最小系統(tǒng)設(shè)計(jì).ppt

1、a,1,最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述,電子科技大學(xué)通信學(xué)院：李玉柏 ,a,2,主要內(nèi)容,引言 微控制器的概念 微控制器軟硬件結(jié)構(gòu) 典型微控制器 微控制器最小系統(tǒng)開發(fā) 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn),a,3,1、前言,在兩年一度的全國大學(xué)生電子競賽中，處理器最小系統(tǒng)是競賽作品設(shè)計(jì)與制作的基礎(chǔ)。 全國大學(xué)生電子競賽中需要的最小系統(tǒng)已經(jīng)超過了最初單片機(jī)最小系統(tǒng)的范疇： 一方面是處理器本身從最基本的單片機(jī)發(fā)展到含義更廣泛的微控制、嵌入式系統(tǒng)微處理器，甚至數(shù)字信號處理器DSP； 另一方面是最小系統(tǒng)的功能也在擴(kuò)展，如顯示系統(tǒng)、鍵控系統(tǒng)、ROM/RAM存儲系統(tǒng)、時鐘系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和D/A轉(zhuǎn)換電路，甚至包括復(fù)雜模擬電路、和基

2、于FPGA或CPLD可編程高速數(shù)字電路等。,a,4,前言,開設(shè)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用課程 目的是最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作 最具代表意義的三種處理器為例，進(jìn)行了具體最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用。這三種處理器： 微控制器的代表MSP430系列 工業(yè)控制的DSP處理器TMS320C/F28系列 以及嵌入式微控制Cortex-M3 ARM系列。,a,5,2、微控制器基本概念,計(jì)算機(jī)的處理器芯片可以分為微處理器、微控制器和數(shù)字信號處理器三種類型。 微處理器（MPU）通常代表一個功能強(qiáng)大的CPU，不為任何已有的特定計(jì)算目的而設(shè)計(jì)片。這種芯片往往是個人計(jì)算機(jī)和高端工作站的核心CPU。 微控制器（MCU），針對智能控制和信息處理

3、的小型化應(yīng)用。早期的微控制器是將一個計(jì)算機(jī)集成在一個芯片中，稱單片機(jī)（Single chip microcomputer）。隨后，為了更好地滿足控制領(lǐng)域的嵌入式應(yīng)用，單片機(jī)中不斷擴(kuò)展一些滿足特定需求和控制的電路單元。,a,6,微控制器基本概念,也有由微處理器發(fā)展而來的微控制器。它與基礎(chǔ)嵌入式應(yīng)用的微控制器不同，一般應(yīng)用于高端嵌入式應(yīng)用。這類微控制器包括：Advanced RISC Machines公司的ARM、Silicon Graphics公司的MIPS、IBM和Motorola的Power PC等。 數(shù)字信號處理器（DSPs）里的CPU是專門設(shè)計(jì)用來更快速地進(jìn)行數(shù)字信號處理計(jì)算的，比如那些

4、需要進(jìn)行音頻和視頻通信的場合。DSPs內(nèi)含乘加器，能比其他處理器更快地進(jìn)行這類運(yùn)算。最常見的是TI的TMS320CXX系列和Motorola的5600X系列。,a,7,1）微控制器與嵌入式系統(tǒng),盡管微控制器特別適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，但是微控制器不等同于一個嵌入式系統(tǒng)。 根據(jù)IEEE（電氣和電子工程師協(xié)會）的定義，嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機(jī)器和設(shè)備運(yùn)行的裝置”（devices used to control，monitor，or assist the operation of equipment，machinery or plants）。從中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體。

5、 嵌入式系統(tǒng)包括一個處理器，涉及對硬件的直接控制，是為了嵌入到對象體系中完成某種特定的功能而設(shè)計(jì)的，還包括軟件，在軟件的管理下完成應(yīng)用功能。,a,8,2）CISC/RISC微控制器,早期的微控制器指令系統(tǒng)按照微型計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)展，其指令集稱為復(fù)雜指令集CISC（Complex Instruction Set Computer）。 復(fù)雜指令集可以有效地減少代碼指令數(shù)目，使取指操作所需要的內(nèi)存訪問數(shù)量達(dá)到最小化。 但是為了支持復(fù)雜指令集，CISC通常包括一個復(fù)雜的數(shù)據(jù)通路和一個微程序控制器。 RISC（Reduced Instruction Set Computer，精簡指令集計(jì)算機(jī)），是

