ＭＳＰ４３０單片機(jī)實(shí)用技術(shù)講座　第１講　ＭＳＰ４３０單片機(jī)系列簡(jiǎn)介（上）

編者按：MSP430單片機(jī)是TI公司的一個(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，大約在1998年由利爾達(dá)公司引進(jìn)我國(guó)。由于這個(gè)系列的單片機(jī)具有極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開發(fā)手段，受到國(guó)內(nèi)廣大科技人員的歡迎。本刊從今年起，特邀請(qǐng)北京工業(yè)大學(xué)的張俊謨教授開設(shè)MSP430實(shí)用技術(shù)講座，在該講座中，除了對(duì)MSP430單片機(jī)做一概要介紹外，主要介紹一些用MSP430設(shè)計(jì)的實(shí)用方案，以滿足科技人員搞開發(fā)的需要。

1.MSP430系列單片機(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)和方便靈活的開發(fā)法手段，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：

開始階段 從1996年推出MSP430系列開始到2000年初，這個(gè)階段首先推出的有33X、32X、31X等幾個(gè)系列，爾后于2000年初又推出了11X／11X1系列。

MSP430的33X、32X、31X等系列具有LCD控制端口，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)開發(fā)。這也表明了這幾個(gè)系列的開發(fā)模式，即：用戶可以用EPROM型開發(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年初,TI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)等均受到一定的限制，但是價(jià)格較為低廉。

這時(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并不一定是最合適的。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。

F41X、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。在2000年又增加了一個(gè)MSP430FlX子系列。

MSP430系列由于具有Flash存儲(chǔ)器，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(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推出具有F1ash型存儲(chǔ)器MSP430單片機(jī)的開始。

TI在推出Flash系列的同時(shí)，開發(fā)了基于Flash存儲(chǔ)器及JTAG邊界掃描技術(shù)的廉價(jià)開發(fā)工具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開發(fā)工具組合的開發(fā)方式，具有方便、廉價(jià)、實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，給用戶提供了一種較為理想的樣機(jī)開發(fā)方式。

另外，2001年，TI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)提供了又一種方便的手段。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)展打下了良好基礎(chǔ)。于是TI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的容量大大增加，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I2C、DMA、DAC12和SVS等模塊。

在2003年中，TI還推出了專門用于電量計(jì)量用的MSP430FW42X和MSP430FE42X。我們相信，由于MSP430的開放性的基本架構(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方法；有較高的處理速度，在8 MHz晶體驅(qū)動(dòng)下，指令周期為125μs。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8 MHz晶體的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)125 μs的指令周期。16位的數(shù)據(jù)寬度、125 μs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)求將它喚醒只需6 μs。

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碾娫措妷杭办`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1.8～3.6 V電壓。因而可使其在1 MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的電流會(huì)在0.1～400μA之間。

其次，獨(dú)特的系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在MSP430系列中有兩種不同的系統(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)。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（一個(gè)為32768Hz，另一個(gè)為高頻振蕩器）。由系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生CPU和各功能模塊所需的時(shí)鐘。并且這些時(shí)鐘可以在指令的控制下，打開和關(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0.7A，在節(jié)電方式下，最低可達(dá)0.1A。

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作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、14位ADC(ADCl4)、12位DAC、I2C總線、 直接數(shù)據(jù)存取（DMA）、端口0(P0)、端口1～6(P1～P6)、基本定時(shí)器(BasicTimer)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，可以設(shè)計(jì)為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)的串行通信接口，可方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信等應(yīng)用；具有較多的并行端口，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)200 kbps，能滿足大多數(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I2C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。

方便高效的開發(fā)環(huán)境 目前MSP430系列有OTP型、FLASH型和ROM型三種類型的器件，這些器件的開發(fā)手段不同。對(duì)于OTP型和ROM型的器件是使用仿真器開發(fā)成功之后再燒寫或掩膜芯片；對(duì)于FLASH型則有十分方便的開發(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。開發(fā)語(yǔ)言有匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言。

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℃，所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品適合運(yùn)行于工業(yè)環(huán)境下。

3.MSP430系列與89C51系列的比較

我國(guó)的多數(shù)讀者對(duì)與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條內(nèi)核指令，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，在待機(jī)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50μA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)槿绱耍琈SP430系列單片機(jī)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)展像模/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，就是在開發(fā)工具方面。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)它再熟悉不過(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發(fā)工具。但是如何實(shí)現(xiàn)在線編程還是一個(gè)很大問(wèn)題。對(duì)于MSP430系列而言，由于引入了Flash 型程序存儲(chǔ)器和JTAG技術(shù)，不僅使開發(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。