如何快速上手一款新型的MCU - 全文

MCU   程序設計

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。對于指令系統(tǒng)，雖然形式上看似千差萬別，但實際上只是符號的不同，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，對于任何一款MCU，主要應從如下的幾個方面來理解和掌握：

參數(shù)的初始化：完成了MCU的硬件和資源的初始化后，接下來就是對程序中使用到的一些變量和數(shù)據(jù)的初始化設置，這一部分的初始化需要根據(jù)具體的項目及程序的總體安排來設計。對于一些用EEPROM來保存項目預制數(shù)的應用來講，建議在初始化時將相關的數(shù)據(jù)拷貝到MCU的RAM，以提高程序?qū)?shù)據(jù)的訪問速度，同時降低系統(tǒng)的功耗（原則上，訪問外部EEPROM都會增加電源的功耗）。

MCU的特點：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、定時器數(shù)量和定時方式、所提供的外圍功能模塊（Peripheral Circuit）、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的功能與實際項目開發(fā)的要求的功能進行對比，明確哪些資源是目前所需要的，哪些是本項目所用不到的。對于項目中需要用到的而所選MCU不提供的功能，則需要認真理解MCU的相關資料，以求用間接的方法來實現(xiàn)，例如，所開發(fā)的項目需要與PC機COM口進行通訊，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現(xiàn)。

對于項目開發(fā)需要用到的資源，則需要對其Manua*進行認真的理解和閱讀，而對于不需要的功能模塊則可以忽略或瀏覽即可。對于MCU學習來講，應用才是關鍵，也是最主要的目的。

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

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

MCU的基本功能：

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

TImer（定時器）：TImer的種類雖然比較多，但可歸納為兩大類：一類是固定時間間隔的TImer，即其定時的時間是由系統(tǒng)設定的，用戶程序不可控制，系統(tǒng)只提供幾種固定的時間間隔給用戶程序進行選擇，如32Hz，16Hz，8Hz等，此類TImer在4位MCU中比較常見，因此可以用來實現(xiàn)時鐘、計時等相關的功能；另一類則是Programmable Timer（可編程定時器），顧名思義，該類Timer的定時時間是可以由用戶的程序來控制的，控制的方式包括：時鐘源的選擇、分頻數(shù)（Prescale）選擇及預制數(shù)的設定等，有的MCU三者都同時具備，而有的則可能是其中的一種或兩種。此類Timer應用非常靈活，實際的使用也千變?nèi)f化，其中最常見的一種應用就是用其實現(xiàn)PWM輸出（具體的應用，后續(xù)會有特別的介紹）。由于時鐘源可以自由選擇，因此，此類Timer一般均與Event Counter（事件計數(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硬件設計決定，只能是輸入或輸出，不可用軟件來進行實時的設定；

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

程序編程設定輸入輸出方向的：此類IO口的輸入或輸出由程序根據(jù)實際的需要來進行設定，應用比較靈活，可以實現(xiàn)一些總線級的應用，如I2C總線，各種LCD、LED Driver的控制總線等；

對于IO口的使用，重要的一點必須牢記的是：對于輸入口，必須有明確的電平信號，確保不能浮空（可以通過增加上拉或下拉電阻來實現(xiàn)）；而對于輸出口，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，一般用于信號的實時觸發(fā)，數(shù)據(jù)采樣和狀態(tài)的檢測，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現(xiàn)，若為IO口，則只有設為輸入時其中斷功能才會開啟；若為輸出口，則外部中斷功能將自動關閉（ATMEL的ATiny系列存在一些例外，輸出口時也能觸發(fā)中斷功能）。外部中斷的應用如下：

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

信號頻率的測量：為了保證信號不被遺漏，外部中斷是最理想的選擇；

數(shù)據(jù)的解碼：在遙控應用領域，為了降低設計的成本，經(jīng)常需要采用軟件的方式來對各種編碼數(shù)據(jù)進行解碼，如Manchester和PWM編碼的解碼；

按鍵的檢測和系統(tǒng)的喚醒：對于進入Sleep 狀態(tài)的MCU，一般需要通過外部中斷來進行喚醒，最基本的形式則是按鍵，通過按鍵的動作來產(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)傳輸采用同步時鐘來控制，信號包括：SDI（串行數(shù)據(jù)輸入）、SDO（串行數(shù)據(jù)輸出）、SCLK（串行時鐘）及Ready信號；有些情況下則可能沒有Ready信號；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鐘信號，提供時鐘的一方為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)所占的時間稱為Baud Rate（波特率）。對于大多數(shù)的MCU來講，數(shù)據(jù)為的長度、數(shù)據(jù)校驗方式（奇校驗、偶校驗或無校驗）、停止位（Stop Bit）的長度及Baud Rate是可以通過程序編程進行靈活設定。此類接口最常用的方式就是與PC機的串口進行數(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根信號來實現(xiàn)：SDAT（串行數(shù)據(jù)輸入輸出）和SCLK（串行時鐘）。其最大的好處是可以在此總線上掛接多個設備，通過地址來進行識別和訪問；I2C總線的一個最大的好處就是非常方便用軟件通過IO口來實現(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，有嚴格的速率要求。

