微控制器原理及應(yīng)用

PrincipleAndApplicationOfMicrocontroller

教材及參考書參考教材：《微控制器原理及應(yīng)用--基于TIC2000實(shí)時(shí)微控制器》，蔡逢煌、王武、江加輝，機(jī)械工業(yè)出版社參考資料：TMS320F2802x,TMS320F2802xxPiccoloTechnicalReferenceManual.TMS320F2802xMicrocontrollersdatasheet.《DSP原理及應(yīng)用》，程善美、沈安文，機(jī)械工業(yè)出版社2考核方式3一、平時(shí)成績(jī)：10分二、課后作業(yè)：30分（10次作業(yè)）三、期末考試（1個(gè)綜合設(shè)計(jì)）：60分（三人一組）第一章嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介1微控制器MCU2TIC2000實(shí)時(shí)微控制器3課程內(nèi)容體系445

1.1.1

什么是嵌入式系統(tǒng)

1.1.2

嵌入式系統(tǒng)和通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)比較1.1.3嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)

1.1.4嵌入式系統(tǒng)的分類1.1嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介國際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）定義的嵌入式系統(tǒng)是：“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備運(yùn)行的裝置”

國內(nèi)普遍定義：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、安全性、成本、體積、重量、功耗、環(huán)境等方面有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。特點(diǎn)：系統(tǒng)的應(yīng)用軟件與系統(tǒng)的硬件一體化；軟件代碼小、高度自動(dòng)化、響應(yīng)速度快。61.1什么是嵌入式系統(tǒng)

共同點(diǎn)：都屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，由硬件和軟件組成；工作原理相同，都屬存儲(chǔ)程序機(jī)制；從硬件上看，嵌入式系統(tǒng)和通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都是由CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口和中斷系統(tǒng)等部件組成；從軟件上看，嵌入式系統(tǒng)軟件和通用計(jì)算機(jī)軟件都可以劃分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩類。71.1.2嵌入式系統(tǒng)和通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的比較

不同點(diǎn)：形態(tài)，功能，資源，價(jià)值，功耗，開發(fā)方式。81.1.2嵌入式系統(tǒng)和通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的比較1.1.3嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)專用性強(qiáng)：嵌入式系統(tǒng)按照具體應(yīng)用需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成指定的任務(wù)，只能面向某個(gè)特定應(yīng)用?？刹眉粜裕呵度胧较到y(tǒng)的硬件和軟件必須高效率地設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求量體裁衣，去除冗余。實(shí)時(shí)性好：嵌入式系統(tǒng)能夠在可預(yù)知的極短時(shí)間內(nèi)對(duì)事件或用戶的干預(yù)做出響應(yīng)?？煽啃愿撸汉芏嗲度胧较到y(tǒng)必須持續(xù)不間斷工作。生命周期長(zhǎng)：嵌入式系統(tǒng)的生命周期與其嵌入的產(chǎn)品或設(shè)備同步。不易被壟斷：各類嵌入式系統(tǒng)軟硬件差別顯著91.1.4嵌入式系統(tǒng)的分類馮·諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)—結(jié)構(gòu)分類10馮·諾依曼結(jié)構(gòu)哈佛體系儲(chǔ)存系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖馮·諾依曼提出的三個(gè)基本原則：采用二進(jìn)制邏輯、程序存儲(chǔ)執(zhí)行以及計(jì)算機(jī)由五個(gè)部分組成（運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備）存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)：程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址、獨(dú)立訪問。1.1.4嵌入式系統(tǒng)的分類2.CISC和RISC—指令分類CISC:復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)，包括一個(gè)豐富的微指令集，這些微指令簡(jiǎn)化了在處理器上運(yùn)行的程序的創(chuàng)建，指令集越豐富，為微處理器編寫程序就越容易。CISC技術(shù)的復(fù)雜性在于硬件，在于CPU和控制單元的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。RISC:精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)，RISC結(jié)構(gòu)優(yōu)先選取使用頻率最高的簡(jiǎn)單指令，避免復(fù)雜指令；將指令長(zhǎng)度固定，指令格式和尋址方式種類減少。相對(duì)于CISC，RISC技術(shù)的復(fù)雜性在于軟件，在于編譯程序的編寫和優(yōu)化。111.1.4嵌入式系統(tǒng)的分類3.嵌入式系統(tǒng)處理器種類—處理器類型分類嵌入式處理器一般包含微處理器（MPU）、微控制器（MCU，俗稱單片機(jī)）、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和嵌入式片上系統(tǒng)（SystemonChip，簡(jiǎn)稱SoC）嵌入式微控制器（MCU）:又稱單片機(jī)，一般以某種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成了ROM/EPROM/RAM、總線、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、看門狗、I/O接口、ADC、PWM、通信接口等各種必要功能的外設(shè)。其片上外設(shè)資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱為微控制器。與嵌入式微處理器相比，MCU的最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降，可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流產(chǎn)品。12131.2.1MCU的概念

