数字电子基础技术应用 13

课程安排、以跑马灯为目标介绍硬件最小系统、时钟、GPIO结构等西安交通大学电气工程学院宁改娣

博士

教授如何行动让处理器系统“跑”

起来？1）硬件最小系统，MCU与PLD都一样（花费时间较少）2）编程和调试（IC如何出0或1）（花费时间多）3）集成开发环境（类似Vivado，如CCS等。不同厂家不同）若成功点灯，三个方面就入门了。是建立自信心的实验。目前处理器厂家给用户提供了更为方便的学习途径！！微处理器ICGPIO通常以跑马灯实验入门，点灯不是目的哦！后续课程安排及成绩分布课堂教学就是引导大家如何设计、验证实验？学委分小组？课外小组长负责入门实验，人人要会！第一次翻转课堂（学生报名讲“跑马灯”软硬件设计调试实验全过程，讲之前PPT发给老师修改，老师通过后确认翻转课堂时间），进一步引导学生进行自主设计实验。实验课程安排4次实验，即4次开卷实验考试——3次基础+1次综合。成绩占理论课程总成绩的40%。参与翻转课堂的学生，加0~5分。训练和提高分析问题、定位问题和解决问题的能力！2026/1/30微处理器参考教材，器件手册√宁改娣张虹著科学出版社新形态教材2026/1/30如何行动让处理器系统“跑”

起来？下面首先想着如何用MCU点亮LED的硬件电路首先要让MCU工作起来，即硬件最小系统！LED电路？微处理器ICGPIO通常以跑马灯实验入门，点灯不是目的！2.3MCU硬件最小系统-都类似微处理器硬件是物质基础——1个IC的工作电路工作需要最基础的硬件电路称为硬件最小系统MCU+电源复位+时钟+…——类似于FPGA最小系统设计硬件电路不用了解处理器内部，具备数电基础及电路设计经验。设计数字系统花费大量时间在软件上。目前，很多厂家网站都提供MCU硬件原理图课程中一般没有机会设计和制作硬件电路——会看。以“跑马灯实验”为导向！MCU很复杂，仅关心目标。2026/1/30下面介绍几个MCU硬件最小系统

“数电”都介绍过花费时间不多、移植性强MCS-51系列MCU的最小系统2026/1/302026/1/30西安交通大学电气学院电子学TMS2812DSP最小系统——对外也是并行处理器，AB、DB独立！电源、复位、时钟、JTAG、上电程序引导等JTAG

电源复位时钟

存储器扩展IS61LV6416-10MCU片外时钟电路

呼吸灯闪烁时间与时钟有关MCU是一个复杂的时序电路，时钟是MCU一个非常重要的指标。无论是CPU还是片内外设模块，都需要了解其时钟源，来实现所预期的功能多数MCU片外两种时钟电路：2026/1/30（a）内部时钟方式；（b）外部时钟方式上述8051、TMS2812都属于MCU

对外都是并行的，有AB、DB、CS。

对外串行的MCU也很多

下面我们以TIMSP430MCU为例训练MCU开发的基本功

各班尽快领取实验平台/MSP430系列单片机是TI在1996年开始推向市场一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）、采用冯﹒诺依曼结构，且仅采用了27条简单易懂的指令、7种寻址模式、I/O与数据存储器统一编址的混合信号处理器（MixedSignalProcessor，MSP）。以低功耗而闻名，适用于电池供电设备等对于功耗要求较高的领域。美国德州仪器公司（简称TI）MSP430简介MSP430F1x、MSP430F2x/4x、MSP430F5x/6x、MSP430FRxxFRAM、MSP430G2x/i2x、31x、32x、33x等几个子系列美国德州仪器公司（简称TI）MSP430简介MSP430G2553中集成的外设包括GPIO、定时器、ADC、比较器、USCI串行通信、电容触摸IO等。MSP430G2X系列简介美国德州仪器公司（简称TI）MSP430简介MSP430G2553实验平台——全球共享，资源开放

TI大学计划部支持的，断供！/教材17.2.1节介绍MSP-EXP430G2LaunchPad实验平台-学习用2026/1/30TI的超低功耗MCU—MSP430G2553：

16MHz主频，16位CPU（对外串行口）

片上程序存储器FLASH(16KB)

片上随机存储器SRAM(512B)

通用并行输入输出端口GPIO（P1~2）16/20

看门狗定时器WDT（片内有可编程定时器）多功能通信模块（I2C/SPI/UART...）

片内温度传感器TempSensor

10位的ADC10。封装小但资源丰富！集成了“数电”各模块及没讲的串口LaunchPad上MCU的片内资源：LaunchPad硬件原理图-电源MSP430G2553LaunchPad板大致可分成三部分：电源部分：将从USB口引入的5V电平转换为3.6V直流电供给调试编程部分与最小系统部分。最小系统部分：除电源，还包括MSP430G2553所需运行的最小外围器件、时钟、复位等。USB调试与编程仿真器部分——是开发MCU的工具，科研要有独立仿真器开发用户硬件平台后面着重最小系统的其它电路原理。2026/1/30

