第二章MSP430體系結(jié)構(gòu)

第二部分

MSP430體系結(jié)構(gòu)2

Copyright2009TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.pt以下是MSP430體系結(jié)構(gòu)的綜合描述，包括：主要特點(diǎn)；設(shè)備體系結(jié)構(gòu);地址空間；中斷向量表；中央處理器(MSP430CPUandMSP430XCPU)；七種尋址模式和指令集組成：27種基本操作碼；24種仿真指令。3

Copyright2009TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.pt結(jié)構(gòu)2.1控制器簡(jiǎn)介

2.2地址空間2.3中央處理器(MSP430CPU)2.4中央處理器(MSP430XCPU)2.5尋址模式2.6指令集2.1微控制器簡(jiǎn)介5

Copyright2009TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.pt微控制器性能指標(biāo)成本：通常微控制器是大容量、低成本的設(shè)備；時(shí)鐘頻率：和其他設(shè)備(如微處理器和DSP)比起來(lái)，微控制器采用更低的時(shí)鐘頻率。目前，微控制器通常可以跑到100MHz/100MIPS(每秒百萬(wàn)條指令數(shù))；功耗：比DSP和MPU低幾個(gè)數(shù)量級(jí)；位數(shù)：4位(老式設(shè)備)到32位設(shè)備；內(nèi)存：有限的內(nèi)存，通常小于1M字節(jié)；輸入/輸出(I/O)：8到150個(gè)輸出引腳。6

Copyright2009TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.ptMSP430微控制器的主要特點(diǎn)(1/3)低功耗RAM數(shù)據(jù)保存只需0.1A實(shí)時(shí)時(shí)鐘模式下操作只需0.8A在活動(dòng)模式下操作只需250A/MIPS低操作電壓（從1.8V到3.6V）<1s的時(shí)鐘啟動(dòng)時(shí)間<50nA的端口漏電流零功耗的掉電復(fù)位（BOR）7

Copyright2009TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.ptMSP430主要特點(diǎn)(2/3)片上模擬設(shè)備：10/12/16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC);12位雙通道數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC);比較器——門(mén)控定時(shí)器(gatedtimers);運(yùn)算放大器

(OpAmps);電源電壓監(jiān)控器

(SVS).16位RISCCPU:緊湊的內(nèi)核設(shè)計(jì)，降低功耗和成本;16位數(shù)據(jù)總線(xiàn);27種內(nèi)核指令;7種尋址模式;豐富的中斷向量資源。8

Copyright2009TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.ptMSP430主要特點(diǎn)(3/3)靈活性：高達(dá)256kByte的Flash;高達(dá)100個(gè)引腳;USART,I2C,Timers;LCD驅(qū)動(dòng);嵌入式仿真;多種外設(shè)模塊…微控制器性能:位、字節(jié)和字的指令處理；精簡(jiǎn)指令集;編譯效率;廣泛的外設(shè);靈活的時(shí)鐘系統(tǒng)。9

Copyright2009TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.ptMSP430模塊框圖2.2地址空間11

Copyright2009TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.pt內(nèi)存映射映射到單個(gè)、連續(xù)的地址空間：所有存儲(chǔ)器，包括RAM,Flash/ROM,信息內(nèi)存，特殊功能寄存器(SFRs),和外設(shè)寄存器。12

Copyright2009TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.pt中斷向量表映射到存儲(chǔ)器空間的最后一段區(qū)域(Flash/ROM中最后16個(gè)字):0FFE0h-0FFFEh(4xx系列);中斷向量表優(yōu)先級(jí)隨著字地址的增加而遞增.

2.3中央控制器(MSP430CPU)14

Copyright2009TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.ptMSP430CPU特點(diǎn)(1/3)RISC(精簡(jiǎn)指令集)架構(gòu):只包括最基本的指令(短集):27種物理指令-內(nèi)核指令24種仿真指令這樣可以使指令解碼更簡(jiǎn)單快速7種尋址方式寄存器尋址變址尋址符號(hào)尋址絕對(duì)尋址間接尋址和間接增量尋址立即數(shù)尋址MSP430CPU特點(diǎn)(2/3)使用通用內(nèi)存地址總線(xiàn)

(MAB)和內(nèi)存數(shù)據(jù)總線(xiàn)(MDB)進(jìn)行互連

——馮諾依曼架構(gòu):數(shù)據(jù)和指令集共用一個(gè)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器處理單元隱式分離把指令當(dāng)成數(shù)據(jù)（可編程的）一樣處理采用三級(jí)指令流水線(xiàn)，包括：指令譯碼16位ALU4個(gè)專(zhuān)用寄存器12個(gè)通用寄存器16