Watchdog（看門狗定時器）：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行復位而不能對其關閉（有的是在程序燒入時來設定的，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，就自動開啟且不能再被關閉。一般而言watchdog的復位時間是可以程序來設定的。Watchdog的最基本的應用是為MCU因為意外的故障而導致死機提供了一種自我恢復的能力。

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，但對于一個高效的程序代碼和喜歡使用匯編的設計者來講，匯編語言仍然是最簡潔、最有效的編程語言。對于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程序設計與PC最大的不同），主程序循環(huán)體和中斷處理程序三大部分（見圖1 a 和b），其分別說明如下：

初始化：對于所有的MCU程序的設計來講，出世化是最基本也是最重要的一步，一般包括以下幾個方面：

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)，特別是對于防止意外的錯誤，還是建議養(yǎng)成良好的編程習慣；

IO口的初始化：根據(jù)項目的應用的要求，設定相關IO口的輸入輸出方式，對與輸入口，需要設定其上拉或下拉電阻；對于輸出口，則必須設定其出世的電平輸出，以防出現(xiàn)不必要的錯誤；

中斷的設置：對于所有項目需要用到的中斷源，應該給予開啟并設定中斷的觸發(fā)條件，而對于不使用的多余的中斷，則必須給予關閉；

其他功能模塊的初始化：對于所有需要用到的MCU的外圍功能模塊，必須按項目的應用的要求進行相應的設置，如UART的通訊，需要設定Baud Rate，數(shù)據(jù)長度，校驗方式和Stop Bit的長度等，而對于Programmer Timer，則必須設置其時鐘源，分頻數(shù)及Reload Data 等；

參數(shù)的初始化：完成了MCU的硬件和資源的出世化后，接下來就是對程序中使用到的一些變量和數(shù)據(jù)的初始化設置，這一部分的初始化需要根據(jù)具體的項目及程序的總體安排來設計。對于一些用EEPROM來保存項目預制數(shù)的應用來講，建議在初始化時將相關的數(shù)據(jù)拷貝到MCU的RAM，以提高程序?qū)?shù)據(jù)的訪問速度，同時降低系統(tǒng)的功耗（原則上，訪問外部EEPROM都會增加電源的功耗）。

主程序循環(huán)體：大多數(shù)MCU是屬于長時間不間斷運行的，因此其主程序體基本上都是以循環(huán)的方式來設計，對于存在多種工作模式的應用來講，則可能存在多個循環(huán)體，相互之間通過狀態(tài)標志來進行轉(zhuǎn)換。對于主程序體，一般情況下主要安排如下的模塊：

計算程序：計算程序一般比較耗時，因此堅決反對放在任何中斷中處理，特別是乘除法運算；

實時性要求不高或沒有實時性要求的處理程序；

顯示傳輸程序：主要針對存在外部LED、LCD Driver 的應用。

中斷處理程序：中斷程序主要用于處理實時性要求較高的任務和事件，如，外部突發(fā)性信號的檢測，按鍵的檢測和處理，定時計數(shù)，LED顯示掃描等。一般情況下，中斷程序應盡可能保證代碼的簡潔和短小，對于不需要實時去處理的功能，可以在中斷中設置觸發(fā)的標志，然后由主程序來執(zhí)行具體的事務――這一點非常重要，特別是對于低功耗、低速的MCU來講，必須保證所有中斷的及時響應。

對于不同任務體的安排，不同的MCU其處理的方法也有所不同。例如，對于低速、低功耗的MCU（Fosc＝32768Hz）應用，考慮到此類項目均為手持式設備和采用普通的LCD顯示，對按鍵的反應和顯示的反應要求實時性較高，應此一般采用定時中斷的方式來處理按鍵的動作和數(shù)據(jù)的顯示；而對于高速的MCU，如Fosc大于1MHz的應用，由于此時MCU有足夠的時間來執(zhí)行主程序循環(huán)體，因此可以只在相應的中斷中設置各種觸發(fā)標志，并將所有的任務放在主程序體中來執(zhí)行；

在MCU的程序設計中，還需要特別注意的一點就是：要防止在中斷和主程序體中同時訪問或設置同一個變量或數(shù)據(jù)的情況。有效的預防方法是，將此類數(shù)據(jù)的處理安排在一個模塊中，通過判斷觸發(fā)標志來決定是否執(zhí)行該數(shù)據(jù)的相關操作；而在其他的程序體中（主要是中斷），對需要進行該數(shù)據(jù)的處理的地方只設置觸發(fā)的標志。――這可以保證數(shù)據(jù)的執(zhí)行是可預知和唯一的。

總之，對于MCU開發(fā)來講，必須記住一點：“條條大路通羅馬”，沒有做不到的事，關鍵是看方法是否正確！再就是多做多動手和多想。