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  • “三步走”快速掌握一款MCU
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任何一款MCU,其基本原理和功能都是大同小异,所不同的只是其外围功能模块的配置及数量、指令系统等。对于指令系统,虽然形式上看似千差万别,但实际上只是符号的不同,其所代表的含义、所要完成的功能和寻址方式基本上是类似的。

因此,对于任何一款MCU,主要应从如下的几个方面来理解和掌握: 


了解MCU的特点

要了解一款MCU,首先需要知道就是其ROM空间、RAM空间、IO口数量、定时器数量和定时方式、所提供的外围功能模块、中断源、工作电压及功耗等等。

了解这些后,接下来第一步就是将所选MCU的功能与实际项目开发的要求的功能进行对比,明确哪些资源是目前所需要的,哪些是本项目所用不到的。对于项目中需要用到的而所选MCU不提供的功能,则需要认真理解MCU的相关资料,以求用间接的方法来实现,例如,要实现电流输出功能,而单片机没有DA资源,则需要外加DA芯片或者选择带串口的电流输出芯片。

对于项目开发需要用到的资源,则需要认真阅读datasheet上对应的内容,而对于不需要的功能模块则可以忽略或浏览即可。对于MCU学习来讲,应用才是关键,要在应用中学习,而不是为了学习而学习。

明确了MCU的相关功能后,接下来就可以开始编程了。对于初学者或初次使用此款MCU的设计者来说,可能会遇到很多对MCU的功能描述不明确的地方,对于此类问题,可以通过两种方法来解决,一种是编写特别的验证程序来理解资料所述的功能;另一种则可以暂时忽略,程序设计中则按照自己目前的理解来编写,留到调试时去修改和完善。

前一种方法适用于时间较宽松的项目和初学者,而后一种方法则适合于具有一定MCU开发经验的人或项目进度较紧迫的情况;指令系统不建议专门花时间去理解。指令系统只是一种逻辑描述的符号,只有在编程时根据自己的逻辑和程序的逻辑要求来查看相关的指令即可,而且随着编程的进行,对指令系统也会越来越熟练,甚至可以不自觉地记忆下来。 


熟悉MCU的基本功能

对于绝大多数MCU,下列功能是最普遍也是最基本的,针对不同的MCU,其描述的方式可能会有区别,但本质上是基本相同的:

Timer(定时器):Timer的种类虽然比较多,但可归纳为两大类:一类是固定时间间隔的Timer,即其定时的时间是由系统设定的,用户程序不可控制,系统只提供几种固定的时间间隔给用户程序进行选择,如32Hz,16Hz,8Hz等,因此可以用来实现时钟、计时等相关的功能,该类不常见;另一类则是Programmable Timer(可编程定时器),顾名思义,该类Timer的定时时间是可以由用户的程序来控制的,控制的方式包括:时钟源的选择、分频数(Prescale)选择及预制数的设定等。此类Timer应用非常灵活,实际的使用也千变万化,比如实现计数、定时、或者输出PWM等。由于时钟源可以自由选择,因此,此类Timer一般均与Event Counter(事件计数器)合在一起。

IO口:任何MCU都具有一定数量的IO口,没有IO口,MCU就失去了与外部沟通的渠道。根据IO口的可配置情况,可以分为如下几种类型:

① 纯输入或纯输出口:此类IO口有MCU硬件设计决定,只能是输入或输出,不可用软件来进行实时的设定,不常见;

② 直接读写IO口:如51单片机的IO口就属于此类IO口。当执行读IO口指令时,就是输入口;当执行写IO口指令则自动为输出口;

③ 可设定方向的IO口:此类IO口的输入或输出是通过寄存器来配置的,应用比较灵活;

④ 功能性IO口:此类IO口是可以复用的,比如第二功能是IIC、SPI、AD、UART/USART等,可以通过寄存器来实现复用功能,这类IO口可以通过专用芯片实现较为复杂的特定功能,比如说通过MAX232实现RS232通讯、通过AT24C02实现掉电存储等;

对于IO口的使用,重要的一点必须牢记的是:对于输入口,必须有明确的电平信号,确保不能浮空(可以通过增加上拉或下拉电阻来实现)而对于输出口,其输出的状态的电平必须考虑其外部的连接情况,比如说驱动能力

外部中断:外部中断也是绝大多数MCU所具有的基本功能,一般用于信号的实时触发,中断的方式有上升沿、下降沿触发和电平触发等。外部中断一般通过输入口来实现,若为IO口,则只有设为输入时其中断功能才会开启;若为输出口,则外部中断功能将自动关闭。外部中断的应用如下:

