如何幾個(gè)方面來(lái)理解和掌握新型MCU

　　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量、指令系統等。對于指令系統，雖然形式上看似千差萬(wàn)別，但實(shí)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(lèi)似的。因此，對于任何一款MCU，主要應從如下的幾個(gè)方面來(lái)理解和掌握。

　　參數的初始化：完成了MCU的硬件和資源的初始化后，接下來(lái)就是對程序中使用到的一些變量和數據的初始化設置，這一部分的初始化需要根據具體的項目及程序的總體安排來(lái)設計。對于一些用EEPROM來(lái)保存項目預制數的應用來(lái)講，建議在初始化時(shí)將相關(guān)的數據拷貝到MCU的RAM，以提高程序對數據的訪(fǎng)問(wèn)速度，同時(shí)降低系統的功耗（原則上，訪(fǎng)問(wèn)外部EEPROM都會(huì )增加電源的功耗）。

　　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口數量、定時(shí)器數量和定時(shí)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。

　　TImer（定時(shí)器）：TImer的種類(lèi)雖然比較多，但可歸納為兩大類(lèi)：一類(lèi)是固定時(shí)間間隔的TImer，即其定時(shí)的時(shí)間是由系統設定的，用戶(hù)程序不可控制，系統只提供幾種固定的時(shí)間間隔給用戶(hù)程序進(jìn)行選擇，如32Hz，16Hz，8Hz等，此類(lèi)TImer在4位MCU中比較常見(jiàn)，因此可以用來(lái)實(shí)現時(shí)鐘、計時(shí)等相關(guān)的功能;另一類(lèi)則是Programmable Timer（可編程定時(shí)器），顧名思義，該類(lèi)Timer的定時(shí)時(shí)間是可以由用戶(hù)的程序來(lái)控制的，控制的方式包括：時(shí)鐘源的選擇、分頻數（Prescale）選擇及預制數的設定等，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(lèi)Timer應用非常靈活，實(shí)際的使用也千變萬(wàn)化，其中最常見(jiàn)的一種應用就是用其實(shí)現PWM輸出（具體的應用，后續會(huì )有特別的介紹）。由于時(shí)鐘源可以自由選擇，因此，此類(lèi)Timer一般均與Event Counter（事件計數器）合在一起。

　　IO口：任何MCU都具有一定數量的IO口，沒(méi)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(lèi)型。

　　純輸入或純輸出口：此類(lèi)IO口有MCU硬件設計決定，只能是輸入或輸出，不可用軟件來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)的設定;

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

　　程序編程設定輸入輸出方向的：此類(lèi)IO口的輸入或輸出由程序根據實(shí)際的需要來(lái)進(jìn)行設定，應用比較靈活，可以實(shí)現一些總線(xiàn)級的應用，如I2C總線(xiàn)，各種LCD、LED Driver的控制總線(xiàn)等;

　　對于IO口的使用，重要的一點(diǎn)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(guò)增加上拉或下拉電阻來(lái)實(shí)現）;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MCU所具有的基本功能，一般用于信號的實(shí)時(shí)觸發(fā)，數據采樣和狀態(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(guò)輸入口來(lái)實(shí)現，若為IO口，則只有設為輸入時(shí)其中斷功能才會(huì )開(kāi)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）。外部中斷的應用如下：

　　外部觸發(fā)信號的檢測：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;

　　數據的解碼：在遙控應用領(lǐng)域，為了降低設計的成本，經(jīng)常需要采用軟件的方式來(lái)對各種編碼數據進(jìn)行解碼，如Manchester和PWM編碼的解碼;

　　按鍵的檢測和系統的喚醒：對于進(jìn)入Sleep 狀態(tài)的MCU，一般需要通過(guò)外部中斷來(lái)進(jìn)行喚醒，最基本的形式則是按鍵，通過(guò)按鍵的動(dòng)作來(lái)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(lèi)接口是絕大多數MCU都提供的一種最基本通訊方式，其數據傳輸采用同步時(shí)鐘來(lái)控制，信號包括：SDI（串行數據輸入）、SDO（串行數據輸出）、SCLK（串行時(shí)鐘）及Ready信號;有些情況下則可能沒(méi)有Ready信號;此類(lèi)接口可以工作在Master方式或Slave方式下，通俗說(shuō)法就是看誰(shuí)提供時(shí)鐘信號，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，其信號線(xiàn)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）。一位數據所占的時(shí)間稱(chēng)為Baud Rate（波特率）。對于大多數的MCU來(lái)講，數據為的長(cháng)度、數據校驗方式（奇校驗、偶校驗或無(wú)校驗）、停止位（Stop Bit）的長(cháng)度及Baud Rate是可以通過(guò)程序編程進(jìn)行靈活設定。此類(lèi)接口最常用的方式就是與PC機的串口進(jìn)行數據通訊。

