如何快速的掌握不同類型MCU的原理和功能

任何一款MCU，其基本原理和功能都是大同小異，所不同的只是其外圍功能模塊的配置及數(shù)量、指令系統(tǒng)等。對(duì)于指令系統(tǒng)，雖然形式上看似千差萬別，但實(shí)際上只是符號(hào)的不同，其所代表的含義、所要完成的功能和尋址方式基本上是類似的。因此，對(duì)于任何一款MCU，主要應(yīng)從如下的幾個(gè)方面來理解和掌握：

MCU的特點(diǎn)：要了解一款MCU，首先需要知道就是其ROM空間、RAM空間、IO口數(shù)量、定時(shí)器數(shù)量和定時(shí)方式、所提供的外圍功能模塊、中斷源、工作電壓及功耗等等。

了解這些MCU Features后，接下來第一步就是將所選MCU的功能與實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)的要求的功能進(jìn)行對(duì)比，明確那些資源是目前所需要的，那些是本項(xiàng)目所用不到的。對(duì)于項(xiàng)目中需要用到的而所選MCU不提供的功能，則需要認(rèn)真理解MCU的相關(guān)資料，以求用間接的方法來實(shí)現(xiàn)，例如，所開發(fā)的項(xiàng)目需要與PC機(jī)COM口進(jìn)行通訊，而所選的MCU不提供UART口，則可以考慮用外部中斷的方式來實(shí)現(xiàn);

對(duì)于項(xiàng)目開發(fā)需要用到的資源，則需要對(duì)其Manua*進(jìn)行認(rèn)真的理解和閱讀，而對(duì)于不需要的功能模塊則可以忽略或?yàn)g覽即可。對(duì)于MCU學(xué)習(xí)來講，應(yīng)用才是關(guān)鍵，也是最主要的目的。

明確了MCU的相關(guān)功能后，接下來就可以開始編程了。對(duì)于初學(xué)者或初次使用此款MCU的設(shè)計(jì)者來說，可能會(huì)遇到很多對(duì)MCU的功能描述不明確的地方，對(duì)于此類問題，可以通過兩種方法來解決，一種是編寫特別的驗(yàn)證程序來理解資料所述的功能;另一種則可以暫時(shí)忽略，程序設(shè)計(jì)中則按照自己目前的理解來編寫，留到調(diào)試時(shí)去修改和完善。前一種方法適用于時(shí)間較寬松的項(xiàng)目和初學(xué)者，而后一種方法則適合于具有一定MCU開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的人或項(xiàng)目進(jìn)度較緊迫的情況;

指令系統(tǒng)千萬不要特別花時(shí)間去理解。指令系統(tǒng)只是一種邏輯描述的符號(hào)，只有在編程時(shí)根據(jù)自己的邏輯和程序的邏輯要求來查看相關(guān)的指令即可，而且隨著編程的進(jìn)行，對(duì)指令系統(tǒng)也會(huì)越來越熟練，甚至可以不自覺地記憶下來。

MCU的基本功能：

對(duì)于絕大多數(shù)MCU，下列功能是最普遍也是最基本的，針對(duì)不同的MCU，其描述的方式可能會(huì)有區(qū)別，但本質(zhì)上是基本相同的：

TImer（定時(shí)器）：TImer的種類雖然比較多，但可歸納為兩大類：一類是固定時(shí)間間隔的TImer，即其定時(shí)的時(shí)間是由系統(tǒng)設(shè)定的，用戶程序不可控制，系統(tǒng)只提供幾種固定的時(shí)間間隔給用戶程序進(jìn)行選擇，如32Hz，16Hz，8Hz等，此類TImer在4位MCU中比較常見，因此可以用來實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘、計(jì)時(shí)等相關(guān)的功能;另一類則是Programmable Timer（可編程定時(shí)器），顧名思義，該類Timer的定時(shí)時(shí)間是可以由用戶的程序來控制的，控制的方式包括：時(shí)鐘源的選擇、分頻數(shù)（Prescale）選擇及預(yù)制數(shù)的設(shè)定等，有的MCU三者都同時(shí)具備，而有的則可能是其中的一種或兩種。此類Timer應(yīng)用非常靈活，實(shí)際的使用也千變?nèi)f化，其中最常見的一種應(yīng)用就是用其實(shí)現(xiàn)PWM輸出（具體的應(yīng)用，后續(xù)會(huì)有特別的介紹）。由于時(shí)鐘源可以自由選擇，因此，此類Timer一般均與Event Counter（事件計(jì)數(shù)器）合在一起;

