Texas Instruments 超低功耗微控制器

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1 Texas Instruments 超低功耗微控制器
The Solution for Battery Powered Measurement 超低功耗微控制器MSP430

2 MSP430 发展历程 Flash Flash 性能 ROM/OTP 1996 1999 2000 2001 2002 1.8-3.6 V
LCD Driver …. Flash V Basic Clock Timer_A 性能 ROM/OTP 2.5-5 V LCD Driver FLL Timer/Port Basic Timer 8-bit T/C F44x in design New F14x Timer_B ADC12 2 USART MPY Comp_A New F42x in design x33x LCD120 Timer_A USART MPY F13x Timer_B ADC12 USART Comp_A X12x USART in design F41x in design x32x LCD84 ADC14 x11x1 Comp_A F40x in design x31x LCD92 1996 1999 2000 2001 2002

3 MSP430：全新的微控制器 MSP430 的能效极高. I/O 和 CPU 运行是能用不同的时钟
RUN THE MARATHON, NOT THE MILE. TI’s Flash MSP430 MCU reduces power consumption drastically, so your batteries run longer. MSP430 的能效极高. I/O 和 CPU 运行是能用不同的时钟 CPU 功耗的开关通过状态寄存器的控制位实现 MSP430 的功耗极低. 执行时为 1.8V (Flash) 备用时为 0.1uA (Flash) MSP430 极大地延长了电电池寿命 MSP430 有工业级 16 bit RISC MCU. ºC MSP430 编程方便，开发工具廉价 ADD MEM1,MEM2 ;MEM2=MEM1+MEME2 The MSP430 runs with a watch crystal at up to 4MHz internal clock!

4 MSP430F1xx： FLASH 系列特性 灵活多样的外围模块 12-bit A/D (8 + 4 通道, 转换<10 µs)
New 灵活多样的外围模块 12-bit A/D (8 + 4 通道, 转换<10 µs) 16-bit Timer_A with 3 C/C 寄存器 16-bit Timer_B with 7 C/C 寄存器 1- 2 个 USART接口 硬件乘法器 模拟信号比较器 基本时钟模块 - 由可编程内部电阻控制频率 - 由单一外部电阻控制频率 - 32 kHz 晶振产生低频 - 高频晶振产生高频 - 可选择外部时钟源 RUN THE MARATHON, NOT THE MILE. TI’s Flash MSP430 MCU reduces power consumption drastically, so your batteries run longer. 超低功耗 1.8 V V 供电电压范围 200 µA @ 1MHz, 2.2V，活动模式 0.7 µA 备用模式 0.1 µA 保持 RAM 数据 6 µs 从备用模式唤醒 强大的 CPU 内核 16-Bit RISC 结构 125 ns 指令周期 @ 8 MHz

5 MSP430 系列 注: 1 - 可由 Comparator_A 实现 2 - 可由 Timer/Port 实现
3 - 有 256B FLASH 和 Boot ROM 4 - Input/Output + Output 外围模块: TIMERS: WDT   - Watchdog 定时器 8bit T  - 8 位定时器/计数器 BT1     - Basic Timer 1 T_A     - Timer_A (x) 捕捉/比较寄存器 T_B     - Timer_B (x) 捕捉/比较寄存器 UART 软件实现，或通用同步/异步接口数 MPY 硬件乘法器 I/O 数字 I/O，及Output

6 MSP430 FLASH 系列 FLASH 型 Five new Flash configurations available now!
型号 FLASH A/D Timers USART MPY I/O MSP430F KB Slope A MSP430F KB Slope A MSP430F133 8 KB 12-bit A3 + B MSF430F KB 12-bit A3 + B MSP430F KB 12-bit A3 + B v MSP430F KB 12-bit A3 + B v MSP430F KB 12-bit A3 + B v FLASH 型 超低功耗 Flash 内核 100,000 次写/擦周期 程序存储器分段：512B 信息存储器分段：128B 可以分段擦除或整体擦除 编程和擦除电压由内部产生 有代码读出保护

7 超低功耗的实现：快速起动和省电模式 其他 MCU MSP430 400 Vcc = 3V 50 50 6 1.3 0.1 Icc / µA
* 4/ 8bit CPU * 电流消耗大 * 唤醒慢 其他 MCU 450 400 400 I 350 300 IAvrg 250 200 Vcc = 3V 1 µsec cycle time t 150 100 50 50 MSP430 * 16bit CPU * 突发式模式切换 * 电流消耗小 * 唤醒快 (<6 µs) 50 6 1.3 0.1 I Active Mode LPM0 LPM1 LPM2 LPM3 LPM4 例：LPM3, 备用模式 (MSP430C31x) 32768Hz 振荡器活动。 基于 Basic Timer1 的实时钟活动。 LCD 驱动有效。 IAvrg t

