6 bitové MCU rady MSP430 od firmy Texas Instruments nepatria v našich zemepisných šírkach medzi veľmi rozšírené. Napriek tomu sa jedná o veľmi zaujímavé a prepracované MCU, vyznačujúce sa najmä nízkou spotrebou. Preto sa ich pokúsim trochu spropagovať. Ak niekedy budete potrebovať navrhnúť zariadenie, ktoré pobeží desať rokov na jednu gombíkovú batériu, vzpomeňte si na MSP430. Bude dobrá voľba.

MSP430 existuje v niekoľkých radoch:

V tomto úvode sa budem venovať základnej rade MSP430F1xx.

Základné vlastnosti

• 16-bitová architektúra, 16 16-bitových registrov, z toho 12 všeobecne použiteľných
• 125ns inštrukčný cyklus (pri 8 MHz/3.6V)
• prepracovaný systém hodín
• napájenie 1.8V až 3.6V
• 5 režimov so zníženou spotrebou
• nízka spotreba (v závislosti od typu):
  • 200-330uA pri 1MHz/2.2V
  • 0.7-1.6 uA standby
  • 0.1-0.2 uA CPU off mód
• prepracovaný systém periférií a prerušovací systém, optimalizovaný pre nízkopríkonové aplikácie:
  • flexibilný systém zdrojov hodinových signálov
  • možnosť vypnutia periférií
  • schopnosť periférií pracovať nezávisle na CPU
  • systém prerušení, pracujúci vo všetkých nízkopríkonových režimoch
• unifikovaná sada periférií:
  • obojsmerné digitálne IO, vrátane prerušenia pri zmene hodnoty na vstupe
  • 10 a 12 bitové AD prevodniky s ôsmimi externými a štyrmi internými vstupmi (vrátane tepelného senzoru)
  • 12-bitový DA prevodník
  • USART – voliteľný UART, SPI alebo I2C mód
  • 16 – bitové časovače s viacerými komparátormi a PWM funkcionalitou
  • supervízor napájacieho napätia
  • HW násobička so sumáciou
• DMA kontrolér (niektoré typy)
• LCD kontrolér (rada 4xx)
• on-board programovanie/ladenie prostredníctcom JTAG rozhrania

Aritmeticko-logická jednotka

Aritmeticko-logická jednotka má 16-bitovú RISC architektúru. Operácie je možné vykonávať s 16-bitovým slovom alebo 8-bitovým byte.

Registre

MSP430 obsahuje 16 16-bitových registrov. Všetky registre sú rovnocenné z hľadiska pristupu.

Bližšie vysvetlenie si zaslúžia generátory konštánt. Pri čítaní z generátora konštánt získame niektorú s preddefinovaných konštánt. Jej hodnota závisí od adresového módu. Generátory konštánt sa dajú použiť ako zdrojový operand.
Register R2 je prístupný ako stavový register len registrovom móde, v ostatných prípadoch pracuje ako generátor konštánt.

Generátor konštánt šetrí pamäť – vymenované konštanty nemusia byť uložené v pamäti programu. Spolu s rovnocenným prístupom k registrom umožňuje emuláciu časti inštrukčného súboru. Napríklad inštrukcia CLR R15 sa preloží ako MOV R3,R15 alebo inštrukcia JMP XYZ sa preloží ako MOV XYZ,R0.

Adresové módy

Podľa tvrdenia TI MSP430 obsahuje 7 adresových módov pre zdrojový operand a 4 adresové módy pre cieľový operand. Toto môže byť pri bližšom pohľade trochu mätúce. V skutočnosti sú k dispozícii 4 adresové módy pre zdrojový operand a 2 adredové módy pre cieľový operand. Ostatné módy su z nich odvodené a používajú niektorý špeciálny register.

Inštrukčný súbor

Základný inštrukčný súbor obsahuje púhych 27 inštrukcií. Ostatné sú emulovnané pomocou vhodného využitia adresných módov, špeciálnych registrov a generátorov konštánt. Tým je dosiahnutý celkový počet inštrukcií 51.
Každá inštrukcia môže pracovať so 16-bitovým alebo 8-bitovým operandom.