　　I2C接口：I2C是由Philips開(kāi)發(fā)的一種數據傳輸協(xié)議，同樣采用2根信號來(lái)實(shí)現：SDAT（串行數據輸入輸出）和SCLK（串行時(shí)鐘）。其最大的好處是可以在此總線(xiàn)上掛接多個(gè)設備，通過(guò)地址來(lái)進(jìn)行識別和訪(fǎng)問(wèn);I2C總線(xiàn)的一個(gè)最大的好處就是非常方便用軟件通過(guò)IO口來(lái)實(shí)現，其傳輸的數據速率完全由SCLK來(lái)控制，可快可慢，不像UART接口，有嚴格的速率要求。

　　Watchdog（看門(mén)狗定時(shí)器）：Watchdog也是絕大多數MCU的一種基本配置（一些4位MCU可能沒(méi)有此功能），大多數的MCU的Watchdog只能允許程序對其進(jìn)行復位而不能對其關(guān)閉（有的是在程序燒入時(shí)來(lái)設定的，如Microchip PIC系列MCU），而有的MCU則是通過(guò)特定的方式來(lái)決定其是否打開(kāi)，如Samsung的KS57系列，只要程序訪(fǎng)問(wèn)了Watchdog寄存器，就自動(dòng)開(kāi)啟且不能再被關(guān)閉。一般而言watchdog的復位時(shí)間是可以程序來(lái)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(xiě)：

　　MCU的程序的編寫(xiě)與PC下的程序的編寫(xiě)存在很大的區別，雖然現在基于C的MCU開(kāi)發(fā)工具越來(lái)越流行，但對于一個(gè)高效的程序代碼和喜歡使用匯編的設計者來(lái)講，匯編語(yǔ)言仍然是最簡(jiǎn)潔、最有效的編程語(yǔ)言。對于MCU的程序編寫(xiě)，其基本的框架可以說(shuō)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(jiàn)圖1 a 和b），其分別說(shuō)明如下：

　　初始化：對于所有的MCU程序的設計來(lái)講，出世化是最基本也是最重要的一步，一般包括以下幾個(gè)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;

　　清除系統的RAM區域和顯示Memory：雖然有時(shí)可能沒(méi)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，還是建議養成良好的編程習慣;

　　IO口的初始化：根據項目的應用的要求，設定相關(guān)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(kāi)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(guān)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(jìn)行相應的設置，如UART的通訊，需要設定Baud Rate，數據長(cháng)度，校驗方式和Stop Bit的長(cháng)度等，而對于Programmer Timer，則必須設置其時(shí)鐘源，分頻數及Reload Data 等;

　　參數的初始化：完成了MCU的硬件和資源的出世化后，接下來(lái)就是對程序中使用到的一些變量和數據的初始化設置，這一部分的初始化需要根據具體的項目及程序的總體安排來(lái)設計。對于一些用EEPROM來(lái)保存項目預制數的應用來(lái)講，建議在初始化時(shí)將相關(guān)的數據拷貝到MCU的RAM，以提高程序對數據的訪(fǎng)問(wèn)速度，同時(shí)降低系統的功耗（原則上，訪(fǎng)問(wèn)外部EEPROM都會(huì )增加電源的功耗）。

　　主程序循環(huán)體：大多數MCU是屬于長(cháng)時(shí)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(lái)設計，對于存在多種工作模式的應用來(lái)講，則可能存在多個(gè)循環(huán)體，相互之間通過(guò)狀態(tài)標志來(lái)進(jìn)行轉換。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(shí)，因此堅決反對放在任何中斷中處理，特別是乘除法運算;

　　實(shí)時(shí)性要求不高或沒(méi)有實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性要求較高的任務(wù)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(shí)計數，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(jiǎn)潔和短小，對于不需要實(shí)時(shí)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(lái)執行具體的事務(wù)――這一點(diǎn)非常重要，特別是對于低功耗、低速的MCU來(lái)講，必須保證所有中斷的及時(shí)響應。

　　對于不同任務(wù)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(lèi)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(shí)時(shí)性較高，應此一般采用定時(shí)中斷的方式來(lái)處理按鍵的動(dòng)作和數據的顯示;而對于高速的MCU，如Fosc大于1MHz的應用，由于此時(shí)MCU有足夠的時(shí)間來(lái)執行主程序循環(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(wù)放在主程序體中來(lái)執行;

　　在MCU的程序設計中，還需要特別注意的一點(diǎn)就是：要防止在中斷和主程序體中同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)或設置同一個(gè)變量或數據的情況。有效的預防方法是，將此類(lèi)數據的處理安排在一個(gè)模塊中，通過(guò)判斷觸發(fā)標志來(lái)決定是否執行該數據的相關(guān)操作;而在其他的程序體中（主要是中斷），對需要進(jìn)行該數據的處理的地方只設置觸發(fā)的標志。――這可以保證數據的執行是可預知和唯一的。

　　總之，對于MCU開(kāi)發(fā)來(lái)講，必須記住一點(diǎn)：“條條大路通羅馬”，沒(méi)有做不到的事，關(guān)鍵是看方法是否正確！再就是多做多動(dòng)手和多想。

　　審核編輯：黃飛