6、針對CISC微處理器而提出來的，是一種執(zhí)行較少類型、功能簡明的計(jì)算機(jī)指令的微處理器。,a,9,CISC/RISC微控制器,RISC處理器能夠以更快的速度執(zhí)行操作，因?yàn)橛?jì)算機(jī)執(zhí)行每個指令類型都需要額外的晶體管和電路元件，計(jì)算機(jī)指令集越大就會使微處理器更復(fù)雜，執(zhí)行操作也會更慢。 目前大部分微控制器都是RISC體系，其中以MSP430系列和ARM處理器核是典型代表。,a,10,3）微控制器軟硬件結(jié)構(gòu),隨著微控制器集成度越來越高，一個微控制器內(nèi)部一般集成了算術(shù)邏輯計(jì)算單元ALU、寄存器堆、振蕩器、多個定時計(jì)數(shù)器、內(nèi)部總線、I/O單元、異步通信口UART、容量不大的靜態(tài)存儲器和一定容量的程序存儲器，部分

7、微控制器內(nèi)部甚至集成了E2PROM、I2C接口、SPI接口、ISP/JTAG接口、8-12位A/D轉(zhuǎn)換器、PWM接口等。 MCS-51微控制器的結(jié)構(gòu)方框圖:,a,11,微控制器軟硬件結(jié)構(gòu),a,12,微控制器軟硬件結(jié)構(gòu),除開硬件結(jié)構(gòu)，每一個微控制器提供軟件開發(fā)環(huán)境，包括編譯、調(diào)試以及目標(biāo)代碼引導(dǎo)等。 用戶軟件可以使用匯編語言或者高級語言開發(fā)，最小系統(tǒng)的底層軟件一般鼓勵使用匯編語言。 一個完整的匯編程序的內(nèi)容如下圖所示。,a,13,微控制器軟硬件結(jié)構(gòu),a,14,3、常用微控制器介紹,MCS-51系列微控制器是美國Intel公司在1980年推出的高性能8位單片微型計(jì)算機(jī)，較原來的MCS-48系列結(jié)構(gòu)

8、更為先進(jìn)，功能更強(qiáng)，是最經(jīng)典的微控制器之一。 MCS-51系列中主要有8031、8051、8751三種型號，它們的指令系統(tǒng)與芯片引腳完全兼容，僅片內(nèi)ROM有所不同。,a,15,常用微控制器介紹,AVR微控制器是ATMEL公司推出的RISC單片機(jī)，吸收了DSP雙總線的特點(diǎn)，采用Harvard總線結(jié)構(gòu)。因此，微控制器的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是分離的。 AVR微控制器具有多個系列，包括 ATtiny、AT90、ATmega。每個系列又包括多個產(chǎn)品，它們在功能和存儲器容量等方面有很大的不同，但基本結(jié)構(gòu)和原理都類似，而且編程方式也相同。,a,16,常用微控制器介紹,a,17,常用微控制器介紹,美國TI公

9、司的MSP430系列微控制器可以分為以下幾個系列：MSP430X1、MSP430X3和MSP430X4，而且還在不斷發(fā)展。從存儲器使用的情況，MSP430系列微控制器又可分為ROM（C型）、OTP（P型）、EPROM（E型）、Flash Memory（F型）。 MSP430系列微控制器集成了許多的數(shù)字、模擬單元電路，與16位微處理集成在一起而形成高性能的處理機(jī)。系列的全部成員均為軟件兼容，可以方便地在系列各型號間移植。 MSP430系列微控制器的MCU設(shè)計(jì)成各種應(yīng)用的16位結(jié)構(gòu)。它采用“馮-紐曼結(jié)構(gòu)”，因此，RAM、ROM和全部外圍模塊都位于同一個地址空間內(nèi)。,a,18,常用微控制器介紹,Mo

10、torola是世界上最大和最早的微控制器生產(chǎn)廠家之一，品種較全。其中： 8位微控制器主要有M68HC05、M68HC08和M68HC11三個系列 16位微控制器有M68HC12和M68HC16系列 32位微控制器有683XX系列。 其中，M68HC05系列微控制器是最基本的一個系列，具有功能全面、性價比高、系統(tǒng)電路與軟件設(shè)計(jì)簡單、使用方便、功耗低等特點(diǎn)。特別適用于家用電器、通信、儀器儀表、自動控制、汽車等領(lǐng)域。,a,19,常用微控制器介紹,COP8系列微控制器是美國國家半導(dǎo)體公司的產(chǎn)品，該公司以生產(chǎn)先進(jìn)的模擬電路著稱，能生產(chǎn)高水平的數(shù)字模擬混合電路。 COP8系列微控制器內(nèi)集成了高速A/D轉(zhuǎn)換

