課程安排、以跑馬燈為目標(biāo)介紹硬件最小系統(tǒng)、時鐘、GPIO結(jié)構(gòu)等西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院寧改娣

博士

教授如何行動讓處理器系統(tǒng)“跑”

起來？1）硬件最小系統(tǒng)，MCU與PLD都一樣（花費(fèi)時間較少）2）編程和調(diào)試（IC如何出0或1）（花費(fèi)時間多）3）集成開發(fā)環(huán)境（類似Vivado，如CCS等。不同廠家不同）若成功點(diǎn)燈，三個方面就入門了。是建立自信心的實(shí)驗(yàn)。目前處理器廠家給用戶提供了更為方便的學(xué)習(xí)途徑??！微處理器ICGPIO通常以跑馬燈實(shí)驗(yàn)入門，點(diǎn)燈不是目的哦！后續(xù)課程安排及成績分布課堂教學(xué)就是引導(dǎo)大家如何設(shè)計(jì)、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)？學(xué)委分小組？課外小組長負(fù)責(zé)入門實(shí)驗(yàn)，人人要會！第一次翻轉(zhuǎn)課堂（學(xué)生報(bào)名講“跑馬燈”軟硬件設(shè)計(jì)調(diào)試實(shí)驗(yàn)全過程，講之前PPT發(fā)給老師修改，老師通過后確認(rèn)翻轉(zhuǎn)課堂時間），進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)課程安排4次實(shí)驗(yàn)，即4次開卷實(shí)驗(yàn)考試——3次基礎(chǔ)+1次綜合。成績占理論課程總成績的40%。參與翻轉(zhuǎn)課堂的學(xué)生，加0~5分。訓(xùn)練和提高分析問題、定位問題和解決問題的能力！2026/1/30微處理器參考教材，器件手冊√寧改娣張虹著科學(xué)出版社新形態(tài)教材2026/1/30如何行動讓處理器系統(tǒng)“跑”

起來？下面首先想著如何用MCU點(diǎn)亮LED的硬件電路首先要讓MCU工作起來，即硬件最小系統(tǒng)！LED電路？微處理器ICGPIO通常以跑馬燈實(shí)驗(yàn)入門，點(diǎn)燈不是目的！2.3MCU硬件最小系統(tǒng)-都類似微處理器硬件是物質(zhì)基礎(chǔ)——1個IC的工作電路工作需要最基礎(chǔ)的硬件電路稱為硬件最小系統(tǒng)MCU+電源復(fù)位+時鐘+…——類似于FPGA最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件電路不用了解處理器內(nèi)部，具備數(shù)電基礎(chǔ)及電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)花費(fèi)大量時間在軟件上。目前，很多廠家網(wǎng)站都提供MCU硬件原理圖課程中一般沒有機(jī)會設(shè)計(jì)和制作硬件電路——會看。以“跑馬燈實(shí)驗(yàn)”為導(dǎo)向！MCU很復(fù)雜，僅關(guān)心目標(biāo)。2026/1/30下面介紹幾個MCU硬件最小系統(tǒng)

“數(shù)電”都介紹過花費(fèi)時間不多、移植性強(qiáng)MCS-51系列MCU的最小系統(tǒng)2026/1/302026/1/30西安交通大學(xué)電氣學(xué)院電子學(xué)TMS2812DSP最小系統(tǒng)——對外也是并行處理器，AB、DB獨(dú)立！電源、復(fù)位、時鐘、JTAG、上電程序引導(dǎo)等JTAG

電源復(fù)位時鐘

存儲器擴(kuò)展IS61LV6416-10MCU片外時鐘電路

呼吸燈閃爍時間與時鐘有關(guān)MCU是一個復(fù)雜的時序電路，時鐘是MCU一個非常重要的指標(biāo)。無論是CPU還是片內(nèi)外設(shè)模塊，都需要了解其時鐘源，來實(shí)現(xiàn)所預(yù)期的功能多數(shù)MCU片外兩種時鐘電路：2026/1/30（a）內(nèi)部時鐘方式；（b）外部時鐘方式上述8051、TMS2812都屬于MCU