8 超低功耗的实现：FLASH 型 其它 MCU MSP430 200 Vcc = 2.2V 32 32 11 0.7 0.1 Icc / µA
例：LPM3, 备用模式 振荡器 32768Hz 活动, Timer_A 有效, 经 LCD 模块驱动 LCD * 4/ 8bit CPU * 电流消耗大 * 唤醒慢 其它 MCU I 1-2 mA Icc / µA IAvrg 450 400 350 t 300 MSP430 250 * 16bit CPU * 突发式模式切换 * 电流消耗小 * 唤醒快 (<6 µs) 200 200 Vcc = 2.2V I 1 µsec cycle time 150 100 32 32 <200uA 50 11 0.7 0.1 IAvrg Active Mode LPM0 LPM1 LPM2 LPM3 LPM4 t

9 FLL 时钟系统（3x）  只用一个晶体，无其它外部元件  处理机时钟频率稳定，抗干扰性能好  时钟可关闭，可快速启动  电路功耗低
 只用一个晶体，无其它外部元件  处理机时钟频率稳定，抗干扰性能好  时钟可关闭，可快速启动  电路功耗低 kHz crystal MSP430 低功耗 kHz 晶振 XIN ACLK 辅助时钟 XOUT FLL PUC fMCLK = ( N + 1 ) * fACLK MCLK 主系统时钟 (fSystem)

10 FLASH 型的时钟系统（F11x，F11x1） 1 个晶振, 1 个DCO, 适应不同频率需要

11 FLASH 型的时钟系统（F13x，F14x） 2 个晶振, 1 个DCO, 适应不同频率需要

12 速度比较: 32 kHz 时的运算快于 20 MHz MSP430
DCO 作为主时钟发生器 主时钟：4 MHz = 250ns 1 机器周期 / 指令 250ns 指令周期，16 位操作 典型的 8bit 单片机 20MHz 晶振 内部 4 分频 主时钟：5MHz = 200ns 5 机器周期 / 指令 1000ns 指令周期，8 位操作 MSP430 performs 16 bit instead of 8 bit 4 times faster than a typical 8 bit C !!

13 MSP430x33x框图

14 MSP430x32x框图 CPU incl. 16 reg. Bus conv. ADC WDT I/O Port 8b Timer/
'C': Prom 'P': OTP SRAM CPU incl. 16 reg. Bus conv. ADC WDT I/O Port 8b Timer/ B. Timer MAB, 16bit MDB, 16bit MAB,4bit MDB,8bit Oscillator System Clock ACLK MCLK MCB Test JTAG 12+2bit 5 Channels Current S. FLL 15bit Counter 8 I/O's Serial Protocol Support 3 Int. Vectors POR TMS TCK TDI TDO f LCD TXD RXD XIN XOut P0.0 P0.7 VCC VSS RST/NMI SVCC RI A0..5 Timer/ Port TP.0 TP.5 CIN R 03 1, 2, 3, 4 Mux 84 Segmente Com0..3 Seg 0..19 Seg 20/CMPI .....TP.4 XBuf 23 33 13 'E': EProm 8kB ROM 256B RAM 16kB EPROM 512B RAM 16kB ROM CMPI

15 MSP430x31x框图 XIN XOut XBuf VCC VSS RST/NMI P0.0 P0.7 Oscillator ACLK
TXD Oscillator ACLK 4kB ROM 256B POR 8b Timer/ I/O Port FLL 8kB ROM RAM Counter 8 I/O's, all with System Clock MCLK 'C': Prom SRAM Serial Protocol interr. capability 'P': OTP RXD TDI 'E': EProm Support 3 Int. Vectors TDO MAB, 16bit MAB,4bit CPU Test incl. 16 reg. JTAG MCB Bus conv. MDB,8bit MDB, 16bit TMS TCK Timer/Port WDT B. Timer LCD 15bit Applications: Com0..3 A/D Conv. 92 Segmente Seg 0..18,22,23,26 Timer, O/P 1, 2, 3, 4 Mux f LCD Seg 27/CMPI 6 CMPI TP CIN R13 R23

16 MSP430x11x框图 14 中断线 12 位斜坡 ADC PWM 和 UART 4K flash 多模式时钟

17 MSP430F13x框图 64 pin QFP New 8 P3 P4 DVCC DVSS RST/NMI MAB, 16bit MDB,
TEST/ VPP Test JTAG incl. 16 reg. CPU Flash 8 KB 16 KB RAM 256 B 512 B MAB,4bit MDB,8bit MCB Power Bus conv. on Reset USART I/O Port 3/4 Timer_B3 3 CC Register XIN1 XOut1 Oscillator System Clock ACLK MCLK SMCLK I/O Port 1/2 P1 P2 Rosc Watchdog 15 / 16 bit Timer 12 bit ADC 8 channels <10us conv. Comparator A 16 I/O’s with interr. capability Timer_A3 I/O Port 5 P5 Shadow Reg. AVCC AVSS XIN2 XOut2 Break point Logic 8 I/O’s 8 A0..7 New 64 pin QFP

