一天速成MSP432

嵌入式驱动
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为了备战2021年的全国大学生电子设计竞赛🚀笔者于昨日开始上手TI的MSP432主控并且于今日速成了基础的开发。为了让亲爱的读者们早日脱离苦海，我将在本文中分享：开发环境安装、MSP432架构分析、时钟设置、串口开发、DMA传输和中断（💎一条龙服务）

认识MSP432

在文末有官方文献链接

声明：本文中所有历程都基于MSP432P401R LaunchPad开发板

首先，下图为MSP432R401控制器的总体架构。和STM32对比来看，这个片子架构确实简单，CPU和外设交互只有一对系统总线。外设除了常见的通信口、定时器和存储外，注意到432特色的一些设备：高精度ADC等模拟外设、时钟系统（将在下面专门讨论）和功率控制器。

架构

这个片子的资源可以说是非常充足的，参看下图的引脚分布&功能复用图，左侧都是数字类接口，右侧都是模拟类，可见TI在干扰设计上还是不错的呢。

引脚分布

安装开发环境

在Windows环境上开发TI的产品，还是推荐使用Code Composer Studio这个官方软件。看界面就知道是基于Eclipse做的定制产品，这个软件对TI的工具和资源支持非常好，笔者个人还是非常喜欢的，界面如下：

CCS

安装过程也非常的简单，从官网上分别下载：

注意安装在同一个目录下

下载好后直接双击一路next安装，接着打开CCS配置导入刚安装的SDK。至此，环境就都准备好了！打开Resource Explorer就可以看到官方的驱动库和例子了，还能找到已经配置好了的空模板工程。

Resource Explorer

从点灯开始

点灯就是嵌入式的Hello Word操作，只要我们让这个芯片正常地跑起来，点灯就是翻转GPIO口子的事情。所以我们首先要配置好芯片的时钟，下图是MSP432的时钟树：

时钟

时钟源有7种：低速振荡器（LFXT）、高速振荡器（HFXT）、数字控制振荡器（DCO）、超低功耗振荡器（VLO）、低频振荡器（REFO）、高速内部振荡器（MODOSC）和内部系统振荡器（SYSOSC）。然后读一波手册了解到：系统上电/复位后，MCLK、HSMCLK和SMCLK都默认为DCO时钟源且不分频，ACLK和BCLK默认为LFXT时钟源。这里要注意到DCO是TI设计很棒的一个时钟源，它的频率是可以随时编程改变的（可高达48M），而其他时钟源基本都是硬件定死的参数。

基于此，我们已经初步了解了时钟的产生与配置，就可以开始写代码了！🚩

工程中除了下面我们自己写的文件外，还包含了官方的DriverLibrary，以及系统文件startup_msp432p401r_ccs.c和system_msp432p401r.c两个重要文件。完整工程见文末的Git链接

首先是系统初始化。这里我们把DCO的频率设置为48MHz，也就意味着在默认配置下，系统的总时钟（MCLK）和子系统/外设时钟（HSMCLK、SMCLK）都是48MHz。

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void sysClock_init()
{
    // 停止系统看门狗定时器
    MAP_WDT_A_holdTimer();

    // 设置DCO中心频率为48MHz
    CS_setDCOCenteredFrequency(CS_DCO_FREQUENCY_48);

}

然后在main程序中不断延时翻转LED状态即可。

这边包含的ti/devices/msp432p4xx/driverlib/driverlib.h头文件读者可以打开观察，是TI官方驱动库的总头文件

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#include <ti/devices/msp432p4xx/driverlib/driverlib.h>

int main(void)
{
    volatile uint32_t i;
    volatile uint32_t b =0;

    // 系统时钟初始化
    sysClock_init();

    // 外设初始化
    GPIO_init();

    while(1)
    {
        // Toggle P1.0 output
        GPIO_toggleOutputOnPin(
            GPIO_PORT_P1,
			GPIO_PIN0
			);

        GPIO_toggleOutputOnPin(
                GPIO_PORT_P2,
                GPIO_PIN1
                );
        if(b)
        {
            GPIO_toggleOutputOnPin(
                    GPIO_PORT_P2,
                    GPIO_PIN2
                    );
            b=0;
        }
        else
            b=1;


        // Delay
        for(i=4000000; i>0; i--);

    }
}

注意这里我们编写了一个GPIO初始化函数：

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void GPIO_init()
{
    // P1.0 为红色指示灯
    MAP_GPIO_setAsOutputPin(
            GPIO_PORT_P1,
            GPIO_PIN0);