對外都是并行的，有AB、DB、CS。

對外串行的MCU也很多

下面我們以TIMSP430MCU為例訓(xùn)練MCU開發(fā)的基本功

各班盡快領(lǐng)取實(shí)驗(yàn)平臺/MSP430系列單片機(jī)是TI在1996年開始推向市場一種16位超低功耗、具有精簡指令集（RISC）、采用馮﹒諾依曼結(jié)構(gòu)，且僅采用了27條簡單易懂的指令、7種尋址模式、I/O與數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址的混合信號處理器（MixedSignalProcessor，MSP）。以低功耗而聞名，適用于電池供電設(shè)備等對于功耗要求較高的領(lǐng)域。美國德州儀器公司（簡稱TI）MSP430簡介MSP430F1x、MSP430F2x/4x、MSP430F5x/6x、MSP430FRxxFRAM、MSP430G2x/i2x、31x、32x、33x等幾個子系列美國德州儀器公司（簡稱TI）MSP430簡介MSP430G2553中集成的外設(shè)包括GPIO、定時器、ADC、比較器、USCI串行通信、電容觸摸IO等。MSP430G2X系列簡介美國德州儀器公司（簡稱TI）MSP430簡介MSP430G2553實(shí)驗(yàn)平臺——全球共享，資源開放

TI大學(xué)計(jì)劃部支持的，斷供！/教材17.2.1節(jié)介紹MSP-EXP430G2LaunchPad實(shí)驗(yàn)平臺-學(xué)習(xí)用2026/1/30TI的超低功耗MCU—MSP430G2553：

16MHz主頻，16位CPU（對外串行口）

片上程序存儲器FLASH(16KB)

片上隨機(jī)存儲器SRAM(512B)

通用并行輸入輸出端口GPIO（P1~2）16/20

看門狗定時器WDT（片內(nèi)有可編程定時器）多功能通信模塊（I2C/SPI/UART...）

片內(nèi)溫度傳感器TempSensor

10位的ADC10。封裝小但資源豐富！集成了“數(shù)電”各模塊及沒講的串口LaunchPad上MCU的片內(nèi)資源：LaunchPad硬件原理圖-電源MSP430G2553LaunchPad板大致可分成三部分：電源部分：將從USB口引入的5V電平轉(zhuǎn)換為3.6V直流電供給調(diào)試編程部分與最小系統(tǒng)部分。最小系統(tǒng)部分：除電源，還包括MSP430G2553所需運(yùn)行的最小外圍器件、時鐘、復(fù)位等。USB調(diào)試與編程仿真器部分——是開發(fā)MCU的工具，科研要有獨(dú)立仿真器開發(fā)用戶硬件平臺后面著重最小系統(tǒng)的其它電路原理。2026/1/30

LED1LED2紅、綠兩個LEDMSP-EXP430G2LaunchPad

最小系統(tǒng)原理圖-16位CPU，對外串行附件1MSP-XP430G2_Schematic+Silkscreen.pdf文件P62026/1/30左圖為MSP430G2553的最小系統(tǒng)原理圖。圖中包括其外接晶振電路，S1手動復(fù)位電路，兩個LED與按鍵電路。圖中VCC為3.6V。最小系統(tǒng)的時鐘、復(fù)位、顯示電路（梁同學(xué)的部分翻轉(zhuǎn)課堂）LED如何亮？RST的有效性？復(fù)位時間？最小系統(tǒng)手動和上電復(fù)位電路（梁同學(xué)）左圖為原理圖中的手動復(fù)位電路。按鍵S1松開時，引腳處為高電平；按下時，引腳處為低電平有效信號，G2553開始復(fù)位。發(fā)光二極管電路（梁同學(xué)）紅:1.82-1.88V，電流5-8mA；綠:1.75-1.82V，3-5mA；橙:1.7-1.8V，3-5mA；像普通的0805貼片LED，一般來說5mA是很安全的，串聯(lián)電阻=(電源電壓-LED正向壓降)/電流。舉紅色LED為例，取紅色LED壓降為1.82V，電流5mA，得所串電阻阻值：即至少串聯(lián)一個356歐姆的電阻。LED分別由MCU的P1.0和P1.6引腳控制。引腳輸出0滅；1亮最小系統(tǒng)時鐘（梁同學(xué)）PPM是石英晶振的基本單位之一，表示晶振的精度和相對偏差，PPM代表著百萬分之一。所以如果你想用20PPM晶體建做一個鬧鐘，它就可能每月有1分鐘的誤差。最小系統(tǒng)時鐘（梁同學(xué)）零歐姆電阻又稱為跨接電阻器：