18 MSP430F14x框图 64 pin QFP New New 8 P3 P4 DVCC DVSS RST/NMI TEST/ VPP
JTAG incl. 16 reg. CPU Flash 32 KB 48 KB 60 KB RAM 1 KB 2 KB MAB,4bit MDB,8bit MCB Power Bus conv. on Reset I/O Port 3/4 Timer_B7 7 CC Register COMM port XIN1 XOut1 Oscillator System Clock ACLK MCLK SMCLK I/O Port 1/2 P1 P2 Rosc Watchdog 15 / 16 bit Timer 12 bit ADC 8 channels <10us conv. Comparator A Timer_A3 3 CC Register I/O Port 5 P5 Shadow Reg. AVCC AVSS XIN2 XOut2 USARTs Break point Logic Two Hardware MPY MAB, 16bit MDB, 16 I/O’s with interr. capability 8 I/O’s 8 A0..7 New New 64 pin QFP

19 MSP430的空间 1K-60K 128-2K

20 MSP430的空间：FLASH 型的 FLASH 存储器
FFFFh 主存储器按 512 byte 分段 信息存储器按 128 byte 分段 各分段可单独擦除或同时擦除 Segment 0 中断向量 FE00h Segment 1 FC00h Segment 2 FA00h Segment 3 F800h Up to 60Kbyte 1100h Segment A 1080h Segment B 1000h

21 FLASH 存储器：写入和读出 Flash 存储器以正常的寻址方式读出 Flash 存储器可以在程序控制下写入（Vcc 需高于 2.7V）
FLASH Busy Set write mode Write flash memory FLASH Busy

22 中断：向量表（3x, 11x, 11x1）

23 中断：向量表（13x,14x）

24 寻址方式和指令 MSP430 指令： 27条 （RISC指令） 采用模拟指令后为 51条 MSP430的寄存器 MSP430的寻址方式

25 片上外围模块：I/O，LCD驱动 I/O 端口 P0、P1、P2：各位方向可选，可产生中断，触发沿可选 P3、P4： 各位方向可选，引脚复用
（33x：P0-P x：P1,P x、14x：P1-P6） LCD 驱动 LCD 段：21x x4 空闲 LCD 引脚用作输出 （3x系列、4x系列）

26 片上外围模块：硬件乘法器 乘法 无符号乘 有符号乘 无符号乘加 （以第一操作数地址来区别） 精度 8位 X 8位 8位 X 16位
乘法 无符号乘 有符号乘 无符号乘加 （以第一操作数地址来区别） 精度 位 X 8位 8位 X 16位 16位 X 8位 16位 X 16位 速度 写入操作数后，立即可读乘积 当用间接寻址访问时，需等待一条指令

27 片上外围模块：定时器，比较器 BASIC Timer1 2x8 位或 16 位计数器，做实时钟、LCD 帧频时钟
定时器/端口 2x8 位或 16 位计数器，与比较器及 TP 端配合实现斜坡 A/D 定时器/计数器 8 位计数器，可预置定时值，可实现软件 UART PWM定时器 8 位计数器，可产生低精度 D/A 看门狗定时器 看门狗功能，或 16 位定时器功能 Timer_A 16 位，带比较器/捕捉器，可实现 UART、PWM、斜坡 A/D Timer_B 16 位，带比较器/捕捉器，可实现 UART、PWM、斜坡 A/D Compare_A 模拟信号比较器，监视外部模拟电压

28 片上外围模块：TIMER_A，TIMER_B

29 片上外围模块：USART 异步通信 同步通信 波特率产生 时钟频率、波特率选择，波特率调整寄存器
波特率产生 时钟频率、波特率选择，波特率调整寄存器 例：bit=13.67T，UMCTL= ，T：14, 14, 13, 14, 13, 14, 14, 13 帧格式 ST(0) | DATA(7-8bit) | AD | PA | SP(1) | SP(1) 多机模式 线路空闲多处理机模式：地址帧 10位以上 “1” 后首帧 地址位帧多处理机模式：地址帧（AD=1） 同步通信 同步时钟 由主机发送，不必利用波特率调整技术 数据传输 主机的发送和接收同时进行 方式： 主机发送数据， 从机发送伪数据 主机发送数据， 从机发送数据 主机发送伪数据， 从机发送数据