IO口：任何MCU都具有一定數(shù)量的IO口，沒有IO口，MCU就失去了與外部溝通的渠道。根據(jù)IO口的可配置情況，可以分為如下幾種類型：

純輸入或純輸出口：此類IO口有MCU硬件設(shè)計(jì)決定，只能是輸入或輸出，不可用軟件來進(jìn)行實(shí)時(shí)的設(shè)定;

直接讀寫IO口：如MCS-51的IO口就屬于此類IO口。當(dāng)執(zhí)行讀IO口指令時(shí)，就是輸入口;當(dāng)執(zhí)行寫IO口指令則自動(dòng)為輸出口;

程序編程設(shè)定輸入輸出方向的：此類IO口的輸入或輸出由程序根據(jù)實(shí)際的需要來進(jìn)行設(shè)定，應(yīng)用比較靈活，可以實(shí)現(xiàn)一些總線級(jí)的應(yīng)用，如I2C總線，各種LCD、LED Driver的控制總線等;

對(duì)于IO口的使用，重要的一點(diǎn)必須牢記的是：對(duì)于輸入口，必須有明確的電平信號(hào)，確保不能浮空（可以通過增加上拉或下拉電阻來實(shí)現(xiàn)）;而對(duì)于輸出口，其輸出的狀態(tài)電平必須考慮其外部的連接情況，應(yīng)保證在Standby或靜態(tài)狀態(tài)下不存在拉電流或灌電流。

外部中斷：外部中斷也是絕大多數(shù)MCU所具有的基本功能，一般用于信號(hào)的實(shí)時(shí)觸發(fā)，數(shù)據(jù)采樣和狀態(tài)的檢測(cè)，中斷的方式由上升沿、下降沿觸發(fā)和電平觸發(fā)幾種。外部中斷一般通過輸入口來實(shí)現(xiàn)，若為IO口，則只有設(shè)為輸入時(shí)其中斷功能才會(huì)開啟;若為輸出口，則外部中斷功能將自動(dòng)關(guān)閉（ATMEL的ATiny系列存在一些例外，輸出口時(shí)也能觸發(fā)中斷功能）。外部中斷的應(yīng)用如下：

外部觸發(fā)信號(hào)的檢測(cè)：一種是基于實(shí)時(shí)性的要求，比如可控硅的控制，突發(fā)性信號(hào)的檢測(cè)等;而另一種情況則是省電的需要;

信號(hào)頻率的測(cè)量;為了保證信號(hào)不被遺漏，外部中斷是最理想的選擇;

數(shù)據(jù)的解碼：在遙控應(yīng)用領(lǐng)域，為了降低設(shè)計(jì)的成本，經(jīng)常需要采用軟件的方式來對(duì)各種編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，如Manchester和PWM編碼的解碼;

按鍵的檢測(cè)和系統(tǒng)的喚醒：對(duì)于進(jìn)入Sleep狀態(tài)的MCU，一般需要通過外部中斷來進(jìn)行喚醒，最基本的形式則是按鍵，通過按鍵的動(dòng)作來產(chǎn)生電平的變化;

通訊接口：MCU所提供的通訊接口一般包括SPI接口，UART，I2C接口等，其分別描述如下：

SPI接口：此類接口是絕大多數(shù)MCU都提供的一種最基本通訊方式，其數(shù)據(jù)傳輸采用同步時(shí)鐘來控制，信號(hào)包括：SDI（串行數(shù)據(jù)輸入）、SDO（串行數(shù)據(jù)輸出）、SCLK（串行時(shí)鐘）及Ready信號(hào);有些情況下則可能沒有Ready信號(hào);此類接口可以工作在Master方式或Slave方式下，通俗說法就是看誰提供時(shí)鐘信號(hào)，提供時(shí)鐘的一方為Master，相反的一方則為Slaver;

UART（Universal Asynchronous Receive Transmit）：屬于最基本的一種異步傳輸接口，其信號(hào)線只有Rx和Tx兩條，基本的數(shù)據(jù)格式為：Start Bit + Data Bit（7-bits/8-bits） + Parity Bit（Even， Odd or None） + Stop Bit（1~2Bit）。一位數(shù)據(jù)所占的時(shí)間稱為Baud Rate（波特率）。對(duì)于大多數(shù)的MCU來講，數(shù)據(jù)為的長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式（奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)或無校驗(yàn)）、停止位（Stop Bit）的長(zhǎng)度及Baud Rate是可以通過程序編程進(jìn)行靈活設(shè)定。此類接口最常用的方式就是與PC機(jī)的串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