Podrobný popis inštrukcií nájdete v dokumentácii.

Organizácia pamäte

Program a dáta zdieľajú spoločný priestor (von Neumannova architektúra). Do pamäťového priestoru sú mapované aj špeciálne registre (SFR) a IO porty.

Organizácia pamäti je jednotná pre všetky modely. Pamäť programu končí vždy na najvyššej adrese (0FFFFH) a pamäť RAM začína na adresa 0200H. Začiatok ROM/Flash a koniec RAM závisí od modelu.

Snáď len pár slov k informačnej pamäti: je to Flash pamäť, určená na ukladanie konfiguračných informácií a podobne. Do tejto pamäte sa dá zapisovať po 128B blokoch, zatiaľ čo do bežnej pamäte programu po 512B blokoch. Inak nie je medzi použitím informačnej pamäti a pamäti programu žiaden rozdiel

Hodinový generátor

MSP430 má tri zdroje hodinového signálu

• nizkofrekvenčný a vysokofrekvenčný oscilátor LFXT1
• vysokofrekvenčný oscilátor XT2
• interný digitálne riadený oscilátor DCO s RC charakteristikou

Oscilátor LFXT1 môže byť riadený hodinkovým kryštálom 32768Hz (v nízkofrekvenčnom režime), alebo kryštálom, prípadne rezonátorom, v rozsahu 450kHz až 8 MHz (vysokofrekvenčný režim). taktiež môžeme použiť externý hodinový signál v tomto rozsahu.
V prípade nízkofrekvenčného režimu oscilátor obsahuje dva 12pF kondenzátory – ak máme kryštál, vyžadujúci sériovú 6 pF kapacitnú záťaž, nepotrebujeme žiadne externé kondenzátory.

Oscilátor XT2 je vysokofrekvenčný oscilátor v rozsahu 450kHz až 8MHz. Môže byť riadený kryštálom, rezonátorom, prípadne externým zdrojom signálu.

DCO je digitálne riadený oscilátor s RC charakteristikou. Dokáže dodať signál s frekvenciou od desiatok kHz po ptibližne 10MHz. Maximálna frekvencia závisí od napájacieho napätia, typu a externého odporu. Detaily nájdete v datasheetoch k jednotlivým typom MSP430.
Externý odpor slúži na zvýšenie tepelnej stability DCO, ktorá je inak dosť biedna.

To by boli zdroje hodinových signálov. Teraz k samotným hodinovým signálom. MSP430 používa 3 hodinové signály:

Zdroje hodinového signálu sú konfigurovateľné:

Každý hodinový signál môže byť delený hodnotou 1, 2, 4 alebo 8.

Na záver zmienka o detekcii výpadku oscilátora: pokiaľ dôjde k zlyhaniu kryštálového osciláltora, MCLK sa prepne automaticky na DCO a vyvolá sa prerušenie. Tým sa zabezpečí, že MCU beží ďalej a program je informovaný o probléme.

Režimy s nízkou spotrebou

Päť režimov s nízkou spotrebou patrí k najzaujímavejším vlastnostiaml MSP430. Vo všetkých režimoch je pozastavená CPU a líšia sa tým, ktoré zdroje hodín sú aktívne.

DC generátor, ktorý je zdrojom signálu pre DCO, vyžaduje pre svoj rozbeh určitý čas – typicky niekoľko us. Na druhej strane je vhodné ho vypínať, pretože má určitý príkon. Preto sa dá vypínať zvlášť.

CPU vie opustiť nízkopríkonový režim príchodom akéhokoľvek prerušenia. Informácia o režime je uložená v stavovom registri, ktorý sa pri prerušení uloží do zásobníka. To mimoriadne zjednodušuje prácu – po návrate z prerušenia sa automaticky vrátime do predošlého stavu. Ak to chceme zmeniť, stačí zmeniť hodnotu odloženého stavového registra na vrchole zásobníka.