30 片上外围模块：A/D 12 + 2 bit（32x） 输入通道 A0 --- A7 参考电压 内置或外置
参考电压 内置或外置 转换方式 选择电压范围(2 位)：电阻网络 逐位比较(12 位)：开关电容阵列 转换精度 位， 12 位（预先设定转换电压范围） 转换时间 位:132ADCLK，12 位:96ADCLK ADCLK = (1 - 1/4)MCLK 时钟速率的影响 高：转换未完成， 低：电容阵列放电 恒流模式 A0 --- A3 可作为电流源以输出电流驱动传感元件（如热敏电阻等）

31 片上外围模块：A/D 12 bit（13x，14x） 片内参考电压源 采样/转换控制 可编程参考源选择 片内温度传感器 自动扫描桶型缓存

32 利用比较器构成 10 bit A/D n Vcc x Vin = 1024 MSP430 CA1 Vin CAOUT CA0 C1 R1
P1OUT.0 MSP430

33 利用比较器构成斜坡 12 bit A/D Vref Vin = ln(0.5) x Tvin-Tvref e TVcc-Tvb MSP430
CA1 CAOUT Vin CA0 C1 Vref VCC/4 R1 P1.0 R P1OUT.0 Vb P1DIR.0 P1.1 P1OUT.1 R P1.2 Vref P1OUT.2 Vin = ln(0.5) x Tvin-Tvref P1.3 P1OUT.3 e TVcc-Tvb MSP430 Vref Vin Vref/2 Vth Tvin Tvref Tvb charge charge charge

34 F11x 应用实例

35 6-Channel PWM + Dead Band
TIMER_B + ADC应用: 3 相 H-桥电路驱动 6-Channel PWM + Dead Band AC Temperature Drive Voltage Active Time ~ MSP430F14X TB5 TB4 T1 T3 T5 TB3 TB2 U0 TB1 T2 TB0 T4 T6 Over current protection Shunt resistor RC cell Feedback gain A0 A1 A2

36 开发工具介绍 TI 软件包 C-编译器 仿真器 TI 软件库 编程器 评估板 Simulator
Assembler Linker Archiver Object Code Converter Absolute Lister LCD Editor IAR Systems C-Compiler 仿真器 Dr. Krohn & Stiller Emulator MX430, MX430P, MX430L, and AX430 Emulator (hitex) OCEAN MSP430xx JTAG Emulator (Goepel electronic) TI 软件库 Floating Point Package 编程器 评估板 TI Programming Adapter SMS Gang Programmer BP Microsystems Starter Kit MSP-STK430X320 Evaluation Kit MSP-EVK430X320 Evaluation Kit MSP-EVK430X330 Flash ICE MSP-FET430X110 Flash ICE MSP-FET430P140

37 FLASH 型低价格仿真工具：FET MSP-FET430X110 （适用于 F11x / F11x1 型）
价格低廉 仿真功能基于片内集成的仿真逻辑来实现 可仿真 F1101, F1121 硬件 包括：PC 并行电缆, JTAG 电缆, 插座, 仿真座 软件 CD-ROM： IAR开发环境软件包 包括：Simulator, Debugger, Assembler/Linker, 限制版 C-Compiler (1KB Code), 功能 程序下载、更新、运行及代码调试 由 PC 环境下的 JTAG 控制实现 Flash 存储器编程 由片内仿真逻辑实现全速调试（2个断点）

38 FLASH 型低价格仿真工具：FET MSP-FET430P140 （适用于 F13x / F14x 型） New
价格低廉 仿真功能基于片内集成的仿真逻辑来实现 可仿真 F133, F135, F147, F148, F149 硬件 包括：PC 并行电缆, JTAG 电缆, 插座, F149 样机 软件 CD-ROM： IAR开发环境软件包 包括：Simulator, Debugger, Assembler/Linker, 限制版 C-Compiler (1KB Code), 功能 程序下载、更新、运行及代码调试 由 PC 环境下的 JTAG 控制实现 Flash 存储器编程 由片内仿真逻辑实现全速调试（3个断点） New

39 MSP430 系统：性能/价格比 电源的高效率 电池缩减 / 电池寿命延长 电源电路简化 / 可远程供电 硬件简化 外部元件极少 集成实时钟
集成 LCD 驱动电路 集成 ADC 加速产品开发 用 Flash 或 OTP 型可快速制作样机 用 Flash 型可作现场更新 容易学习和设计程序 代码效率高 廉价的微控制器 MSP430 和开发工具FET

40 MSP430 网上资源 http://www.ti.com/sc/docs/products/micro/msp430
从 Internet 可以得到 - MSP430 器件资料 - MSP430 开发工具软件 - 可以下载的各类文件 - 免费的仿真软件 - 免费的软件包