    // P2.0/1/2 为RGB灯
    MAP_GPIO_setAsOutputPin(
            GPIO_PORT_P2,
            GPIO_PIN0);
    MAP_GPIO_setAsOutputPin(
            GPIO_PORT_P2,
            GPIO_PIN1);
    MAP_GPIO_setAsOutputPin(
            GPIO_PORT_P2,
            GPIO_PIN2);

}

然后就可以看到开发板上灯不停闪了

基础通信（UART）

eUSCI-UART框图解析

接下来介绍的就是MSP432的基础通信外设了——eUSCI（全称：Enhanced Universal Serial Communication Interface），从引脚分布图上就可以观察到在432上有两个eUSCI实例：

  • A实例：可配置为UART、IrDA和SPI
  • B实例：可配置为IIC和SPI

而现在我们只关注UART配置，那么我们使用到的就是A实例，该实例有4个通道，每个通道的UART实现如下框图：

UART

当我们使用UART通信时，需要依次配置图中的时钟源选择器、波特率控制器和相应的使能位。操作还是相对好理解的，但是配置波特率的几个参数还是挺头疼的，有

  • UCBR：时钟预分频寄存器
  • UCBRF：调制1阶段寄存器
  • UCBRS：调整2阶段寄存器
  • UCOS16：过采样控制寄存器（Universal Communication OverSampling），16代表使用16倍过采样率

直接看名字和框图的话，UCBR还好理解，但是这个UCBRS和UCBRF只能根据官方手册硬算和查表，整体步骤如下：

  1. 计算分频因子

    $$
    N=\frac{f_{BRCLK}}{BaudRate}
    $$

  2. 过采样选择

    $$
    \text{UCOS16}=\begin{cases}
    1, &N>16, &使能过采样 \\
    0, &N<16, &不使能
    \end{cases}
    $$

  3. 配置UCBR分频器参数

    $$
    \text{UCBR} = \begin{cases}
    \text{INT}(\frac{N}{16}), &N>16 \\
    \text{INT}(N), &N<16
    \end{cases}
    $$

    以下的两个参数只有当过采样时有用

  4. 计算UCBRF参数

    $$
    BRF =\text{INT} ([\frac{N}{16} - \text{INT}(\frac{N}{16})]\times 16)
    $$

  5. 查表UCBRS参数

    根据上面计算出的分频因子N，因为一般是有小数部分，所以取出小数部分查下表即可获得UCBRS参数

    UCBRS

探讨环节🧐TI官方没有在框图中给出这两个寄存器的实现原理，但是笔者大致将BRF和BRS理解为波特率微调匹配用途。欢迎读者分享个人想法

通信实战

基于上点灯实验（注意时钟为48MHz），我们选用USCIA3-UART实例以115200波特率进行通信：

首先计算波特率寄存器相关参数：

  • 分频因子

    $$
    N=\frac{48M}{115200}=416.667
    $$

  • BR

    $$
    BR=\frac{416.667}{16} =26
    $$

  • BRF

    $$
    BRF=0
    $$

  • BRS

    $$
    BRS=\text{0xD6}
    $$

则我们可创建一个串口配置对象（eUSCI_UART_ConfigV1类型），然后使用配置对象，对串口实例进行参数初始化：

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#include "BSP.h"

void Uart4OpenMV_init()
{
    // GPIO初始化为串口外设
    MAP_GPIO_setAsPeripheralModuleFunctionInputPin(
            GPIO_PORT_P3,GPIO_PIN2 | GPIO_PIN3,
            GPIO_PRIMARY_MODULE_FUNCTION);

    // 初始化串口参数
    MAP_UART_initModule(EUSCI_A2_BASE, &uartConfig4openMV);

    // 使能串口
    MAP_UART_enableModule(EUSCI_A2_BASE);
}

接着修改我们的main函数，加入上面编写的初始化函数并调用串口发送数据API：

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#include "BSP.h"

int main(void)
{
    volatile uint32_t i;
    volatile uint32_t b =0;

    // 系统时钟初始化
    sysClock_init();

    // 外设初始化
    GPIO_init();
    Uart4OpenMV_init();


    while(1)
    {
        // Toggle P1.0 output
        GPIO_toggleOutputOnPin(
            GPIO_PORT_P1,
			GPIO_PIN0
			);

        GPIO_toggleOutputOnPin(
                GPIO_PORT_P2,
                GPIO_PIN1
                );
        if(b)
        {
            GPIO_toggleOutputOnPin(
                    GPIO_PORT_P2,
                    GPIO_PIN2
                    );
            b=0;
        }
        else
            b=1;


        // Delay
        for(i=4000000; i>0; i--);
        UART_transmitData(EUSCI_A2_BASE,'c');
        UART_transmitData(EUSCI_A2_BASE,'\n');