Periférie

Na záver uvedieme prehľad periférií. Tento prehľad neobsahuje všetky detaily a parametre, tieto sú uvedené v dokumentácii. V tomto prehľade chcem naznačiť možnosti periférií.

Na perifériách MSP430 je vynikajúce to, že sa s nimi pracuje jednotne vo všetkých modeloch. To zjednodušuje prechod z jedného modelu na druhý a portovanie programu je jednoduché aj v assembleri.

Periférie vedia navzájom spolupracovať bez účasti procesora. Napríklad časovač dokáže spúšťať konverziu AD a DA prevodníka, komparátor dokáže aktivovať časovač a podobne. Detaily týchto vzájomných interakcií sa v jednotlivých modeloch môžu líšiť.

Strážny pes (watchdog timer)

Hlavnou úlohou strážneho psa je dohliadnuť, aby sa program niekde nezacyklil. V prípade, že sa jeho čítač neresetuje do určitého času, vygeneruje sa reset.
Strážneho psa môžme použiť aj v režime intervalového časovača, V tomto režime sa negeneruje reset, ale prerušenie. Avšak nezamieňajme si ho s časovačom – nastavenia intervalu sú veľmi obmedzené.

Proti náhodnej zmene nastavení je konfiguračný register strážneho psa chránený heslom. to znamená, že tesne pred zápisom konfigurácie treba do príslušného registra zapísať definovanú hodnotu.

Trochu nemilou vlastnosťou je, že po resete je strážny pes aktívny. Ak na to zabudnete, prvé pokusy s týmto procesorom môžu vyvolať hlbokú depresiu.

HW násobička

HW násobička umožňuje násobenie ľubovoľnej kombinácie 8-bitových a 16-bitových operandov. Násobiť je možné čísla so znamienkom alebo bez znamienka.
Výsledky násobenia je možné sčítavať priamo v násobičke (niečo ako a1*b1+a2*b2+a3*b3 …).

Násobička je pomerne rýchla – výsledok je hotový po troch inštrukčných cykloch.

Supervízor napájacieho napätia

Supervízor napájacieho napätia (SVS) monitoruje napätie AVCC. Keď napätie poklesne pod zvolenú úroveň, vygeneruje sa reset alebo sa nastaví flag. Úroveň je nastaviteľná v rozsahu 1.9V až 3.7V.
SVS sokáže monitorovať aj externé napätie (privedené na pin SVSIN), ktoré porovnáva na úroveň 1.25V.

DMA kontrolér

DMA kontrolér umožňuje prenos dát bez účasti procesora. DMA je implementované iba v najvyšších radách.

• obsahuje tri nezávislé kanály s konfigurovatreľnou prioritou
• možnosť prenášať bloky do dĺžky 65536 byte
• možnosť pracovať s 8-bitovými aj 16-bitovými hodnotami.
• štyri módy adresácie
• možnosť spustenia ktoroukoľvek perifériou

DMA môže prenášať údaje štyrmi spôsobmi (módy adresácie):

• z pevnej adresy na pevnú adresu
• z pevnej adresy do poľa adries
• z poľa adries na pevnú adresu
• z poľa adries do poľa adries

Prenos môže prebiehať viacerými spôsobmi:

• jednoduchý mód – prenesie sa jeden byte alebo slovo
• blokový mód – prenesie sa blok údajov; CPU jej zatiaľ pozastavená
• burst mód – CPU beží 20% času, 80% času beží DMA prenos

Digitálne vstupy a výstupy

Digitálne vstupy a výstupy majú:

• nezávisle konfigurovateľný smer (vstup alebo výstup).
• nezávislý vstupný a výstupný register
• zdieľajú piny s periférnymi zariadeniami; funkcia pinu je tiež závislá od smeru
• porty P1 a P2 môžu vygenerovať prerušenie v prípade zmeny hodnoty
• porty nemajú pull-up alebo pull-down odpory

Časovač A a časovač B

Časovač A je 16-bitový časovač s tromi zachytávacími a komparačnými registrami. Podporuje viacnásobné zachytávanie, porovnávanie a PWM výstup.