Copyright2009TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.ptMSP430CPU特點(diǎn)(3/3)地址總線(xiàn)有16位，所以可以尋址范圍為64kB(包括RAM+Flash+寄存器);算術(shù)邏輯單元(ALU):加,減,邏輯操作

(與,或,異或);操作數(shù)會(huì)影響溢出標(biāo)志，零標(biāo)志，負(fù)標(biāo)志等SR（狀態(tài)寄存器）的標(biāo)志位.17

Copyright2009TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.ptMSP430CPU寄存器(1/5)包括16個(gè)16位寄存器:4個(gè)專(zhuān)用寄存器(R0,R1,R2andR3);12個(gè)通用寄存器(R4~R15).R0:程序計(jì)數(shù)器(PC):存放著下一條將要從程序存儲(chǔ)器中取出的指令的地址。R1:堆棧指針(SP):第一，用戶(hù)可以使用堆棧存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以便未來(lái)使用。(指令:用PUSH指令來(lái)存數(shù)據(jù)，POP指令來(lái)取數(shù)據(jù));第二，用戶(hù)和編譯器均可以使用堆棧為子函數(shù)傳遞參數(shù)(PUSH、POP用于調(diào)用函數(shù)，被調(diào)用的函數(shù)使用SP來(lái)計(jì)算偏移)；

18

Copyright2009TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.ptR1:堆棧指針(SP)(續(xù)):第三，系統(tǒng)進(jìn)入子函數(shù)之前，把PC的值存儲(chǔ)到堆棧中，從子函數(shù)返回時(shí)，再取出堆棧中的值，重新賦值給PC；第四，系統(tǒng)堆棧在系統(tǒng)進(jìn)入中斷服務(wù)程序時(shí)，首先保護(hù)程序計(jì)數(shù)器(PC)，然后將中斷矢量地址送入程序計(jì)數(shù)器，再執(zhí)行中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢，遇到返回指令時(shí)，將堆棧的內(nèi)容送到程序計(jì)數(shù)器中，程序又回到原來(lái)的地方，繼續(xù)執(zhí)行。在函數(shù)調(diào)用之前保存的寄存器變量、局部變量和參數(shù)都不會(huì)變。MSP430CPU寄存器(2/5)19

Copyright2009TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.ptR2:狀態(tài)寄存器(SR):存儲(chǔ)狀態(tài)位和控制位;CPU自動(dòng)改變系統(tǒng)標(biāo)志位;保留位用來(lái)支持常量發(fā)生器.1514131211109876543210ReservedforCG1VSCG1SCG0OSCOFFCPUOFFGIENZCBitDescription8V溢出位.

V=1運(yùn)算結(jié)果超出有符號(hào)范圍7SCG1系統(tǒng)時(shí)鐘發(fā)生器0.

SCG1=1

當(dāng)DCO未被用作MCLK或SMCLK時(shí)，關(guān)閉DCO發(fā)生器

6SCG0系統(tǒng)時(shí)鐘發(fā)生器1.

SCG0=1

關(guān)閉FLL和循環(huán)控制5OSCOFF關(guān)閉振蕩器.

OSCOFF=1

當(dāng)LFXT1未被用作MCLKorSMCLK時(shí)，關(guān)閉LFXT1

4CPUOFF關(guān)閉CPU.

CPUOFF=1禁止CPU核3GIE使能通用中斷.

GIE=1

使能中斷屏蔽2N負(fù)標(biāo)志.

N=1

運(yùn)算結(jié)果為負(fù)1Z零標(biāo)志.

Z=1運(yùn)算結(jié)果為零0C進(jìn)位標(biāo)志.

C=1運(yùn)算結(jié)果產(chǎn)生進(jìn)位MSP430CPU寄存器(3/5)20

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Copyright2008TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.ptR2/R3:常量發(fā)生器

(CG1/CG2):根據(jù)源寄存器尋址模式（AS）的值，常量發(fā)生寄存器可以不需要通過(guò)代碼字或代碼內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)即可生成六個(gè)常用的常量。利用這個(gè)功能就可以實(shí)現(xiàn)仿真指令，例如：可以使用常量發(fā)生器而不是使用一個(gè)核心指令來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)值增一。

RegisterAsConstantRemarksR200-RegistermodeR201(0)AbsolutemodeR21000004h+4,bitprocessingR21100008h+8,bitprocessingR30000000h0,wordprocessingR30100001h+1R31000002h+2,bitprocessingR3110FFFFh-1,wordprocessingMSP430CPU寄存器(4/5)21

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Copyright2008TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.ptR4-R15:通用寄存器:通用寄存器可以用來(lái)保存數(shù)據(jù)值、地址指針或者索引值，可以通過(guò)字節(jié)或字指令訪(fǎng)問(wèn)它們。MSP430CPU寄存器(5/5)2.4中央控制器(MSP430XCPU)23