11、器，這是一般微控制器中不多見的。,a,20,常用微控制器介紹,瑞薩電子憑借其片上閃存產(chǎn)品，占據(jù)微控制器和微處理器產(chǎn)品的較大的市場份額。 針對高端用戶提供SuperH和V850系列微控制器； 針對中端用戶提供RX系列MCU微控制器； 針對低端用戶提供結(jié)合78K和R8C基本設(shè)計(jì)架構(gòu)的全新RL78系列微控制器。,a,21,4、微控制器最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì),一個微控制器是不能獨(dú)立工作的，必須給它供電、加上時鐘信號、提供復(fù)位信號。如果芯片沒有片內(nèi)程序存儲器，則還要加上存儲器系統(tǒng)，然后嵌入式處理器芯片才可能工作。 這些提供微控制器運(yùn)行所必須的條件的電路與微控制器共同構(gòu)成了這個微控制器的最小系統(tǒng)。 有些微控制器，

12、如大多數(shù)基于ARM7處理器核的微控制器都有調(diào)試接口，這部分在芯片實(shí)際工作時不是必需的，但因?yàn)檫@部分在開發(fā)時很重要，所以也把這部分也歸入最小系統(tǒng)中。,a,22,微控制器最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì),最小系統(tǒng)組成框圖,可選，因?yàn)樵S多面向嵌入式領(lǐng)域的微控制器內(nèi)部集成了程序和數(shù)據(jù)存儲器,可選，但是在樣品階段通常都會設(shè)計(jì)這部分電路,a,23,微控制器最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì),各部件簡介,電源,供電系統(tǒng) (電源),電源系統(tǒng)為整個系統(tǒng)提供能量，是整個系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，具有極其重要的地位，但卻往往被忽略。如果電源系統(tǒng)處理得好，整個系統(tǒng)的故障往往減少了一大半。,a,24,設(shè)計(jì)電源時要考慮的因素： 1. 輸出的電壓、電流、功率； 2. 輸

13、入的電壓、電流； 3. 安全因素； 4. 輸出紋波； 5. 電池兼容和電磁干擾； 6. 體積限制； 7. 功耗限制； 8. 成本限制。,微控制器最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì),各部件簡介,電源,a,25,微控制器最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì),各部件簡介,時鐘,目前所有的微控制器均為時序電路，需要一個時鐘信號才能工作，大多數(shù)微控制器具有晶體振蕩器。簡單的方法是利用微控制器內(nèi)部的晶體振蕩器，但有些場合（如減少功耗、需要嚴(yán)格同步等情況）需要使用外部振蕩源提供時鐘信號。,時鐘系統(tǒng),a,26,微控制器最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì),微控制器均為時序電路，需要一個時鐘信號，大多數(shù)微控制器具有晶體振蕩器，可直接使用微控制器內(nèi)部的晶體振蕩器。但有些場合（

14、如減少功耗、需要嚴(yán)格同步等情況）可使用外部振蕩源提供時鐘信號。,使用內(nèi)部振蕩器,使用外部時鐘源,可以使用穩(wěn)定的時鐘信號源，如有源晶振等。,a,27,微控制器最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì),各部件簡介,復(fù)位及其芯片配置,微控制器在上電時狀態(tài)并不確定，這造成微控制器不能正確工作。為解決這個問題，所有微控制器均有一個復(fù)位邏輯，它負(fù)責(zé)將微控制器初始化為某個確定的狀態(tài)。這個復(fù)位邏輯需要一個復(fù)位信號才能工作。,復(fù)位及其 配置系統(tǒng),a,28,微控制器最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì),各部件簡介,復(fù)位及其芯片配置,復(fù)位電路可以使用簡單的阻容復(fù)位，這個電路成本低廉，但不能保證任何情況產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的復(fù)位信號，所以一般場合需要使用專門的復(fù)位芯片。,

15、阻容復(fù)位,a,29,微控制器最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì),各部件簡介,存儲器系統(tǒng),對于大部分微控制器來說，存儲器系統(tǒng)不是必需的，但如果微控制器沒有（或不夠）片內(nèi)程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，就必須設(shè)計(jì)存儲器系統(tǒng)，這一般通過微控制器的外部總線接口實(shí)現(xiàn)。,存儲器系統(tǒng),a,30,微控制器最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì),各部件簡介, 調(diào)試與測試接口,調(diào)試與測試接口不是系統(tǒng)運(yùn)行必須的，但現(xiàn)代系統(tǒng)越來越強(qiáng)調(diào)可測性，調(diào)試、測試接口的設(shè)計(jì)也要重視了。一般微控制器有一個內(nèi)置JTAG調(diào)試接口，通過這個接口可以控制芯片的運(yùn)行并獲取內(nèi)部信息。,調(diào)試測試接口,a,31,5、最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心技術(shù),最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)、組裝、調(diào)試；