    }
}

这里附以下BSP.h头文件内容

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#ifndef _BSP_H_

#include <ti/devices/msp432p4xx/driverlib/driverlib.h>

/**
* @brief   初始化时钟类外设
* @note    无
* @author  江榕煜
* @param   None
* @retn    None
*/
void sysClock_init();

/**
* @brief   初始化GPIO外设
* @note    无
* @author  江榕煜
* @param   None
* @retn    None
*/
void GPIO_init();

/**
* @brief   初始化UART外设
* @note    服务于OpenMV通信
* @author  江榕煜
* @param   None
* @retn    None
*/
void Uart4OpenMV_init();

#endif

现在找个USB转TTL连接上开发板的P3.2和P3.3就可以收到432不停发送的测试数据了。

高级硬件资源

对于MSP432P401这种CPU主频最高48MHz的设备，如果不使用DMA和中断则很难开发出高性能的产品。接下来让笔者依次解析DMA和中断的开发

DMA解析

首先，观察下DMA框架图，可以看到这个DMA架构还是很简单的（ARM的μDMA实例IP），左边是数据通道，右边是控制DMA的一些接口。

DMA

相比起来，STM32的DMA就强大多了，具有FIFO等功能，可以进行数据格式转换等操作

只要配置好DMA控制器中各个通道的参数，就可以启动传输了，可以简要概括为：

  1. DMA实例使能
  2. DMA通道对象选择
  3. DMA通道参数设置
  4. DMA通道内存地址设置
  5. 分配DMA通道中断
  6. 使能DMA中断
  7. 启动DMA传输

中断简析

MSP432的嵌套中断向量控制器（NVIC：Nested Vectored Interrupt Controller）具有如下特性：

  • 共64中断源
  • 每个中断可编程为8级优先次序。注意，0为最高中断优先级
  • 外部不可屏蔽中断

中断的概念相对还是简单的，本文中不加解释。

串口DMA传输实战

基于上基础的串口发送例子，我们将串口的初始化文件升级为：

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#include "BSP.h"

uint8_t recBuffer[1024];
uint8_t getMsg[]="get data\n";

/* DMA Control Table */
#if defined(__TI_COMPILER_VERSION__)
#pragma DATA_ALIGN(controlTable, 1024)
#elif defined(__IAR_SYSTEMS_ICC__)
#pragma data_alignment=1024
#elif defined(__GNUC__)
__attribute__ ((aligned (1024)))
#elif defined(__CC_ARM)
__align(1024)
#endif
uint8_t controlTable[1024];

const eUSCI_UART_ConfigV1 uartConfig4openMV =
{
     EUSCI_A_UART_CLOCKSOURCE_SMCLK,    // 选择时钟源，注：48MHz
     26,    // 时钟分频器，  UCxBR
     0,     // 模式寄存器1，UCxBRF
     0xD6,     // 模式寄存器2，UCxBRS
     EUSCI_A_UART_NO_PARITY,    // 无校验位
     EUSCI_A_UART_LSB_FIRST,    // 小端序
     EUSCI_A_UART_ONE_STOP_BIT, // 一个停止位
     EUSCI_A_UART_MODE,         // 普通串口模式
     EUSCI_A_UART_OVERSAMPLING_BAUDRATE_GENERATION, // 过采样
     EUSCI_A_UART_8_BIT_LEN     // 数据长度
};

/**
 * @brief   初始化UART外设
 * @note    服务于OpenMV通信
 * @author  江榕煜
 * @param   None
 * @retn    None
 */
void Uart4OpenMV_init()
{
    // GPIO初始化为串口外设
    MAP_GPIO_setAsPeripheralModuleFunctionInputPin(
            GPIO_PORT_P3,GPIO_PIN2 | GPIO_PIN3,
            GPIO_PRIMARY_MODULE_FUNCTION);

    // 初始化串口参数
    MAP_UART_initModule(EUSCI_A2_BASE, &uartConfig4openMV);

    // 使能串口
    MAP_UART_enableModule(EUSCI_A2_BASE);

    // 配置串口中断
//    MAP_UART_enableInterrupt(EUSCI_A2_BASE,EUSCI_A_UART_RECEIVE_INTERRUPT);
//    MAP_Interrupt_enableInterrupt(INT_EUSCIA2);
//    // MAP_Interrupt_enableSleepOnIsrExit();    // 退出中断的时候顺手进入低功耗睡眠模式
//    MAP_Interrupt_enableMaster();

    // DMA初始化
    memset(recBuffer, 0x00, 1024);
    MAP_DMA_enableModule();
    MAP_DMA_setControlBase(controlTable);

