2020年03月31日 | MSP430使用指南2 -> CPU/CPUX

首先，先说明一下CPU位数代表的是什么意思，从市面上看8位，16位，32位甚至64位的MCU内核都已出现，位数指的是什么呢：

严谨说法：指CPU一次能处理的数据宽度，也就是参与运算的寄存器的数据长度。

MSP430 是16位的MCU

我们平时对MCU的C语言编程，都会经过编译器编译成机器码，也就是二进制，最后通过CPU内部寄存器（一般有20-100个）来实现运算数据，因此我们写的所有程序，实现的所有功能，最终都要由CPU内部寄存器的读写来完成。

CPU寄存器一般分为专用寄存器和通用寄存器，对于MSP430来说，总共有16个寄存器：R0 - R15, 其中四个（R0 – R3）为专用寄存器，其余的为通用寄存器，下面详细讲解一下CPU的内部结构和寄存器的功能。

1. CPU和CPUX

多看MSP430的User Guide你会发现，对于CPU介绍的章节，有些是CPU，有些则是CPUX，那么这两个有什么区别呢？ 为什么要出现CPUX呢：

我们来计算一下：

首先，16位的寄存器，也就是说我们由于需要寻址去执行相应的程序，即我们最多只有16跟地址总线，那么寻址范围呢：216=64K，每个地址可以存储1B的数据，因此CPU的最大寻址空间为64KB，这也就是CPU内核的MCU内部最大的Flash或FRAM空间了，但是如果用户程序很复杂呢，算法量很多呢，或者需要在内部Flash或FRAM中存储大量数据呢，必定会造成一个问题，内存不够，这就很尴尬，基于此，TI才开发了CPU的升级版CPUX内核，地址总线为20为，那么最大可以支持1MB的存储，这就可以解决这个问题了。 什么？1MB还不够？程序占有量没那么大的，1MB的内存基本满足90%以上的要求了，这是MCU,MCU，不是高端CPU！

2.CPU/CPUX的结构图:

左侧是CPU的内部结构，右侧为CPUX的结构图，从图上看，唯一的区别就是寄存器位数和地址总线了，因此，这两个CPU内核是一致的，仅仅区别在地址总线上而已。

PS: 不论是ARM内核，还是AVR内核，MSP430内核等，基本原理都大同小异，包含的CPU寄存器也很相似，不需要一致迷恋ARM内核好等，理性来说，适合自己项目的最好，ARM内核性能高，但内部也比较复杂，MSP430内核则比较简单，操作起来更便利，因此在很多场合下，MSP430内核更好理解和上手。

好啦，内核结构基本就这样，什么？What’s the fuck? 看不懂？ 没事呀，作为硬件工程师甚至是嵌入式软件工程师，不需要理解，就知道它就这样子，内部就是一堆寄存器和运算器就OK了，我们也很少会接触到它。

3.CPU/CPUX内部寄存器:

首先介绍一下MSP430 CPU/CPUX的主要特征：

丰富的寄存器资源

单周期操作寄存器

16位数据总线 16位/20位地址总线

常数发生器

直接存储器到存储器的访问

位，字节和字的操作方式。

寄存器列表：

下面以CPU（16位地址线）为例讲解一下每个寄存器的作用：

R0寄存器：PC 程序计数器

CPU中最核心的寄存器，指示下一条即将执行指令的地址。 PC寄存器的内容总是偶数，指向偶字节地址。程序计数器PC可以像其他寄存器一样用所有指令和所有寻址方式访问，但对程序存储器的访问必须以字为单位，否则会清除高位字节。PC的宽度决定了可以直接寻址的范围。16bits -> 64KB, 20bits -> 1MB。