Samotný čítač vie pracovať v štyroch režimoch:

• vypnutý – čítač nebeží
• hore – čítač beží od nuly po definovanú hodnotu, potom sa resetne do nuly a to sa opakuje
• spojite – čítač beží po hodnotu 0FFFFH, potom pretečie do nuly a to sa opakuje
• hore a dole – čítač beží od nuly po definovanú hodnotu a späť k nule

Ako zdroj hodinového signálu môže byť použitý hodinový signál ACLK, SMCLK alebo dva externé signály – zapojnie externých signálov sa môže líšiť u jednotlivých MCU – detaily nájdete v datasheetoch. Hodinový signál môže byť dodatočne delený hodnotou 1, 2, 4 alebo 8.

Výstupný blok môže pracovať v zachytávacom režime alebo v porovnávacom režime.

V zachytávacom režime sa do registra zachytí aktuálna hodnota čítača. Zachytenie môže byť aktivované dvomi signálmi – tieto signály môžu pochádzať z externého zdroja alebo z inej periférie – detaily opäť nájdete v datasheete – a to nábežnou, zostupnou alebo obomi hranami. Zachytenie obsahu čítača vyvolá prerušenie.

V porovnávacom režime sa hodnota čítača porovnáva s prednastavenou hodnotou komparačného registra. V prípade, že sa hodnoty rovnajú, zmení sa hodnota výstupu. Výstup sa môže nastaviť, vynulovať alebo invertovať.
Za zmienku stojí špeciálne postavenie komparačného registra 0. Hodnota tohoto registra sa dá použiť ako druhá porovnávacia hodnota, napríklad pri dosiahnutí hodnoty komparátora 1 sa výstup nastaví a po dosiahnutí hodnoty komparátora 0 sa výstup vynuluje. Samozrejme, každé dosiahnutie hodnoty komparátora vyvolá prerušenie. Ak vám to pripomína PWM, nemýlite sa. Komparátor 1 riadi frekvenciu a komparátor 0 riadi šírku impulzu.

Čítač B sa oslišuje v niekoľkých detailoch:

• má konfigurovateľnú šírku 8, 10, 12 alebo 16 bitov
• môže mať až sedem komparátorov a zachytávacích registrov
• registre komparátora majú dvojitý buffer
• výstupy sa dajú prepnúť do stavu s vysokou impedanciou

Dvojitý buffer umožňuje zápis hodnoty v definovanom okamihu – program zapíše hodnotu registra komparátora do pomocného registra a táto hodnota sa prepíše do registra komparátora v definovanom okamihu: okamžite, pri prechode nulou alebo po dosiahnutí aktuálne nastavenej hodnoty komparátora. Za týmto účelom je možné združiť registre do skupín – prepis hodnoty registrov celej skukpiny sa udeje, keď je splnená podmienka pre prepis prvého registra v skupine.

USART

USART dokáže pracovať v troch režimoch:

• UART
• SPI
• I2C

USART je štandardný, plne konfigurovateľný, bez nejakých obmedzení.

Komparátor A

Komparátor A má vyvedený invertujúci a neinvertujúci vstup. Na každý vstup môže byť privedený externý signál alebo referenčné napätie z vnútorného zdroja.

Výstup má hodnotu 1, ak je na neinvertujúcom vstupe vyššie napätie ako na invertujúcom. Zmena stavu výstupu môže vyvolať prerušenie (voliteľne pri 0→1 alebo 1→0). Výstup može byť priamo použitý ako trigger pre čítač (v zachytávacom režime) – implementácia je závislá od typu MCU. Na výstupe je možné aktivovať RC filter.

