代码收藏家技术教程 2024-03-06

MSP430单片机C语言编程与实践（入门篇）：MSP430简介和LaunchPad开发板详解

1.1 MSP430单片机的架构

单片机是一个综合的模拟和数字系统，根据其丰富的片上资源，再添加一些外围电路，通过软件编程后就可以完成检测、控制等任务，形成一个实用的电子装置或设备。MSP430是美国德州仪器公司（TI，Texas Instruments）推出的系列单片机，因其超低功耗和丰富的片上资源而受到业界的广泛推崇和应用。MSP430单片机是一个混合信号处理器（MSP的英文意思是Mixed Signal Processor）,它的内部有一个16位的RISC（精简指令集,Reduced Instruction Set Computer）CPU、许多外围模块、和一个灵活的时钟系统，通过一个共用的冯·诺依曼存储地址总线（MAB）和一个存储数据总线（MDB）相互连接。

1.1.1 MSP430单片机的特点和框图

MSP430单片机的特点（以MSP430G2x53系列为例）

·低供电电压范围：1.8V至3.6V

·超低功耗

活跃模式（Active Mode）：在1MHz和2.2V供电下，230uA

备用模式（Standby Mode）：0.5uA

关闭模式（Off Mode）：0.1uA

·五个节能模式

·从备用状态超快速唤醒，唤醒时间少于1uS

·16位精简指令结构，指令周期时间62.5nS

·基础时钟模块设置

-内部频率可达16MHz，并有4个校准的频率

-内部非常低耗低频（LF）振荡器

-32 kHz 晶振

-外部数字时钟源

·两个16位定时器，每个定时器有3个捕获/比较寄存器

·可达24个电容触摸使能的I/O管脚

·通用串行通信接口（USCI）

-增强的UART，支持自动波特率检测（LIN）

-IrDA编码器和解码器

-同步SPI

-I2C

·片上比较器，用于模拟信号比较功能或者斜坡（Slope）模数转换

·10位200-ksps（每秒20万采样率）的模数转换器，有内部参考电压，采样和保持以及自动扫描（Autoscan）

·欠压检测器（Brownout Detector）

·串行板上（Onboard）编程，无需外部编程电压，通过安全熔丝可编程的代码保护

·有Spy-Bi-Wire接口的片上仿真逻辑

·封装选择

-TSSOP：20脚，28脚

-PDIP：20脚

-QFN：32脚

MSP430G2x53系列的方框图如图1.1所示，对于不同的封装其内部的模块有所变化。

图1.1 MSP430G2x53系列的方框图

图1.1中，左上角为时钟系统，可以产生ACLK、SMCLK、MCLK三个时钟，其中ACLK、SMCLK可用于外围模块，MCLK用于CPU和系统。然后自左向右为Flash和RAM存储区、十位ADC、端口P1、P2和P3，其中P1和P2具有中断能力。另外，P1、P2和P3这三个端口都有内置的上/下拉电阻。最左侧中间为16位的CPU，最高频率为16MHz，CPU内部包含16个寄存器。左下角为仿真及JTAG接口等。图1.1的下方自左向右又依次为欠压保护、比较器A+、看门狗WDT+、定时器0_A3、定时器1_A3和USCI A0 及USCI B0。CPU和各个外围模块间通过存储器地址总线（MAB）和存储器数据总线（MDB）进行连接。

1.1.2 CPU简介

由图1.2可见，CPU的主要部件是一个16位的算术逻辑单元（16-bit ALU，ALU—Arithmetic Logic Unit），这个ALU就完成了所有的数学运算和逻辑运算，类似于我们的大脑，能进行运算和对事物的判断等。注意图中ALU的运算结果会产生一些零（Z）、进借位（C）、溢出（V）、负（N）的标志位，这些信息是程序中需要判断并以此决定程序进程的一些条件，特别是用汇编语言时，经常要跟这些标志位打交道。

CPU中除了ALU，自上而下是16个寄存器R0~R15。这些寄存器中，R4~R15是一般的寄存器（General Purpose），R0~R3是比较特殊的。其中R0称为PC（Program Counter），即程序计数器，这个部件很关键，它就是一个指挥棒，引导着CPU的运行，而且CPU每执行完一条指令，PC就自动加2（或加4、加6），并指向下一条指令（地址），CPU再执行完这条指令，PC又自动增加，再指向下一条指令，使整个程序被逐条的执行下去。

