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如何快速掌握壹款新的MCU編程

任何壹款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量、指令系統等。對於指令系統,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,對於任何壹款MCU,主要應從如下的幾個方面來理解和掌握:

了解MCU的特點

要了解壹款MCU,首先需要知道就是其ROM空間、RAM空間、IO口數量、定時器數量和定時方式、所提供的外圍功能模塊、中斷源、工作電壓及功耗等等。

了解這些後,接下來第壹步就是將所選MCU的功能與實際項目開發的要求的功能進行對比,明確那些資源是目前所需要的,那些是本項目所用不到的。對於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,例如,要實現電流輸出功能,而單片機沒有DA資源,則需要外加DA芯片或者選擇帶串口的電流輸出芯片。

對於項目開發需要用到的資源,則需要認真閱讀datasheet上對應的內容,而對於不需要的功能模塊則可以忽略或瀏覽即可。對於MCU學習來講,應用才是關鍵,要在應用中學習,而不是為了學習而學習。

明確了MCU的相關功能後,接下來就可以開始編程了。對於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,對於此類問題,可以通過兩種方法來解決,壹種是編寫特別的驗證程序來理解資料所述的功能;另壹種則可以暫時忽略,程序設計中則按照自己目前的理解來編寫,留到調試時去修改和完善。前壹種方法適用於時間較寬松的項目和初學者,而後壹種方法則適合於具有壹定MCU開發經驗的人或項目進度較緊迫的情況;

指令系統不建議專門花時間去理解。指令系統只是壹種邏輯描述的符號,只有在編程時根據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,對指令系統也會越來越熟練,甚至可以不自覺地記憶下來。

熟悉MCU的基本功能

對於絕大多數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別,但本質上是基本相同的:

Timer(定時器):Timer的種類雖然比較多,但可歸納為兩大類:壹類是固定時間間隔的Timer,即其定時的時間是由系統設定的,用戶程序不可控制,系統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,因此可以用來實現時鐘、計時等相關的功能,該類不常見;另壹類則是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(Prescale)選擇及預制數的設定等。此類Timer應用非常靈活,實際的使用也千變萬化,比如實現計數、定時、或者輸出PWM等。由於時鐘源可以自由選擇,因此,此類Timer壹般均與Event Counter(事件計數器)合在壹起;

IO口:任何MCU都具有壹定數量的IO口,沒有IO口,MCU就失去了與外部溝通的渠道。根據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,不常見;

直接讀寫IO口:如51單片機的IO口就屬於此類IO口。當執行讀IO口指令時,就是輸入口;當執行寫IO口指令則自動為輸出口;

可設定方向的IO口:此類IO口的輸入或輸出是通過寄存器來配置的,應用比較靈活;

功能性IO口:此類IO口是可以復用的,比如第二功能是IIC、SPI、AD、UART/USART等,可以通過寄存器來實現復用功能,這類IO口可以通過專用芯片實現較為復雜的特定功能,比如說通過MAX232實現RS232通訊、通過AT24C02實現掉電存儲等;

對於IO口的使用,重要的壹點必須牢記的是:對於輸入口,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);而對於輸出口,其輸出的狀態的電平必須考慮其外部的連接情況,比如說驅動能力。

外部中斷:外部中斷也是絕大多數MCU所具有的基本功能,壹般用於信號的實時觸發,中斷的方式有上升沿、下降沿觸發和電平觸發等。外部中斷壹般通過輸入口來實現,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。外部中斷的應用如下:

外部觸發信號的檢測:壹種是基於實時性的要求,比如可控矽的控制,突發性信號的檢測等;而另壹種情況則是省電的需要;

信號頻率的測量:可以通過上升沿或者下降沿觸發中斷;

按鍵的檢測和系統的喚醒:對於進入休眠狀態的MCU,壹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生電平的變化;

通訊接口:MCU所提供的通訊接口壹般包括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MCU都提供的壹種最基本通訊方式,其數據傳輸采用同步時鐘來控制,信號包括:SDI(串行數據輸入)、SDO(串行數據輸出)、SCLK(串行時鐘)、CS(可選);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,提供時鐘的壹方為Master,相反的壹方則為Slaver,可實現全雙工通訊;

UART/USART:屬於最基本的壹種異步/同步傳輸接口,其信號線只有Rx和Tx兩條,基本的數據格式為:Start Bit + Data Bit(7-bits/8-bits) + Parity Bit(Even, Odd or None) + Stop Bit(1~2Bit)。壹位數據所占的時間稱為Baud Rate(波特率)。對於大多數的MCU來講,數據為的長度、數據校驗方式(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實現RS232通訊或者RS485通訊。

I2C接口:I2C是由Philips開發的壹種數據傳輸協議,同樣采用2根信號來實現:SDAT(串行數據輸入輸出)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總線的壹個最大的好處就是非常方便用軟件通過IO口(片上資源或者普通IO口模擬)來實現,其通訊方式是半雙工。

Watchdog(看門狗定時器):Watchdog也是絕大多數MCU的壹種基本配置,大多數的MCU的Watchdog只能允許程序對其進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STM32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。壹般而言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壹種自動復位的功能。

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