LED1LED2红、绿两个LEDMSP-EXP430G2LaunchPad

最小系统原理图-16位CPU，对外串行附件1MSP-XP430G2_Schematic+Silkscreen.pdf文件P62026/1/30左图为MSP430G2553的最小系统原理图。图中包括其外接晶振电路，S1手动复位电路，两个LED与按键电路。图中VCC为3.6V。最小系统的时钟、复位、显示电路（梁同学的部分翻转课堂）LED如何亮？RST的有效性？复位时间？最小系统手动和上电复位电路（梁同学）左图为原理图中的手动复位电路。按键S1松开时，引脚处为高电平；按下时，引脚处为低电平有效信号，G2553开始复位。发光二极管电路（梁同学）红:1.82-1.88V，电流5-8mA；绿:1.75-1.82V，3-5mA；橙:1.7-1.8V，3-5mA；像普通的0805贴片LED，一般来说5mA是很安全的，串联电阻=(电源电压-LED正向压降)/电流。举红色LED为例，取红色LED压降为1.82V，电流5mA，得所串电阻阻值：即至少串联一个356欧姆的电阻。LED分别由MCU的P1.0和P1.6引脚控制。引脚输出0灭；1亮最小系统时钟（梁同学）PPM是石英晶振的基本单位之一，表示晶振的精度和相对偏差，PPM代表着百万分之一。所以如果你想用20PPM晶体建做一个闹钟，它就可能每月有1分钟的误差。最小系统时钟（梁同学）零欧姆电阻又称为跨接电阻器：

是一种特殊用途的电阻，0欧姆电阻的并非真正的阻值为零，欧姆电阻实际是电阻值很小的电阻。正因为有阻值，也就和常规贴片电阻一样有误差精度这个指标。电路板设计中两点不能用印刷电路连接，常在正面用跨线连接，这在普通板中经常看到，为了让自动贴片机和自动插件机正常工作，用零电阻代替跨线。总结与展望到此MCU硬件介绍结束——简单，要实现LED控制仅仅掌握外部硬件还不够，片内P1.0和P1.6引脚送出0，LED灭,输出1，LED亮片内GPIO如何送出0、1？要求绿灯亮1s灭1s，呼吸灯时间确定？微处理器工作原理：在时钟节拍作用下一条条执行用户程序！（可构成软件延时、定时器）很多MCU片内有可编程时钟块，CPU时钟？体现出微处理器软件设计是灵魂,花费大量时间2026/1/30/‹#›27MCU片内时钟电路思考：呼吸灯如何实现？——绿灯亮1s灭1s不仅要清楚片外时钟晶振频率，越来越多的MCU片内集成了可编程的时钟模块。可以灵活地配置CPU时钟。比如TI的DSP系列和MCU系列。一定注意：每个微处理器都有它的时钟极限参数！

配置时钟频率时不能超过其极限参数！本尊16MHz清楚了时钟模块才能确定跑马灯亮灭时间。学习MCU片内定时器之前，可以软件延时2026/1/30C28xOscillator/PLLClockModule

PLLCR@7021h150MHzDIV3DIV2DIV1DIV0 ClockFrequency(CLKIN)0000 OSCCLKx1/2(noPLL)0001 OSCCLKx1/20010 OSCCLKx2/20011 OSCCLKx3/20100 OSCCLKx4/20101 OSCCLKx5/20110 OSCCLKx6/20111 OSCCLKx7/21000 OSCCLKx8/21001 OSCCLKx9/21010 OSCCLKx10/2PLLCR3:0bits15:4reservedcrystalPLLClockModule4-bitPLLSelectX1/XCLKINX2XTALOSCWatchdogModule/2PLLCLKOSCCLK•C28xCoreCLKINMUXXF_XPLLDIS为低电平时，CPU直接采用OSCCLK10HISPCPLOSPCPHSPCLKLSPCLK•SYSCLKOUTSYSCLKOUT＝CLKIN图中可见许多的MUX通过编程可以改变该器件的3个输出时钟频率。处理器延时往往利用指令执行花费时间定，当然用定时器更好！√MSP430G2553时钟内部电路MSP430G2553系统时钟源有三个：VLOCLK——片内低功耗12kHz晶振LFXT1CLK——低频外部时钟源DCOCLK——内部数控振荡器，频率最高16MHz。ACLK为辅助时钟，由软件选择来自VLOCK、LFXT1CLK之一经过1,2,4,8分频之后得到，为外围模块提供时钟源MCLK为主时钟，由软件选择来自VLOCK、LFXT1CLK和DCOCLK之一经过1,2,4,8分频得到，为CPU和系统提供时钟。SMCLK为子系统时钟，由软件选择来自VLOCK、LFXT1CLK和DCOCLK之一经过1,2,4,8分频得到，为外围模块提供时钟。VLOCLK（12kHz）LFXT1CLK（32.768kHz）DCOCLK（0.06~26MHz）ACLKMCLKSMCLKMSP430G2553时钟模块的3个输出作业1：所有人，部分翻转课堂！！CCS安装；熟悉最小系统；熟悉MSP430G2553时钟模块,默认CPU时钟多少?看门狗定时器WDT结构？上电计数还是不？建立工程文件？编程配置时钟用外部晶振、软件延时1s（呼吸灯）、WDT编程处理等？P1.0和P1.6等IO引脚内部结构?配置为out？2026/1/30/‹#›器件插脚引线-对外是串行MCUMCU多数引脚都是IO引脚。MSP430G2553对外是串行MCU，仅20引脚，身兼数职！各引脚功能不同,内部结构也不全相同2026/1/30MCU的I/O引脚（GPIO或IO）