1.2.2MCU的基本組成1.2.3MCU的特點(diǎn)

1.2.4MCU的發(fā)展1.2.5MCU的應(yīng)用1.2微控制器MCU1.2.1MCU的概念

微控制器的英文名稱MCU（MicroControlUnit），又稱單片機(jī)(SingleChipMicrocomputer)，是把中央處理器CPU(CentralProcessUnit)、存儲(chǔ)器（Memory）、I/O接口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（Timer）、ADC、通信接口等外設(shè)以及連接它們的總線都集成在一塊芯片上，形成芯片級(jí)的計(jì)算機(jī)，為不同的應(yīng)用場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)不同組合控制，分為通用型和專用型兩大類。14中央處理器（CPU）--“大腦”：CPU由運(yùn)算器和控制器組成，是MCU的“大腦”，具有運(yùn)算和控制的功能。MCU的指令代碼就是通過CPU執(zhí)行的。MCU里面的CPU還增設(shè)了“面向控制”的處理功能，如位處理、查表、跳轉(zhuǎn)、乘除法運(yùn)算、狀態(tài)檢測(cè)、中斷處理等，增強(qiáng)了實(shí)用性。時(shí)鐘—“心臟”：時(shí)鐘是所有運(yùn)算和處理的源頭，提供MCU內(nèi)部各個(gè)模塊能夠正常運(yùn)行的“動(dòng)力和節(jié)奏”。存儲(chǔ)器—“大腦皮層、海馬體”：MCU的存儲(chǔ)器包括存放代碼指令的ROM/Flash(硬盤)，以及存放變量、數(shù)據(jù)的SRAM（內(nèi)存）。151.2.2MCU的基本組成1.2.2MCU的基本組成通用I/O口—“四肢軀干”：MCU一般都提供一定數(shù)量、使用靈活的通用I/O口（GPIO），可當(dāng)作輸入或輸出接口。大部分MCU為了減少引腳數(shù)量，I/O口還復(fù)用作為其它特殊功能引腳，比如PWM輸出、捕獲輸入、串行通信、外部中斷輸入等。中斷系統(tǒng)—“一心多用”：MCU的中斷系統(tǒng)能夠加強(qiáng)CPU對(duì)多任務(wù)事件的處理能力。中斷是CPU對(duì)系統(tǒng)發(fā)生的某個(gè)事件作出的一種反應(yīng)，是MCU的“靈魂”。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器—“年齡”：MCU的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器能夠提供精確定時(shí)，或者對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)。內(nèi)部硬件本質(zhì)是計(jì)數(shù)器，當(dāng)計(jì)數(shù)器脈沖來源是固定頻率脈沖時(shí)，可通過計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)，稱之為定時(shí)器。16

171.2.2MCU的基本組成看門狗定時(shí)器—“懸梁的繩”：看門狗定時(shí)器（WDT，WatchDogTimer），其目的是為了避免程序（學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)）進(jìn)入死循環(huán)（夢(mèng)鄉(xiāng)），也稱程序“跑飛”（神游）。

看門狗實(shí)質(zhì)是一個(gè)有預(yù)先設(shè)定值的計(jì)數(shù)器，程序運(yùn)行后開始計(jì)數(shù)，如果程序運(yùn)行正常，在計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值達(dá)到設(shè)置值之前，用戶編寫的程序會(huì)將看門狗計(jì)數(shù)器清零（俗稱“喂狗”），計(jì)數(shù)器重新開始計(jì)數(shù)。如果程序異常，計(jì)數(shù)器不會(huì)被清零，當(dāng)增加到設(shè)定值時(shí)，看門狗電路會(huì)輸出信號(hào)復(fù)位MCU系統(tǒng)。外設(shè)—“衣服眼鏡鞋”：隨著硬件的發(fā)展，MCU集成的外設(shè)越來越多，常用的外設(shè)模塊有：模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC）、PWM模塊、捕獲模塊（CAP）、通信模塊等等。不同芯片有不同的外設(shè)配置，用戶可根據(jù)產(chǎn)品的需求選擇最佳性價(jià)比的芯片。181.2.2MCU的基本組成1.2.3MCU的特點(diǎn)MCU的特點(diǎn)：（1）集成度高