① 外部触发信号的检测:一种是基于实时性的要求,比如可控硅的控制,突发性信号的检测等;而另一种情况则是省电的需要;

② 信号频率的测量:可以通过上升沿或者下降沿触发中断;

③ 按键的检测和系统的唤醒:对于进入休眠状态的MCU,一般需要通过外部中断来进行唤醒,最基本的形式则是按键,通过按键的动作来产生电平的变化;

通讯接口:MCU所提供的通讯接口一般包括SPI接口,UART,I2C接口等,其分别描述如下:

① SPI接口:此类接口是绝大多数MCU都提供的一种最基本通讯方式,其数据传输采用同步时钟来控制,信号包括:SDI(串行数据输入)、SDO(串行数据输出)、SCLK(串行时钟)、CS(可选);此类接口可以工作在Master方式或Slave方式下,通俗说法就是看谁提供时钟信号,提供时钟的一方为Master,相反的一方则为Slaver,可实现全双工通讯;

② UART/USART:属于最基本的一种异步/同步传输接口,其信号线只有Rx和Tx两条,基本的数据格式为:Start Bit + Data Bit(7-bits/8-bits) + Parity Bit(Even, Odd or None) + Stop Bit(1~2Bit)。一位数据所占的时间称为Baud Rate(波特率)。对于大多数的MCU来讲,数据为的长度、数据校验方式(奇校验、偶校验或无校验)、停止位(Stop Bit)的长度及Baud Rate是可以通过程序编程进行灵活设定。此类接口最常用的方式就是实现RS232通讯或者RS485通讯。

③ I2C接口:I2C是由Philips开发的一种数据传输协议,同样采用2根信号来实现:SDAT(串行数据输入输出)和SCLK(串行时钟)。其最大的好处是可以在此总线上挂接多个设备,通过地址来进行识别和访问;I2C总线的一个最大的好处就是非常方便用软件通过IO口(片上资源或者普通IO口模拟)来实现,其通讯方式是半双工。

Watchdog(看门狗定时器):Watchdog也是绝大多数MCU的一种基本配置,大多数的MCU的Watchdog只能允许程序对其进行复位而不能对其关闭(有的是在程序烧入时来设定的,如Microchip PIC系列MCU),而有的MCU则是通过特定的方式来决定其是否打开,如STM32系列,只要程序访问了Watchdog寄存器,就自动开启且不能再被关闭。一般而言watchdog的复位时间是可以程序来设定的。Watchdog的最基本的应用是为MCU因为意外的故障而导致死机提供了一种自动复位的功能。

MCU程序的编写

对于MCU的程序编写,其基本的框架可以说是大体一致的,一般分为初始化部分(这是MCU程序设计与PC最大的不同),主程序循环体和中断处理程序三大部分,其分别说明如下:

初始化:对于所有的MCU程序的设计来讲,初始化是最基本也是最重要的一步,一般包括如下内容:

① IO口的初始化:根据项目的应用的要求,设定相关IO口的输入输出方式,对与输入口,需要设定其上拉或下拉电阻;对于输出口,则必须设定其出世的电平输出,以防出现不必要的错误;

② 中断的设置:对于所有项目需要用到的中断源,应该给予开启并设定中断的触发条件,而对于不使用的多余的中断,则必须给予关闭;

③ 其他功能模块的初始化:对于所有需要用到的MCU的外围功能模块,必须按项目的应用的要求进行相应的设置,如UART的通讯,需要设定Baud Rate,数据长度,校验方式和Stop Bit的长度等,而对于定时器则必须设置其时钟源,分频数及初值等;

④ 变量的初始化:完成了MCU的硬件和资源的初始化后,接下来就是对程序中使用到的一些变量和数据的初始化设置,这一部分的初始化需要根据具体的项目及程序的总体安排来设计。比如说读取EEPROM中存储的掉电保存输出等;

主程序循环体:用户编写的程序多是周而复始循环执行的,因此其主程序体基本上都是以while循环的方式来设计。

中断处理程序:中断函数是一种特殊的函数,只有相应中断被触发后MCU才去执行该部分函数。51单片机的中断函数是通过interrupt关键字来实现的,实例写法如下:

void Timer_Isr() interrupt 0

interrupt是关键字,数字0是中断向量号。

对于32位的单片机而言,中断入口函数都在.s启动函数里注册好了,实例写法如下(以STM32单片机为例):

void TIM2_IRQHandler()

下图是.s启动函数中截取的中断函数句柄: 

单片机是一门工具,以应用为主,所以说了这么多,一句话来总结:要学好单片机必须动手多加练习。

 

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标签: 单片机
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  • 时间:2018-02-07 10:39
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