是一種特殊用途的電阻，0歐姆電阻的并非真正的阻值為零，歐姆電阻實(shí)際是電阻值很小的電阻。正因?yàn)橛凶柚?，也就和常?guī)貼片電阻一樣有誤差精度這個指標(biāo)。電路板設(shè)計(jì)中兩點(diǎn)不能用印刷電路連接，常在正面用跨線連接，這在普通板中經(jīng)?？吹?，為了讓自動貼片機(jī)和自動插件機(jī)正常工作，用零電阻代替跨線?？偨Y(jié)與展望到此MCU硬件介紹結(jié)束——簡單，要實(shí)現(xiàn)LED控制僅僅掌握外部硬件還不夠，片內(nèi)P1.0和P1.6引腳送出0，LED滅,輸出1，LED亮片內(nèi)GPIO如何送出0、1？要求綠燈亮1s滅1s，呼吸燈時間確定？微處理器工作原理：在時鐘節(jié)拍作用下一條條執(zhí)行用戶程序?。蓸?gòu)成軟件延時、定時器）很多MCU片內(nèi)有可編程時鐘塊，CPU時鐘？體現(xiàn)出微處理器軟件設(shè)計(jì)是靈魂,花費(fèi)大量時間2026/1/30/?#?27MCU片內(nèi)時鐘電路思考：呼吸燈如何實(shí)現(xiàn)？——綠燈亮1s滅1s不僅要清楚片外時鐘晶振頻率，越來越多的MCU片內(nèi)集成了可編程的時鐘模塊?？梢造`活地配置CPU時鐘。比如TI的DSP系列和MCU系列。一定注意：每個微處理器都有它的時鐘極限參數(shù)！

配置時鐘頻率時不能超過其極限參數(shù)！本尊16MHz清楚了時鐘模塊才能確定跑馬燈亮滅時間。學(xué)習(xí)MCU片內(nèi)定時器之前，可以軟件延時2026/1/30C28xOscillator/PLLClockModule

PLLCR@7021h150MHzDIV3DIV2DIV1DIV0 ClockFrequency(CLKIN)0000 OSCCLKx1/2(noPLL)0001 OSCCLKx1/20010 OSCCLKx2/20011 OSCCLKx3/20100 OSCCLKx4/20101 OSCCLKx5/20110 OSCCLKx6/20111 OSCCLKx7/21000 OSCCLKx8/21001 OSCCLKx9/21010 OSCCLKx10/2PLLCR3:0bits15:4reservedcrystalPLLClockModule4-bitPLLSelectX1/XCLKINX2XTALOSCWatchdogModule/2PLLCLKOSCCLK?C28xCoreCLKINMUXXF_XPLLDIS為低電平時，CPU直接采用OSCCLK10HISPCPLOSPCPHSPCLKLSPCLK?SYSCLKOUTSYSCLKOUT＝CLKIN圖中可見許多的MUX通過編程可以改變該器件的3個輸出時鐘頻率。處理器延時往往利用指令執(zhí)行花費(fèi)時間定，當(dāng)然用定時器更好！√MSP430G2553時鐘內(nèi)部電路MSP430G2553系統(tǒng)時鐘源有三個：VLOCLK——片內(nèi)低功耗12kHz晶振LFXT1CLK——低頻外部時鐘源DCOCLK——內(nèi)部數(shù)控振蕩器，頻率最高16MHz。ACLK為輔助時鐘，由軟件選擇來自VLOCK、LFXT1CLK之一經(jīng)過1,2,4,8分頻之后得到，為外圍模塊提供時鐘源MCLK為主時鐘，由軟件選擇來自VLOCK、LFXT1CLK和DCOCLK之一經(jīng)過1,2,4,8分頻得到，為CPU和系統(tǒng)提供時鐘。SMCLK為子系統(tǒng)時鐘，由軟件選擇來自VLOCK、LFXT1CLK和DCOCLK之一經(jīng)過1,2,4,8分頻得到，為外圍模塊提供時鐘。VLOCLK（12kHz）LFXT1CLK（32.768kHz）DCOCLK（0.06~26MHz）ACLKMCLKSMCLKMSP430G2553時鐘模塊的3個輸出作業(yè)1：所有人，部分翻轉(zhuǎn)課堂??！CCS安裝；熟悉最小系統(tǒng)；熟悉MSP430G2553時鐘模塊,默認(rèn)CPU時鐘多少?看門狗定時器WDT結(jié)構(gòu)？上電計(jì)數(shù)還是不？建立工程文件？編程配置時鐘用外部晶振、軟件延時1s（呼吸燈）、WDT編程處理等？P1.0和P1.6等IO引腳內(nèi)部結(jié)構(gòu)?配置為out？2026/1/30/?#?器件插腳引線-對外是串行MCUMCU多數(shù)引腳都是IO引腳。MSP430G2553對外是串行MCU，僅20引腳，身兼數(shù)職！各引腳功能不同,內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不全相同2026/1/30MCU的I/O引腳（GPIO或IO）

