所訪問(wèn)的地址的，因?yàn)樗俣壬系牟煌?，所以?dāng)?shù)刂芳拇嫫鞯絹?lái)時(shí)，就必須存儲(chǔ)這些地址。其中，所述的指令寄存器用于存儲(chǔ)當(dāng)前正在被執(zhí)行的指令，所述的指令是通過(guò)所述的數(shù)據(jù)寄存器傳輸?shù)模辉摮绦蛴?jì)數(shù)器能記錄下一個(gè)命令的位址，以便下一個(gè)命令的讀出；一個(gè)累加寄存器，用于為一個(gè)算數(shù)邏輯裝置提供一個(gè)工作空間，或暫時(shí)存儲(chǔ)一個(gè)操作結(jié)果；程式狀態(tài)字寄存器是用來(lái)表示目前操作的狀況和程式如何運(yùn)作的。1.3存儲(chǔ)器與通用I/O口存儲(chǔ)器就像一個(gè)倉(cāng)庫(kù)，能夠儲(chǔ)存某些重要的程序執(zhí)行過(guò)程中所需要的數(shù)據(jù)，其本身就是一個(gè)邏輯回路，再進(jìn)一步劃分為若干個(gè)存儲(chǔ)區(qū)，用來(lái)儲(chǔ)存二進(jìn)制數(shù)據(jù)。通用I/O口，也叫GPIO，也就是所謂的GPIO，也就是說(shuō)，它的輸出電平的高低，可以按照具體的要求來(lái)設(shè)定。由于使用了改良的哈瓦德架構(gòu)系統(tǒng)，使得TMS320F2812的編程內(nèi)存和數(shù)據(jù)內(nèi)存是分離的，這使得它的數(shù)據(jù)傳輸速度得到了極大的提升。按照存儲(chǔ)在芯片內(nèi)部和外部的不同，存儲(chǔ)也可以被劃分為片內(nèi)存儲(chǔ)和片外存儲(chǔ)。1.3.1存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器可以按照是否能夠存取數(shù)據(jù)的不同，被劃分成兩種類型，一種是RAM，另一種是ROM。RAM屬于隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，它可以根據(jù)程序的運(yùn)行隨時(shí)讀取、寫入其中的數(shù)據(jù)，但是當(dāng)它被切斷電源的時(shí)候，里面的信息不會(huì)被保存。在RAM中，RAM還可以被劃分為SRAM與DRAM，SRAM是靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，它依賴于6個(gè)晶體管來(lái)存儲(chǔ)一個(gè)bit，不需要刷新。DRAM是一種動(dòng)態(tài)的RAM，它可以在1個(gè)晶體管的情況下儲(chǔ)存一位元的數(shù)據(jù)，但是為了保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性，它必須不停地進(jìn)行更新。ROM是一種唯讀存儲(chǔ)器，其中的資料只可讀，不可寫，不可改，當(dāng)關(guān)機(jī)時(shí)，資料仍可保存。TMS320F2812芯片以SRAM和ROM為核心，并配以閃存，因此其性能非常優(yōu)秀。FLASH內(nèi)存也可以叫FLASH內(nèi)存，它融合了RAM和ROM的優(yōu)勢(shì)，既可以讀寫數(shù)據(jù)，也可以在停電的情況下保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性。片上Flash存儲(chǔ)器是128K×16位的，它被劃分成多個(gè)單元，具有代碼安全保護(hù)和低功耗的功能，并且可以根據(jù)CPU時(shí)鐘頻率調(diào)節(jié)等待周期。1.3.2外部擴(kuò)展接口正如其名所示，擴(kuò)充介面是為晶片提供可擴(kuò)充的外設(shè)，因此可讓晶片在更多區(qū)域內(nèi)運(yùn)作。當(dāng)操作者希望對(duì)外部裝置下達(dá)命令，執(zhí)行某種動(dòng)作時(shí)，就需要與外部裝置進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的完成。TMS320F2812的晶片在與外延裝置配合時(shí)，應(yīng)注意其工作頻率是否一致。若有差異，就必須對(duì)對(duì)應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到一致性。1.4中斷管理和復(fù)位在很早之前，在沒有發(fā)生系統(tǒng)故障之前，操作者必須等待上一項(xiàng)工作完成后，再繼續(xù)執(zhí)行下一項(xiàng)工作，這給程序的運(yùn)行帶來(lái)了不便。因此，干擾控制技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生。CPU在處理當(dāng)前任務(wù)時(shí)，如果有緊急事件要調(diào)用CPU，則通過(guò)中斷系統(tǒng)，CPU可以先暫停當(dāng)前任務(wù)的運(yùn)行，改為處理緊急事件的程序，處理完畢后，再回到當(dāng)前任務(wù)，繼續(xù)運(yùn)行。按照是否可以禁止中斷的不同，中斷可以劃分為可屏蔽和非屏蔽。在操作員能夠通過(guò)設(shè)定中斷使能寄存器（IER）來(lái)控制特定的中斷，使得它能夠出現(xiàn)或不能夠出現(xiàn)時(shí)，表示這個(gè)中斷是可掩碼的，反之，這個(gè)中斷是不可掩碼的。1.4.1可屏蔽中斷通常，從內(nèi)部發(fā)出的中斷都是不可屏蔽的，從外部發(fā)出的中斷又有可屏蔽和不可屏蔽之分。即，可以被掩碼的中斷是由于某些具有中斷功能的外設(shè)造成的。此外，該可掩碼的中斷還受中斷使能寄存器，簡(jiǎn)稱IFR的影響，通過(guò)對(duì)該中斷序列標(biāo)記的設(shè)定，可以判定CPU對(duì)該中斷請(qǐng)求的響應(yīng)程度。1.4.2不可屏蔽中斷所謂“不可屏蔽”，就是CPU需要做出反應(yīng)的一種中斷，它可以是CPU內(nèi)部的，也可以是外部的，向CPU報(bào)告有什么緊急情況。不可屏蔽中斷主要有以下幾種：一種是以軟件方式模仿硬件上的中斷；其中，一個(gè)用于確定一個(gè)中斷來(lái)源的標(biāo)記，可以存儲(chǔ)一個(gè)或多個(gè)輸入端的輸入端地址，也可以用一個(gè)或多個(gè)輸入端的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)中斷；非法指令陷阱，指的是當(dāng)CPU被干擾，或者是系統(tǒng)被擾亂的時(shí)候，會(huì)獲得一個(gè)不能被辨識(shí)的、無(wú)效的、不能被辨識(shí)的運(yùn)算代碼，也就是一條非法指