图1.2 CPU的方框图

R1称为SP（Stack Pointer），即堆栈指针。什么是堆栈呢？看一下仓库或车站、码头里的货物，都是一层一层叠放的，那就是堆栈。计算机（单片机）处理数据时需要把数据临时存放在一些存储区域中，就像叠放货物一样，一个一个地放进去，再一个一个地取出来，叫做压栈和出栈。这个堆栈指针就指向栈顶，并随着栈顶的改变而自动变化，它永远指向栈顶。这样，程序中就可以通过堆栈指针来找到需要操作和处理的数据。这一般是汇编语言编程的事情了，我们用C语言时是不用管这些事情的，CCS或IAR这些开发环境已经在后台为我们处理好这些事情了，这也是C语言编程的好处之一（你不用管太多的事情，专注于你的程序就行了）。

R2称为SR（Status Register），即状态寄存器。状态寄存器随时记录着程序运行过程中所产生的各种信息，比如前面提到的计算结果为0（Z）、进借位（C）、负（N）、溢出（V）等，还有CPU及晶振的状态等。汇编语言中需要通过SR来获取这些信息，并进行相应的判断和处理。

R2和R3还联合在一起产生一些常用的常数。称为常数发生器CG1，CG2，（CG即Constant Generator），这些常数配合其它指令可以产生一些高效的模拟指令。

R4~R15是通用寄存器，如果你用汇编的话，这十二个寄存器就是你天天要打交道的对象了，数据的传递和获取经常要在这些寄存器中进行。

1.1.3 存储器地址空间

MSP430采用冯-诺依曼的存储器结构（另一种叫哈佛结构），其寄存器、代码和数据存储的地址都统一安排在同一个大的存储空间，如图1.3中的0h~1FFFFh，总存储空间为128KB。其中，代码的存取总是在偶数地址，数据的存取可为字节或字。前面提到的R0~R15又叫特殊功能寄存器（SFR，Special Function Registers）,分布在0h~0Fh地址，它们的家就在那儿。再往上是8位的外围模块区，在010h~0FFh地址；16位的外围模块区，在0100h~01FFh地址。然后是RAM区，从0200h地址开始，其结束的地址取决于RAM区的大小，不同的器件其结束地址不同。RAM可用于存储代码或数据。Flash/ROM区的起始地址取决于Flash/ROM区的大小，不同的器件其起始地址不同，对于Flash/ROM区小于60KB的器件，其Flash/ROM区的结束地址为0FFFFh。Flash可用于存储代码和数据，字或字节表可存储于并用于Flash/ROM中，在使用前无需复制表到RAM中。中断向量表（Interrupt Vector Table，即各中断的入口地址）被安排在Flash/ROM地址空间的高端16个字中，最高优先级的中断向量在Flash/ROM的最高字地址0FFFEh。每个字占用2个字节，最高优先级的中断向量占用0FFFEh和0FFFFh两个字节，因此，其起始地址为0FFFEh。另一片Flash/ROM区分布在10000h~1FFFFh。

图1.3 存储器图

1.1.4 存储器组织

如图1.4所示，字节位于奇数或偶数地址，字只能位于偶数地址。一个字节由八位二进制数构成，就像八个格子，每个格子里的数要么是1，要么是0，只有这两种状态。字是由两个字节组成的，分别称为低字节和高字节。一个字的低字节永远是一个偶数地址，其高字节为下一个奇数地址。例如，如果一个数据字位于xxx4h地址，则这个数据的低字节位于xxx4h，其高字节位于xxx5h。位（Bit）、字节（Byte）、字（Word）之间的关系请看图1.4所示。

图1.4 用字节组织的存储器中的位、字节和字

1.2 MSP430G2 LaunchPad简介

为便于初学者应用和开发MSP430单片机，TI公司推出了许多单片机的开发板，MSP430G2 LaunchPad即为其中的一款针对G2系列的开发实验板。图1.5为该开发板的实物图，图中虚线的上方为仿真器部分，通过USB接口可直接与电脑相连，调试好的程序可以通过该仿真器直接下载到开发板的单片机中运行。虚线下方为单片机实验板，单片机的20个管脚都通过插排对外引出，并带有一个复位键。P1.3管脚外接了一个按键，P1.0和P1.6通过跳线分别连接了一个红色和绿色的LED。