體積小、易于產(chǎn)品化，能方便地組裝成各種智能式控制設(shè)備以及各種智能儀器儀表。（2）控制功能強(qiáng)

面向控制，能針對(duì)性地完成從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的各種控制任務(wù)?？煞奖愕貙?shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制。（3）可靠性高

抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)溫度范圍寬，在各種惡劣環(huán)境下可靠工作。（4）低功耗

采用CMOS工藝，極大地降低了單片機(jī)的功耗，目前主流MCU的供電電壓是3.3V。19（5）性價(jià)比高

芯片價(jià)格大概在幾塊到幾十塊之間，遠(yuǎn)低于電腦CPU價(jià)格。MCU廠家在提高單片機(jī)性能的同時(shí)，也在進(jìn)一步降低價(jià)格。（6）系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期短

由MCU豐富的外設(shè)功能，因而能使硬件設(shè)計(jì)得到極大的簡(jiǎn)化；軟件方面，各芯片廠家提供了各種可供調(diào)用的程序和配套的仿真器，使用戶的編程和調(diào)試變得很方便，大大減少了用戶系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試的時(shí)間，降低了開發(fā)周期和成本。201.2.3MCU的特點(diǎn)1.2.4MCU的發(fā)展飛速發(fā)展：

由于MCU功能的飛速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)科學(xué)的范疇。在一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合的MCU，國外對(duì)我們還是封鎖的。

在20世紀(jì)80年代到90年代，國內(nèi)廣泛使用Intel的MCS51系列和Motorola的68HC系列8位單片機(jī)。目前，除了TI的C2000系列、MSP430、MSP432系列單片機(jī)外，還有Microchip的PIC16/32系列、Atmel的AVR系列、NXP、ST的ARM系列、英飛凌的XC800、XC2000系列單片機(jī)等。211.2.5MCU的應(yīng)用廣泛應(yīng)用：（1）消費(fèi)電子類產(chǎn)品：空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)、電視機(jī)、掃地機(jī)器人、智能玩具、電子秤、家用多功能報(bào)警器等家電領(lǐng)域。（2）智能儀器儀表：溫度、濕度、流量、流速、電壓、頻率、功率等各類儀器儀表中。（3）測(cè)控系統(tǒng)：例如各種電機(jī)控制、電力電子控制、工業(yè)機(jī)器人、過程控制、檢測(cè)系統(tǒng)、汽車電子產(chǎn)品、軍工產(chǎn)品等等。（4）機(jī)電一體化產(chǎn)品：數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械以及機(jī)器人等。（5）物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域：POS機(jī)、送餐機(jī)器人等。（6）計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信領(lǐng)域：各種分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、智能通信設(shè)備、無線遙控系統(tǒng)等。22231.3.1TIC2000實(shí)時(shí)微控制器簡(jiǎn)介

1.3.2芯片命名規(guī)則1.3.3器件特性1.3.4芯片封裝

1.3TIC2000實(shí)時(shí)微控制器1.3.1TIC2000實(shí)時(shí)控制器簡(jiǎn)介241.3.2芯片命名規(guī)則命名規(guī)則芯片的命名包含前綴和后綴。TI的TMS320?MCU器件有三種前綴：TMX：試驗(yàn)器件，不一定滿足最終器件的電氣規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。TMP：芯片符合器件的電氣規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，但是未經(jīng)完整的質(zhì)量和可靠性驗(yàn)證。TMS：完全合格的產(chǎn)品器件251.3.4芯片封裝26

2802x48引腳LQFP封裝（俯視圖）27課程整體安排時(shí)間安排課程內(nèi)容第一周嵌入式系統(tǒng)背景第二周C2000控制器及硬件平臺(tái)第三周程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第四周軟件架構(gòu)和開發(fā)環(huán)境第五周GPIO模塊第六周中斷系統(tǒng)第七周定時(shí)器第八周CAP模塊第九周PWM模塊-1第十周PWM模塊-2第十一周ADC模塊第十二周SCI模塊第十三周綜合實(shí)訓(xùn)題目介紹第十四周-第十六周實(shí)踐、答疑、答辯1.4課程內(nèi)容體系28思考題：1-1什么是嵌入式系統(tǒng)？1-2嵌入