汇编Code示例：

MOV #LABLE, PC              ；跳转到地址LABLE开始执行

MOV LABLE, PC                ；程序开始执行的地址为LABLE所在内存中的数

MOV @R14, PC                ； 程序开始执行的地址为寄存器R14中的数

R1寄存器：SP 堆栈指针

堆栈指针的所用主要是保护当前程序执行的地址，当正在执行一段程序，突然进来了一个中断，因此需要把当前执行程序的地址保护起来，将中断服务程序的矢量地址写入PC寄存器，开始执行中断服务程序，当中断服务程序执行完后，再将堆栈中的数据赋给PC寄存器，返回到原本程序位置接着执行。同时堆栈再函数调用期间也可以保存寄存器变量，局部变量参数等。

堆栈指针SP总是指向堆栈的顶部，系统在将数据压入堆栈时，总是先将堆栈指针SP的值减2，然后再将数据送到SP所指的RAM单元中。将数据从堆栈中弹出正好与压入过程相反；先将数据从SP所指示的内存单元取出，再将SP值加2。

汇编Code示例：

MOV 2(SP), R6                ；将内存单元I2中的数据放到R6中。

MOV R7, 0(SP)                ；将R7中的数据放到堆栈顶所在的单元（I3）中。

PUSH #0123h                  ；将SP的值减2，再将#0123h放到SP所指向的单元中。

POP R8                             ；将SP所指单元中的数（#0123h）放到R8中，再将SP的值加2。

实现功能的图如下：

R2寄存器：SR 状态寄存器

状态寄存器指示CPU目前工作遇到的一些零标志，负标志等，同时可以控制CPU的中断功能，具体功能见下表：

R3寄存器：常数发生器

常熟发生器用于产生一些常用的常数，而不必占用一个16 bits的字。所用常数的数值由寻址位As来定义，硬件完全自动地产生数字：-1，0，1，2，4，8   具体如下：

R4~R15寄存器：通用寄存器，可用于自由的读写操作。

汇编Code示例：

MOV #1234H, R15         ；执行后R15内容为1234H

MOV.B #23H, R15          ；执行后R15内容为0023H

ADD.B #34H, R15           ；执行后R15内容为0057H

4.CPU/CPUX存储结构:

特点：MSP430 MCU采用“冯-诺依曼”结构，物理上完全分离的存储区域，如ROM,FLASH,FRAM,RAM外围模块，特殊功能寄存器SFR等，被安排在同一地址空间，这样就可以使用一组地址、数据总线、相同的指令访问。

中断向量被安排再相同的空间：0FFE0~0FFFFH;

8位，16位外围模块占用相同范围的存储器地址；

所有器件的特殊功能寄存器占用相同范围的存储器地址：00H~0FH；

数据存储器开始于相同的地址，即从0200H处开始；

代码存储器的最高地址都是0FFFFH.

5.编程时内联函数:

再使用CCS或IAR编程过程中，你可能会发现，有一些函数类似于库里面的，找不到定义，这些函数是内联函数，具有一些特殊功能，在使用过程中可以减少自己的开发时间。

MSP430总共有42个内联函数，这里列出几种常用的，并描述其功能：

__no_operation();

仅仅是空操作而已，类似于NOP(); 调试使用，可以定位到程序运行的位置。

__delay_cycles(10);

延时函数，参数指的是MCLK时钟周期，比如：MCLK  1MHz,那么参数写1000，则大约延时1ms。

__bis_SR_register();

针对寄存器中单独的某一位进行置位，常用的如：

__bis_SR_register(SCG0);                 // disable FLL

__bis_SR_register(LPM3_bits|GIE);         // Enter LPM3, interrupts enabled

__bic_SR_register();

针对寄存器中单独的某一位进行复位，常用的如：

__bic_SR_register(SCG0);                 // enable FLL

__bic_SR_register_on_exit();

针对寄存器中单独的某一位进行复位同时退出到main中，常用的如：

__bic_SR_register_on_exit(LPM0_bits + GIE);  // Exit LPM0 on return to main

针其他内联函数平时很少使用，有些也不太需要很深入的了解函数的含义，具体内容，可以参见MSP430 Optimizing C C++ Compiler.pdf文件。