16、系統(tǒng)應(yīng)用軟件的編制、調(diào)試； 系統(tǒng)應(yīng)用軟件的鏈接調(diào)試、固化、脫機(jī)(脫離開發(fā)裝置)運(yùn)行。,1）硬件電路設(shè)計(jì)步驟 第一步：針對最小系統(tǒng)的功能要求和指標(biāo)要求，選擇微控制器，詳細(xì)分析基于該微控制器的最小系統(tǒng)的各個功能模塊；,a,32,最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn),硬件電路設(shè)計(jì)步驟,第二步：分解各個功能模塊的指標(biāo)，選擇各類元器件，對系統(tǒng)硬件每一功能模塊繪出詳細(xì)的電原理圖； 第三步：設(shè)計(jì)各類元器件封裝格式，以及系統(tǒng)的輸入/輸出控制，規(guī)劃元器件布局布線，設(shè)計(jì)制作印制電路板； 第四步：加工組裝樣機(jī)； 第五步：對樣機(jī)硬件進(jìn)行靜態(tài)調(diào)試和功能與指標(biāo)測試。,a,33,最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn),2）軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn), 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)清晰、簡

17、潔、合理的軟件流程。 各種功能程序?qū)崿F(xiàn)采用模塊化、子程序化。這樣，既便于調(diào)試、鏈接，又便于移植、修改。 合理規(guī)劃程序存儲區(qū)、數(shù)據(jù)存儲區(qū)，既能節(jié)約內(nèi)存容量，又使操作方便。 運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)標(biāo)志化管理。各個功能程序運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行結(jié)果以及運(yùn)行要求都設(shè)置狀態(tài)標(biāo)志以便查詢，程序的轉(zhuǎn)移、運(yùn)行、控制都可狀態(tài)標(biāo)志條件來控制。,a,34,最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn),軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn), 經(jīng)過調(diào)試修改后的程序應(yīng)進(jìn)行規(guī)范化，除去修改“痕跡”。規(guī)范化的程序便于交流、借鑒，也為今后的軟件模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化打下基礎(chǔ)。 實(shí)現(xiàn)全面軟件抗干擾設(shè)計(jì)。軟件抗干擾是計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)提高可靠性的有力措施。 為了提高運(yùn)行的可靠性，在應(yīng)用軟件中設(shè)置自診斷程序

18、，在系統(tǒng)工作運(yùn)行前先運(yùn)行自診斷程序，用以檢查系統(tǒng)各特征狀態(tài)參數(shù)是否正常。,a,35,3）微控制器最小系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì),提高微控制器系統(tǒng)的可靠性，除了選用高質(zhì)量元件外，通常還可使用以下技術(shù)。 第一：可靠性復(fù)位技術(shù) 對于由于干擾引起的系統(tǒng)失控，最簡單的方法是使系統(tǒng)復(fù)位，使程序從0000H開始執(zhí)行。在各種微控制器的RESET（復(fù)位）端加一個持續(xù)兩個機(jī)器周期以上的高電平信號，就可以使系統(tǒng)復(fù)位。 對于最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)者而言，有兩種方法可使系統(tǒng)復(fù)位：一是手動復(fù)位；二是使用“看門狗”技術(shù)，使系統(tǒng)恢復(fù)正常。,a,36,3）微控制器最小系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì),“看門狗”技術(shù)是一種計(jì)算機(jī)程序監(jiān)視技術(shù)，防止程序由于干擾等原因

19、而進(jìn)入死循環(huán)。 其工作原理是不斷監(jiān)測程序循環(huán)運(yùn)行的時間，一旦發(fā)現(xiàn)程序運(yùn)行時間超過循環(huán)設(shè)定的時間，就認(rèn)為系統(tǒng)已陷入死循環(huán)，然后強(qiáng)迫程序返回到已安排了出錯處理程序的入口地處，使系統(tǒng)回到正常運(yùn)行。 “看門狗”技術(shù)可以采用硬件電路實(shí)現(xiàn)，也可采用軟件技術(shù)通過內(nèi)部定時器/計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。,a,37,3）微控制器最小系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì),第二：電壓監(jiān)測及掉電保護(hù)技術(shù) 若最小系統(tǒng)微控制器系統(tǒng)的供電電源瞬間斷電或電壓突然下降，微控制器系統(tǒng)將陷入混亂狀態(tài)。此時，即使電源恢復(fù)正常，系統(tǒng)也很難恢復(fù)正常狀態(tài)。掉電保護(hù)就是用于解決此類問題的。 掉電保護(hù)必須通過硬件電路檢測到系統(tǒng)供電電源的瞬間斷電和電壓突然下降，然后將檢測信號加到微控制器的外部中斷輸入端，使系統(tǒng)及時地對掉電做出反應(yīng)。掉電引起的中斷應(yīng)作為高級中斷。,a,38,3）微控制器最小系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì),第三：指令冗余技術(shù) 指令冗余技術(shù)是用于解決由于干擾原因而破壞了程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容引起程序運(yùn)行