Copyright2009TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.ptMSP430XCPU架構(gòu)特征MSP430XCPU架構(gòu)的主要特征:MSP430XCPU把MSP430系列的尋址范圍從64kB擴(kuò)展了到1MB;為了實(shí)現(xiàn)上述功能，尋址模式做了一些改變，并添加了兩種新類(lèi)型的指令;其中一種類(lèi)型的指令可以訪(fǎng)問(wèn)整個(gè)地址空間，另一種指令用于地址計(jì)算；MSP430XCPU地址總線(xiàn)有20位，但數(shù)據(jù)總線(xiàn)仍只有16位，內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)支持8位、16位和20位；不過(guò)，MSP430XCPU仍然與MSP430CPU兼容，且擁有相同數(shù)量的寄存器。24

Copyright2009TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.ptMSP430XCPU的組織結(jié)構(gòu):雖然MSP430XCPU結(jié)構(gòu)和MSP430相似，但它們?nèi)匀挥幸恍﹨^(qū)別，見(jiàn)下圖;除了狀態(tài)寄存器SR，所有MSP430X寄存器均是20位;CPU可以處理20位或16位數(shù)據(jù).MSP430XCPU組織結(jié)構(gòu)25

Copyright2009TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.ptMSP430CPU和MSP430XCPU比較26

Copyright2009TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.ptMSP430XCPU有16個(gè)寄存器,其中有一些有特殊用途：R0(PC)程序計(jì)數(shù)器:和MSP430CPU有相同的功能，是20位。R1(SP)堆棧指針:和MSP430CPU有相同的功能，是20位。R2(SR)狀態(tài)寄存器:和MSP430CPU有相同的功能，是16位。MSP430XCPU寄存器(1/7)27

Copyright2009TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.ptR2(SR)狀態(tài)寄存器:SR位的描述:MSP430XCPU寄存器(2/7)28

Copyright2009TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.ptR2(SR/CG1)和R3(CG2)常量發(fā)生器:寄存器R2和R3可以用來(lái)生成6個(gè)不同的常用的常量；常量是固定的，且由指令的As位來(lái)選擇。As位用來(lái)選擇尋址模式。生成的常量值如下:MSP430XCPU寄存器(3/7)29

Copyright2009TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.ptR2(SR/CG1)和R3(CG2)常量發(fā)生器:如果操作數(shù)是6個(gè)常量之一，則寄存器是自動(dòng)選擇的;所以，在常量模式下，寄存器R2和R3不能作為源寄存器.R4-R15–通用寄存器:和MSP430CPU的功能一樣，這些寄存器都是20位；這些寄存器可以處理8位,16位或者20位數(shù)據(jù);向這些寄存器寫(xiě)一個(gè)字節(jié)將清除8~19位。向這些寄存器寫(xiě)一個(gè)字將清除16~19位。MSP430XCPU寄存器(4/7)30

Copyright2009TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.ptR4-R15–通用寄存器:用指令suffix.B處理字節(jié)數(shù)據(jù)（8位）：MSP430XCPU寄存器(5/7)31

Copyright2009TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.ptR4-R15–通用寄存器:用指令suffix.W處理字?jǐn)?shù)據(jù)（16位）:MSP430XCPU寄存器(6/7)32

Copyright2009TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.ptR4-R15–通用寄存器:用指令suffix.A操作20位地址:MSP430XCPU寄存器(7/7)2.5尋址方式34

Copyright2009TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.pt尋址方式源操作數(shù)的7種尋址方式:地址操作數(shù)的4種尋址方式:寄存器尋址;變址尋址;符號(hào)尋址;絕對(duì)尋址.對(duì)于目的操作數(shù)，可以使用額外的兩種地址模式。35

Copyright2009TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.pt寄存器尋址(1/2)描述：

寄存器內(nèi)容是操作數(shù)源模式位：

As=00（操作碼定義源寄存器）語(yǔ)法：

Rn長(zhǎng)度：

一個(gè)或兩個(gè)字注釋?zhuān)?/p>

源或目的均有效例：移動(dòng)（復(fù)制）源寄存器（R4寄存器）的內(nèi)容到

目的寄存器（R5寄存器）。寄存器R4不受影響。解答：

操作前：R4=A002h R5=F50Ah PC=PCpos

操作：MOVR4,R5

操作后：R4=A002h R5=A002h PC=PCpos+236

Copyright2009TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.pt寄存器尋址(2/2)下表描述了根據(jù)第二個(gè)操作數(shù)尋址模式完成一條指令需要的時(shí)鐘周期數(shù)37

Copyright2009TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.pt變址尋址描述：

(Rn+X)指出操作數(shù)地址。X存儲(chǔ)在緊鄰的字中源模式位：As=01（操作碼后緊鄰的字定義了存儲(chǔ)單元地址）目的模式位：Ad=1（操作碼后緊鄰的字定義了存儲(chǔ)單元地址）語(yǔ)法：