Interný referenčný zdroj dokáže poskytnúť napätie 0.25VCC, 0.5VCC alebo napätie PN prechodu diódy (okolo 0.55V). Ak to nestačí, vždy máme možnosť použiť externý referenčný zdroj.

12-bitový AD prevodník

Základné vlastnosti:

• sample-and-hold prevodník s konfigurovateľným časom vzorkovania
• rýchlosť lepšia ako 200ksps
• spúštanie prevodu programovo, externým signálom alebo časovačom
• interný alebo externý referenčný zdroj
• 8 externých a 4 interné analógové vstupy, vrátane referenčných napätí a tepelného senzoru
• variabilný zdroj hodín
• automatické módy konverzie cez viac kanákov, s prípadným opakovaním
• automatická deaktivácia prevodníka, možnosť odpojenia zdroja referenčného napätia (zníženie príkonu)
• bohatý repertoár prerušení
• pamäť pre 16 vzoriek

Ako zdroj hodinového signálu je možné použiť ACLK, MCLK, SMCLK alebo interný oscilátor (približne 5MHz – frekvencia je závislá od modelu, napájacieho napätia a teploty). Hodinový signál môže byť delený hodnotou 1 až 8.

Proces konverzie môže byť spustený externým signálom alebo výstupom z časovačov. Aktívna hrana spúšťacíeho signálu je konfigurovateľná (nábežná alebo zostupná).

Doba vzorkovania je riadená interným čítačom (pulzný mód) alebo priamo spúšťacím signálom (predĺžený mód). V pulznom móde spúšťací signál iba spustí proces vzorkovania, po vypršaní preddefinovaného času sa začne konverzia. V predĺženom móde sa aktiváciou spúšťacieho signálu zaháji vzorkovanie a jeho ukončením sa spustí konverzia.

Prevodník dokáže pracovať v niekoľkých automatických režimoch:

• jeden kanál – prevodník konvertuje jednu vzorku a uloží ju do vyrovnávacej pamäti
• viac kanálov – automaticky konvertuje viac kanálov a výsledky uloží do viacerých registrov vyrovnávacej pamäti
• opakovaný jeden kanál – opakovane konvertuje vzorku z jedného kanála a ukladá ju do vyrovnávacej pamäti; výsledok je treba vyčítať skôr, ako sa dokončí ďalší prevod
• opakovaných viac kanálov – opakovane konvertuje viac kanálov, výsledky je treba vyčítať skôr, ako sa do registrov zapíšu ďalšie konvertované hodnoty

Ukončenie konverzie vyvolá prerušenie. V podstate je prerušenie vyvolané zápisom do registra vyrovnávacej pamäte a všetky flagy a prerušovacie vektory sú vztiahnuté k týmto registrom. K tomu sa pridávajú ochranné prerušenia: prerušenie, ak sa zapisuje do registra skôr, ako bola vyčítaná predošlá hodnota a prerušenie ak sa žiada konverzia skôr, ako bola dokončená predošlá konverzia. Vďaka tomu nestratíme žiadnu vzorku bez toho, aby sme o tom vedeli.

10-bitový AD prevodník

Základné vlastnosti:

• sample-and-hold prevodník s konfigurovateľným časom vzorkovnia
• rýchlosť lepšia ako 200ksps
• spúštanie prevodu programovo, externým signálom alebo časovačom
• interný alebo externý referenčný zdroj
• 8 externých a 4 interné analógové vstupy, vrátane referenčných napätí a tepelného senzoru
• variabilný zdroj hodín
• automatické módy konverzie cez viac kanákov, s prípadným opakovaním
• automatická deaktivácia prevodníka, možnosť odpojenia zdroja referenčného napätia (zníženie príkonu)
• bohatý repertoár prerušení
• modul dátového prenosu do pamäte

Ako zdroj hodinového signálu je možné použiť ACLK, MCLK, SMCLK alebo interný oscilátor (približne 5MHz – frekvencia je závislá od modelu, napájacieho napätia a teploty). Hodinový signál môže byť delený hodnotou 1 až 8.