I2C接口：I2C是由Philips開發(fā)的一種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，同樣采用2根信號(hào)來實(shí)現(xiàn)：SDAT（串行數(shù)據(jù)輸入輸出）和SCLK（串行時(shí)鐘）。其最大的好處是可以在此總線上掛接多個(gè)設(shè)備，通過地址來進(jìn)行識(shí)別和訪問;I2C總線的一個(gè)最大的好處就是非常方便用軟件通過IO口來實(shí)現(xiàn)，其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率完全由SCLK來控制，可快可慢，不像UART接口，有嚴(yán)格的速率要求。

Watchdog（看門狗定時(shí)器）：Watchdog也是絕大多數(shù)MCU的一種基本配置（一些4位MCU可能沒有此功能），大多數(shù)的MCU的Watchdog只能允許程序?qū)ζ溥M(jìn)行復(fù)位而不能對(duì)其關(guān)閉（有的是在程序燒入時(shí)來設(shè)定的，如Microchip PIC系列MCU），而有的MCU則是通過特定的方式來決定其是否打開，如Samsung的KS57系列，只要程序訪問了Watchdog寄存器，就自動(dòng)開啟且不能再被關(guān)閉。一般而言watchdog的復(fù)位時(shí)間是可以程序來設(shè)定的。Watchdog的最基本的應(yīng)用是為MCU因?yàn)橐馔獾墓收隙鴮?dǎo)致死機(jī)提供了一種自我恢復(fù)的能力。

MCU程序的編寫：

MCU的程序的編寫與PC下的程序的編寫存在很大的區(qū)別，雖然現(xiàn)在基于C的MCU開發(fā)工具越來越流行，但對(duì)于一個(gè)高效的程序代碼和喜歡使用匯編的設(shè)計(jì)者來講，匯編語言仍然是最簡(jiǎn)潔、最有效的編程語言。對(duì)于MCU的程序編寫，其基本的框架可以說是大體一致的，一般分為初始化部分（這是MCU程序設(shè)計(jì)與PC最大的不同），主程序循環(huán)體和中斷處理程序三大部分，其分別說明如下：

初始化：對(duì)于所有的MCU程序的設(shè)計(jì)來講，出世化是最基本也是最重要的一步，一般包括如下內(nèi)容：

屏蔽所有中斷并初始化堆棧指針：初始化部分一般不希望有任何中斷發(fā)生;

清除系統(tǒng)的RAM區(qū)域和顯示Memory：雖然有時(shí)可能沒有完全的必要，但從可靠性及一致性的角度出發(fā)，特別是對(duì)于防止意外的錯(cuò)誤，還是建議養(yǎng)成良好的編程習(xí)慣;

IO口的初始化：根據(jù)項(xiàng)目的應(yīng)用的要求，設(shè)定相關(guān)IO口的輸入輸出方式，對(duì)與輸入口，需要設(shè)定其上拉或下拉電阻;對(duì)于輸出口，則必須設(shè)定其出世的電平輸出，以防出現(xiàn)不必要的錯(cuò)誤;

中斷的設(shè)置：對(duì)于所有項(xiàng)目需要用到的中斷源，應(yīng)該給予開啟并設(shè)定中斷的觸發(fā)條件，而對(duì)于不使用的多余的中斷，則必須給予關(guān)閉;

其他功能模塊的初始化：對(duì)于所有需要用到的MCU的外圍功能模塊，必須按項(xiàng)目的應(yīng)用的要求進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，如UART的通訊，需要設(shè)定Baud Rate，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，校驗(yàn)方式和Stop Bit的長(zhǎng)度等，而對(duì)于Programmer Timer，則必須設(shè)置其時(shí)鐘源，分頻數(shù)及Reload Data等;

參數(shù)的出世化：完成了MCU的硬件和資源的出世化后，接下來就是對(duì)程序中使用到的一些變量和數(shù)據(jù)的初始化設(shè)置，這一部分的初始化需要根據(jù)具體的項(xiàng)目及程序的總體安排來設(shè)計(jì)。對(duì)于一些用EEPROM來保存項(xiàng)目預(yù)制數(shù)的應(yīng)用來講，建議在初始化時(shí)將相關(guān)的數(shù)據(jù)拷貝到MCU的RAM，以提高程序?qū)?shù)據(jù)的訪問速度，同時(shí)降低系統(tǒng)的功耗（原則上，訪問外部EEPROM都會(huì)增加電源的功耗）。
責(zé)任編輯；zl