MCU及常见MCU外围电路

电子系统设计与实践12020/11/22第三讲MCU及常见MCU外围电路盛庆华2020/11/22电子系统设计与实践2MCUMCU分类2020/11/22电子系统设计与实践3单片机（Microcontroller）MCU：MicrocontrollerUnit微控制器2020/11/22电子系统设计与实践4MCU结构CPURAMROM外设外设I/O外设外设I/O一个典型的计算机系统2020/11/22电子系统设计与实践52020/11/22电子系统设计与实践62020/11/22电子系统设计与实践72020/11/22电子系统设计与实践82020/11/22电子系统设计与实践92020/11/22电子系统设计与实践10在电子设计中使用单片机处理电路输入处理输出驱动电源单片机键盘显示2020/11/22电子系统设计与实践11MCU的架构CISC（复杂指令集架构）ComplexInstructionSetComputer早期MCU采用RISC（精简指令集架构）ReducedInstructionSetComputer新开发的MCUCore绝大多数为RISC2020/11/22电子系统设计与实践12MCU选型（按数据总线宽度）4bits（大量、廉价，电子设计竞赛中未见）8bitsIntelMCS51系列80C51/52很多兼容厂家Freescale(Motorola)S08、S908MicrochipPIC16C5x/6x/7x/8x、PIC18CxxAtmelAVR系列ATmega瑞萨、三星、现代、NEC……义隆、Holtek、Sunplus国内：中颖、华荣汇、芯唐（Winbond逻辑IC事业部）2020/11/22电子系统设计与实践1316bitsTIMSP430FreescaleS12MicrochipPIC24CxxxMaximMaxQ瑞萨Sunplus（凌阳）……2020/11/22电子系统设计与实践1432bitsAtmelAT91SAM系列（ARM7内核）STSTM32TI（LuminaryMicro）的LM3xxxx系列NXP(Philips)LPC2xxx系列、LPC17xx系列Samsung44B0（ARM7）AtmelAVR32系列AT32xxx（AVR32内核）（ARMCortex内核）Cortex-M3/Cortex-M4,有ST的STM32系列、NXP的LPC13xx系列和TI的LM3S系列2020/11/22电子系统设计与实践15嵌入式处理器（常见）SamsungS3C2440（ARM9）S3C6400(ARM11)MarvellPXA27x、PXA3xxXScale（基于ARMv5T）FreescaleI.MX31系列（ARM11）FreescaleCoolfire（68k）Freescale/IBMPPC（PowerPC）SignmaDesign（ARM9）AMDAu1200（MIPS）AtmelAT91SAM926x(ARM9)CirrusLogicEP93xx(ARM9)TIOMAP35xx2020/11/22电子系统设计与实践16嵌入式处理器（常见）ADIADSP-BF53x/56x（Blackfin16bits）TIOMAP2、DM64x、达芬奇（ARM+TIDSP）IntelPentium-MC-M、Core-Duo（x86）ViaC7（x86）AlteraNiosII（NiosIIsoftcore）XilinxPowerPC（硬核）/MicroBlaze软核MagiceyesMMSP2MP25xx（DualARM9）ARMCortex内核（Cortex-A8/Cortex-A9）2020/11/22电子系统设计与实践17MCS51兼容80C51兼容/增强AtmelAT89S51/52、AT89C51RD2NXPP80C51、LPC76x、LPC900STC、MegaWinTIMSC12xxADIADuCSiliconLabsC8051FMaximDS80C42xST、Cypress、SST、新唐（Winbond）……2020/11/22电子系统设计与实践18MCUARMCortex-M内核2020/11/22电子系统设计与实践19ARM体系结构概述–ARM，英文全称为AdvancedRISCMachines。–ARM首先是一个公司的名称。–其次，ARM是对一类微处理器的通称。–宽泛地说，ARM是一种技术的名字，即采用ARM处理器的控制技术。2020/11/22电子系统设计与实践20ARM微处理器的应用领域–工业控制领域–无线通讯领域–网络应用–智能手机–消费类电子产品–成像和安全产品2020/11/22电子系统设计与实践21ARM体系结构的特点–体积小、低功耗、低成本、高性能。–支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集，能很好的兼容8/16位器件。–大量使用寄存器，指令执行速度更快。–ARM处理器共有37个寄存器，分为若干个组（BANK）。–大多数数据操作都在寄存器中完成。–ARM处理器有7种不同的处理器模式–寻址方式灵活简单，执行效率高。–指令长度固定。2020/11/22电子系统设计与实践22ARM处理器系列–ARM微处理器目前种类非常丰富。–不同的ARM系列具有不同的用途，每一个系列的ARM微处理器都有各自的特点和应用领域。–下面分别进行介绍。2020/11/22电子系统设计与实践23ARM系列微处理器ARM732bitsRISC采用冯诺依曼结构ARM932bitsRISC采用哈佛结构ARM10E内核为32位RISC处理器，采用了新的体系结构ARM1136J-S是第一个执行ARMv6架构指令的处理器Cortex核2020/11/22电子系统设计与实践24ARMCortex发布于2005年，为各种不同性能需求的应用提供了一整套完整的优化解决方案，该系列的技术划分完全针对不同的市场应用和性能需求。