Proces konverzie môže byť spustený externým signálom alebo výstupom z časovačov. Aktívna hrana spúšťacíeho signálu je konfigurovateľná (nábežná alebo zostupná).

Doba vzorkovania je riadená interným čítačom (pulzný mód). Spúšťací signál spustí proces vzorkovania, po vypršaní preddefinovaného času sa začne konverzia. Na rozdiel od 12-bitového prevodníka, predĺžený mód nie je podporovaný.

Prevodník dokáže pracovať v niekoľkých automatických režimoch:

• jeden kanál – prevodník konvertuje jednu vzorku a uloží ju do vyrovnávacej pamäti
• viac kanálov – automaticky konvertuje viac kanálov a výsledky uloží do viacerých registrov vyrovnávacej pamäti
• opakovaný jeden kanál – opakovane konvertuje vzorku z jedného kanála a ukladá ju do vyrovnávacej pamäti; výsledok je treba vyčítať skôr, ako sa dokončí ďalší prevod
• opakovaných viac kanálov – opakovane konvertuje viac kanálov, výsledky je treba vyčítať skôr, ako sa do registra zapíše ďalšia konvertovaná hodnota

Tento prevodník má len jeden register na uloženie konvertovanej vzorky. Táto vzorka môže byť automaticky prenesená do RAM za pomoci modulu dátového prenosu.

Ukončenie konverzie vyvolá prerušenie. V prípade, že sa nepoužíva modul dátového prenosu, prerušenie nastane po zápise hodnoty do vyrovnávacieho registra. Ak sa modul dátového prenosu používa, prerušenie nastane po ukkončení prenosu.

Tento prevodník nemá k dispozícii ochranné prerušenia a nechráni nás proti strate vzoriek.

12-bitový DA prevodník

• presnosť 12 alebo 8 bitov
• programovateľná rýchlosť prevodu (vyššia rýchlosť → vyššia spotreba)
• interný alebo externý zdroj referenčného napätia
• automatická kalibrácia offsetu
• zápis prevádzanej hodnoty môže byť synchronizovaný časovačmi
• formát dát so znamienkom alebo bez znamienka

Kde hľadať ďalšie informácie

Štruktúra dokumentácie MSP430 je nasledovná: pre každú radu existuje jeden spoločný dokument, ktorý vyčerpávajúco popisuje všetky vlastnosti, parametre a periférie, ktoré sa danej rady týkajú. Konkrétne detaily, parametre, implementované periférie sú popísané v datasheetoch k jednotlivým typom.

Spoločný dokument sa nazýva MSP430x1xx Family User’s Guide a nájdete ho pod kódom SLAU049. Ak zadáte tento kód vo vyhľadávači na stránkach www.ti.com, hneď prvý odkaz bude smerovať na tento dokument. Priamy link neuvádzame, pretože sa mení s každou novou revíziou dokumentu.

A samozrejme nesmieme zabudnúť na množstvo aplikačných poznámok a príkladov, vrátane kompletných aplikácií, ktoré takisto nájdete na stránkach www.ti.com.

Pár smutných slov na záver

Je veľká škoda, že takýto kvalitný procesor má u nás malú podporu. Patrí k tomu najlepšiemu, čo existuje v oblasti nízkopríkonových aplikácií. Nejedná sa len o MSP430, ale aj o ďalšie obvody zo sortimentu TI.

Dostupnosť z miestnych zdrojov je skoro nulová – respektíve neviem o žiadnom dodávateľovi, ktorý by sortiment TI, vrátane celého rozsahu typov MSP430 mal trvale k dispozícii. Takže ostávajú osvedčené zahraničné zdroje ako Farnell. Tento stav sa môže zmeniť iba vtedy, ak bude o MSP430 väčší záujem zo strany odberateľov. Možno. U slovenských obchodníkov jeden nikdy nevie.

Ak by vás odradzovala vyššia cena, uvedomte si kvality tohoto procesora. A za kvalitu sa platí.