I/O內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)General-PurposeInputOutput見教材13.4節(jié)MCU和PLD片內(nèi)都集成有很多I/O接口電路，并將信號引出到芯片之外形成I/O引腳。如，GAL16V8的IOMCU的I/O內(nèi)部電路一般都包含多路選擇器、三態(tài)門或可控開關(guān)、鎖存器、緩沖器等部件以增強(qiáng)芯片引腳的功能GPIO通過編程確定：作為輸入（Input,簡寫為Ｉ）、輸出（Output,簡寫為Ｏ）或者其它功能引腳。作為輸入引腳時，內(nèi)部I/O電路的輸出一般處于高阻態(tài)或斷開狀態(tài)，不能影響引腳輸入數(shù)據(jù)，有些MCU的I/O內(nèi)部電路均有可編程的上拉或下拉電阻，按鍵輸入時無需外接元器件。2026/1/30MCU的GPIO（續(xù)）

GeneralPurposeInputOutput作為輸出時一般都有寄存器保存輸出。如控制一個LED。多數(shù)MCU的I/O引腳還具有其它特殊功能。比如，像8051的P3端口既可以作為通用I/O使用，也可以作為串行通信的接收、發(fā)送、外部中斷入、控制信號出等功能引腳使用。也就是說：I/O/功能（甚至多功能）引腳。但任何時候，一個I/O引腳只能工作在其中一種方式，上電CPU初始化后，都有默認(rèn)方式。MCU引腳大量是GPIO引腳。2026/1/30DSPTMS320F2833588/1762026/1/30嵌入式MSP432的GPIO84/100GeneralPurposeInputOutput

（GPIO）2026/1/30比如，8051的P2引腳32/40P2端口訪問外部數(shù)據(jù)和程序存儲器時，CPU在翻譯完相關(guān)訪問指令后自動使控制信號C=1，P2端口輸出待訪問的存儲器地址高8，圖中x為0~7，即P2口的一個引腳。P2：地址、I或O2026/1/30不訪問外部存儲器時，C=0，P2可以作為I/O使用作為輸出使DFF鎖存輸出數(shù)據(jù)。作為輸入時軟件要使T2截止。？？MCU的GPIO可方便地控制簡單輸出輸出設(shè)備思考若用8051的P2.x引腳讀取一按鍵狀態(tài)如何控制？若用P2.x引腳控制LED如何控制？當(dāng)然要知道P2地址內(nèi)部上拉電阻使外部電路更簡單，要注意接口三要素！2026/1/30又比如，MSP432實(shí)驗(yàn)平臺舉例圖中MSP432的P1.4和P1.1引腳要配置為輸入，P2.0-2.2為輸出。2026/1/30？？SoftwareMSP432的GPIO作為輸入MSP432InputInitialization（比如，讀取按鍵狀態(tài)）2026/1/30若有PxDIR、PxIN、PxOUT這些REG的地址，即可配置REG控制引腳功能了。也就是說GPIO通過編程配置DIRREG改變功能，控制外設(shè)。MSP432的GPIO作為輸出MSP432OutputInitialization（比如，控制LED亮滅）2026/1/30MSP430G2x53部分端口結(jié)構(gòu)附件2MSP430G2x53,MSP430G2x13MixedSignalMicrocontrollerdatasheet(Rev.J)

打開該pdf文件見P42PORTSCHEMATICSP43說明IO如何配置的。P1各引腳結(jié)構(gòu)不是都一樣哦！數(shù)字電路分析：外文資料及軟件中都是特殊形狀符號思考P1.0如何配置為輸出控制LED？ PxDIR.y PxOUT.y PxIN.y各寄存器說明在附件3Ch17_1_MSP430x2xxFamilyUser'sGuide.pdf2026/1/302026/1/30P1.0引腳配置及寄存器地址？

雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不用部分不必關(guān)心

按照手冊配置為目標(biāo)的out功能即可P1.0引腳配置及寄存器地址？附件3Ch17_1_MSP430x2xxFamilyUser'sGuide.pdf——8DigitalI/OP3272026/1/30上電復(fù)位后是I或O？？跑馬燈：GPIO控制LED？可見，不同MCU的GPIO結(jié)構(gòu)完全不同，學(xué)會方法到此為止MCU控制LED的內(nèi)、外硬件原理清晰然后，編程控制。例程都是C語言，TI做了很好的工程模板文件，要熟悉相關(guān)定義及GPIO控制細(xì)節(jié)編程環(huán)境？CCS，所有廠家IDE使用大同小異2026/1/30總結(jié)：MCU結(jié)構(gòu)框架=CPU+接口+存儲器與CPU交換信息的主要分為：存儲器和接口?？刂平涌诰褪桥渲茫▽懀┫嚓P(guān)的寄存器（REG）??！WDT、GPIO都屬于簡單接口。MCU片內(nèi)存儲器、接口出長后都確定配好了地址。編程P1口輸出01，先要