X(Rn)長(zhǎng)度：

兩個(gè)或三個(gè)字注釋?zhuān)?/p>

源或目的均有效例：移動(dòng)（復(fù)制）源地址

(F000h+R5)內(nèi)容到目的寄存器(R4)。解答：

操作前：R4=A002h R5=050Ah Loc:0xF50A=0123h

操作：

MOVF000h(R5),R4

操作后：R4=0123h R5=050Ah Loc:0xF50A=0123h38

Copyright2009TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.pt符號(hào)尋址描述：指令后的字中包含立即數(shù)常量N。使用自增間接尋址表示是@PC+源模式位：As=11語(yǔ)法：#N長(zhǎng)度：兩個(gè)或三個(gè)字。如果常量CG1或CG2可用就少一個(gè)字注釋?zhuān)簝H適用于源操作數(shù)例：移動(dòng)立即數(shù)常量E2h到目的地址(寄存器R5)。解答：

操作前：R4=A002h R5=050Ah

操作： MOV#E2h,R5

操作后：R4=A002h R5=00E2h39

Copyright2009TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.pt絕對(duì)尋址描述：指令后字中包含絕對(duì)地址。X存儲(chǔ)在下一個(gè)字中。

使用變址尋址表示是X(SR)源模式位：

As=01（操作碼后緊鄰的字定義了存儲(chǔ)單元地址）目的模式位：Ad=1（操作碼后緊鄰的字定義了存儲(chǔ)單元地址）語(yǔ)法：

&ADDR長(zhǎng)度：

兩個(gè)或三個(gè)字注釋?zhuān)?/p>

源或目的均有效例：移動(dòng)源地址XPT內(nèi)容到目的地址YPT。解答：

操作前：LocationXPT=A002hLocationYPT=050Ah

操作：

MOV&XPT,&YPT

操作后：LocationXPT=A002hLocationYPT=A002h40

Copyright2009TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.pt寄存器間接尋址描述：

Rn用來(lái)指出操作數(shù)源模式位：As=10語(yǔ)法：

@Rn長(zhǎng)度：

一個(gè)或兩個(gè)字注釋?zhuān)?/p>

僅適用于源操作數(shù)。目的操作數(shù)替代是0(Rn)例：移動(dòng)源地址(R4的內(nèi)容)內(nèi)容到目的地址(R5)。寄存器R4不能改變。解答：

操作前：R4=A002h R5=050Ah Loc:0xA002=0123h

操作：

MOV@(R4),R5

操作后：R4=A002h R5=0123h Loc:0xA002=0123h41

Copyright2009TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.pt間接自動(dòng)增量尋址描述：

Rn用于指出操作數(shù)。字節(jié)指令中Rn自增1而字指令中Rn自增2.源模式位：As=11語(yǔ)法：

@Rn+長(zhǎng)度：

一個(gè)或兩個(gè)字注釋?zhuān)?/p>

僅適用于源操作數(shù)。目的操作數(shù)替代是0(Rn)

加上第二條指令I(lǐng)NCDRn例：移動(dòng)源地址內(nèi)容到目的地址，然后自增寄存器R4的值來(lái)指向下一個(gè)字。解答：

操作前：R4=A002h R5=050Ah Loc:0xA002=0123h

操作：MOV@R4+,R5

操作后：R4=A004h R5=0123h Loc:0xA002=0123h42

Copyright2009TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.pt立即數(shù)尋址描述:指令后的字中包含立即數(shù)常量N。使用自增間接尋址表示是@PC+源模式位：As=11語(yǔ)法：#N長(zhǎng)度：兩個(gè)或三個(gè)字。如果常量CG1或CG2可用就少一個(gè)字注釋?zhuān)簝H適用于源操作數(shù)。例：移動(dòng)立即數(shù)常量E2h到目的地址(寄存器R5)。解答：

操作前：R4=A002h R5=050Ah

操作：MOV#E2h,R5

操作后：R4=A002h R5=00E2h2.6指令集44

Copyright2009TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.pt指令集27條內(nèi)核指令24條仿真指令指令集正交CPU將內(nèi)核指令解碼成唯一的操作碼，匯編器和編譯器用來(lái)生成仿真指令的助記符有三種內(nèi)核指令格式：雙操作數(shù)單操作數(shù)程序流控制-跳轉(zhuǎn)45

Copyright2009TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.pt雙操作數(shù)指令集(1/3)雙操作數(shù)指令格式如下：46

Copyright2009TexasInstrumentsAllRightsReservedwww.msp430.ubi.pt下列出了不是仿真指令的雙操作數(shù)指令雙操作數(shù)指令集(2/3)47

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