I/O内部电路结构特点General-PurposeInputOutput见教材13.4节MCU和PLD片内都集成有很多I/O接口电路，并将信号引出到芯片之外形成I/O引脚。如，GAL16V8的IOMCU的I/O内部电路一般都包含多路选择器、三态门或可控开关、锁存器、缓冲器等部件以增强芯片引脚的功能GPIO通过编程确定：作为输入（Input,简写为Ｉ）、输出（Output,简写为Ｏ）或者其它功能引脚。作为输入引脚时，内部I/O电路的输出一般处于高阻态或断开状态，不能影响引脚输入数据，有些MCU的I/O内部电路均有可编程的上拉或下拉电阻，按键输入时无需外接元器件。2026/1/30MCU的GPIO（续）

GeneralPurposeInputOutput作为输出时一般都有寄存器保存输出。如控制一个LED。多数MCU的I/O引脚还具有其它特殊功能。比如，像8051的P3端口既可以作为通用I/O使用，也可以作为串行通信的接收、发送、外部中断入、控制信号出等功能引脚使用。也就是说：I/O/功能（甚至多功能）引脚。但任何时候，一个I/O引脚只能工作在其中一种方式，上电CPU初始化后，都有默认方式。MCU引脚大量是GPIO引脚。2026/1/30DSPTMS320F2833588/1762026/1/30嵌入式MSP432的GPIO84/100GeneralPurposeInputOutput

（GPIO）2026/1/30比如，8051的P2引脚32/40P2端口访问外部数据和程序存储器时，CPU在翻译完相关访问指令后自动使控制信号C=1，P2端口输出待访问的存储器地址高8，图中x为0~7，即P2口的一个引脚。P2：地址、I或O2026/1/30不访问外部存储器时，C=0，P2可以作为I/O使用作为输出使DFF锁存输出数据。作为输入时软件要使T2截止。？？MCU的GPIO可方便地控制简单输出输出设备思考若用8051的P2.x引脚读取一按键状态如何控制？若用P2.x引脚控制LED如何控制？当然要知道P2地址内部上拉电阻使外部电路更简单，要注意接口三要素！2026/1/30又比如，MSP432实验平台举例图中MSP432的P1.4和P1.1引脚要配置为输入，P2.0-2.2为输出。2026/1/30？？SoftwareMSP432的GPIO作为输入MSP432InputInitialization（比如，读取按键状态）2026/1/30若有PxDIR、PxIN、PxOUT这些REG的地址，即可配置REG控制引脚功能了。也就是说GPIO通过编程配置DIRREG改变功能，控制外设。MSP432的GPIO作为输出MSP432OutputInitialization（比如，控制LED亮灭）2026/1/30MSP430G2x53部分端口结构附件2MSP430G2x53,MSP430G2x13MixedSignalMicrocontrollerdatasheet(Rev.J)

打开该pdf文件见P42PORTSCHEMATICSP43说明IO如何配置的。P1各引脚结构不是都一样哦！数字电路分析：外文资料及软件中都是特殊形状符号思考P1.0如何配置为输出控制LED？ PxDIR.y PxOUT.y PxIN.y各寄存器说明在附件3Ch17_1_MSP430x2xxFamilyUser'sGuide.pdf2026/1/302026/1/30P1.0引脚配置及寄存器地址？

虽然结构复杂，不用部分不必关心

按照手册配置为目标的out功能即可P1.0引脚配置及寄存器地址？附件3Ch17_1_MSP430x2xxFamilyUser'sGuide.pdf——8DigitalI/OP3272026/1/30上电复位后是I或O？？跑马灯：GPIO控制LED？可见，不同MCU的GPIO结构完全不同，学会方法到此为止MCU控制LED的内、外硬件原理清晰然后，编程控制。例程都是C语言，TI做了很好的工程模板文件，要熟悉相关定义及GPIO控制细节编程环境？CCS，所有厂家IDE使用大同小异2026/1/30总结：MCU结构框架=CPU+接口+存储器与CPU交换信息的主要分为：存储器和接口。控制接口就是配置（写）相关的寄存器（REG）！！WDT、GPIO都属于简单接口。MCU片内存储器、接口出长后都确定配好了地址。编程P1口输出01，先要