目前ARMCortex定义了三个系列：ARMCortex系列2020/11/22电子系统设计与实践25ARMCortex系列（续）Cortex-A系列：针对复杂OS和应用程序（如多媒体）的应用处理器。支持ARM、Thumb和Thumb-2指令集，强调高性能与合理的功耗，存储器管理支持虚拟地址。Cortex-R系列：针对实时系统的嵌入式处理器。支持ARM、Thumb和Thumb-2指令集，强调实时性，存储器管理只支持物理地址。Cortex核Cortex-M系列：针对价格敏感应用领域的嵌入式处理器，只支持Thumb-2指令集，强调操作的确定性，以及性能、功耗和价格的平衡。2020/11/22电子系统设计与实践26Cortex-M系列针对成本和功耗敏感的MCU和终端应用M0,M3,M4？软件重用，从一个Cortex-M处理器无缝升级到另一个2020/11/22电子系统设计与实践27Cortex-M技术2020/11/22电子系统设计与实践28Cortex-M02020/11/22电子系统设计与实践29Cortex-M32020/11/22电子系统设计与实践30Cortex-M42020/11/22电子系统设计与实践31ARMCortex微控制器软件接口标准(CMSIS)是Cortex-M处理器系列的与供应商无关的硬件抽象层。使用CMSIS，可以为接口外设、实时操作系统和中间件实现一致且简单的软件接口，从而简化软件的重用、缩短新微控制器开发人员的学习过程，并缩短新产品的上市时间。CMSIS2020/11/22电子系统设计与实践32NVIC（嵌套矢量中断控制器）是Cortex-M处理器不可或缺的部分，它为处理器提供了卓越的中断处理能力。Cortex-M处理器使用一个矢量表，其中包含要为特定中断处理程序执行的函数的地址。接受中断时，处理器会从该矢量表中提取地址。NVIC2020/11/22电子系统设计与实践33在硬件中完成对中断的响应Cortex-M系列处理器的中断响应是从发出中断信号到执行中断服务例程的周期数。它包括：检测中断背对背或迟到中断的最佳处理提取矢量地址将易损坏的寄存器入栈跳转到中断处理程序这些任务在硬件中执行，并且包含在为Cortex-M处理器报出的中断响应周期时间中。2020/11/22电子系统设计与实践34NVIC中的尾链Cortex-M处理器通过在NVIC硬件中实现尾链技术简化了活动中断和挂起的中断之间的转换2020/11/22电子系统设计与实践35NVIC对迟到的较高优先级中断的响应如果在为上一个中断执行堆栈推送期间较高优先级的中断迟到，NVIC会立即提取新的矢量地址来为挂起的中断提供服务2020/11/22电子系统设计与实践36NVIC进行的堆栈弹出抢占如果异常到达，NVIC将放弃堆栈弹出并立即为新的中断提供服务2020/11/22电子系统设计与实践37Cortex-M3微处理器Cortex-M3微处理器采用ARMv7-M架构。Cortex-M3系列微处理器的主要特点如下：Thumb-2指令集架构（ISA）的子集。哈佛处理器架构，在加载/存储数据的同时能够执行指令取指。三级流水线。32位单周期乘法。具备硬件除法。Thumb状态和调试状态。处理模式和线程模式。ISR的低延迟进入和退出。可中断-可继续的LDM/STM，PUSH/POP。ARMv6类型BE8/LE支持。ARMv6非对齐访问。2020/11/22电子系统设计与实践38工作模式和工作状态Cortex-M3处理器支持两种工作模式:线程模式处理模式Cortex-M3处理器有两种工作状态：Thumb状态调试状态2020/11/22电子系统设计与实践39数据类型Cortex-M3处理器支持以下数据类型：32位字16位半字8位字节2020/11/22电子系统设计与实践40STM32如何编译和下载程序编译工具：ARMMDK(Keil)IAR下载程序：见pdf2020/11/22电子系统设计与实践41JLINK驱动安装与MDK环境搭建MDK工程建立：见pdf2020/11/22电子系统设计与实践42意法半导体--STMSTM32F0xx系列（M048MHZ）STM32Lxxx系列(M332MHZ)STM32F1xx系列(M372MHZ)STM32F2xx系列(M3120MHZ)STM32F4xx系列(M4168MHZ)Cortex-M核芯片2020/11/22电子系统设计与实践43德州仪器–TI（收购Liuminary）LM3Sxxxx系列（M3）LM4Fxxxx系列(M4)恩智浦--NXPLPC11xxLPC12xx系列（M0）LPC13xxLPC17xxLPC18xx系列（M3）LPC43xx系列（M4）Cortex-M核芯片2020/11/22电子系统设计与实践44飞思卡尔--FreescaleKinetisL系列（M0+）KinetisX系列、K系列（M4）爱特梅尔--AtmelSAM3S/U/N系列（M3）SAM4S系列（M4）英飞凌--InfineonXCM4000系列（M4）Cortex-M核芯片2020/11/22电子系统设计与实践45常用外设UART通用异步收发器I2C一种串行总线SMBUS同I2CTimer定时器A/DD/APCA可编程计数器阵列SPI一种同步串行总线2020/11/22电子系统设计与实践46常用外设（续）WDT看门狗定时器RTC实时时钟PWM脉宽调制发生器Comparer比较器2020/11/22电子系统设计与实践47MCU常见MCU外围器件2020/11/22电子系统设计与实践48串行E2PROMI2C接口24Cxx：24C04、24C256、24LC04MicroWire接口93C4