    MAP_DMA_assignChannel(DMA_CH4_EUSCIA2TX);
    MAP_DMA_assignChannel(DMA_CH5_EUSCIA2RX);

    MAP_DMA_disableChannelAttribute(DMA_CH4_EUSCIA2TX,  // 取消通道的原有属性
                                     UDMA_ATTR_ALTSELECT |  // 替代控制结构
                                     UDMA_ATTR_USEBURST |   // 只使用突发模式
                                     UDMA_ATTR_HIGH_PRIORITY |  // 通道优先级为High
                                     UDMA_ATTR_REQMASK);    // 屏蔽来自外设的硬件请求信号
    MAP_DMA_disableChannelAttribute(DMA_CH5_EUSCIA2RX,
                                     UDMA_ATTR_ALTSELECT |
                                     UDMA_ATTR_USEBURST |
                                     UDMA_ATTR_HIGH_PRIORITY |
                                     UDMA_ATTR_REQMASK);

    MAP_DMA_setChannelControl(UDMA_PRI_SELECT | DMA_CH4_EUSCIA2TX,
                              UDMA_SIZE_8 |     // 单次传输数据单元大小
                              UDMA_SRC_INC_8 |  // 地址增量
                              UDMA_DST_INC_NONE |
                              UDMA_ARB_1);      // 被仲裁到别的通道前最少传1个数据
    MAP_DMA_setChannelControl(UDMA_PRI_SELECT | DMA_CH5_EUSCIA2RX,
                              UDMA_SIZE_8 |
                              UDMA_SRC_INC_NONE |
                              UDMA_DST_INC_8 |
                              UDMA_ARB_1);

    MAP_DMA_setChannelTransfer(UDMA_PRI_SELECT | DMA_CH4_EUSCIA2TX,
                               UDMA_MODE_BASIC,
                               getMsg,
                               (void*) MAP_UART_getTransmitBufferAddressForDMA(EUSCI_A2_BASE),
                               sizeof(getMsg));
    MAP_DMA_setChannelTransfer(UDMA_PRI_SELECT | DMA_CH5_EUSCIA2RX,
                               UDMA_MODE_BASIC,
                               (void*)MAP_UART_getReceiveBufferAddressForDMA(EUSCI_A2_BASE),
                               recBuffer,
                               4);

    MAP_DMA_assignInterrupt(DMA_INT1, 5);   // 使能中断
    MAP_Interrupt_enableInterrupt(INT_DMA_INT1);

//    MAP_DMA_enableChannel(4);
    MAP_DMA_enableChannel(5);
}

/**
 * @brief   串口中断处理
 */
void EUSCIA2_IRQHandler(void)
{
    uint32_t status = MAP_UART_getEnabledInterruptStatus(EUSCI_A2_BASE);

    if(status & EUSCI_A_UART_RECEIVE_INTERRUPT_FLAG)
    {
        // 串口中断处理
    }
}

/**
 * @brief   DMA传输中断
 */
void DMA_INT1_IRQHandler(void)
{
    MAP_DMA_disableChannel(5);  // 失能DMA通道
    MAP_DMA_disableInterrupt(INT_DMA_INT1); // 失能DMA中断
    MAP_DMA_enableChannel(4);   // 使能DMA发送
}

至于中断程序为什么是这个名字，可以打开start_msp432p401r_ccs.c文件，这是CCS创建工程时系统自己生成的，在里面定义了中断向量表，每个中断对应的实际IRQ函数名字都可以查到

此时注意删除原本main程序中的串口发送API调用，如下：

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#include "BSP.h"

int main(void)
{
    volatile uint32_t i;
    volatile uint32_t b =0;

    // 系统时钟初始化
    sysClock_init();

    // 外设初始化
    GPIO_init();
    Uart4OpenMV_init();


    while(1)
    {
        // Toggle P1.0 output
        GPIO_toggleOutputOnPin(
            GPIO_PORT_P1,
			GPIO_PIN0
			);

        GPIO_toggleOutputOnPin(
                GPIO_PORT_P2,
                GPIO_PIN1
                );
        if(b)
        {
            GPIO_toggleOutputOnPin(
                    GPIO_PORT_P2,
                    GPIO_PIN2
                    );
            b=0;
        }
        else
            b=1;


        // Delay
        for(i=4000000; i>0; i--);
//        UART_transmitData(EUSCI_A2_BASE,'c');
//        UART_transmitData(EUSCI_A2_BASE,'\n');

    }
}

BSP.h文件内容不变：

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#ifndef _BSP_H_

#include <ti/devices/msp432p4xx/driverlib/driverlib.h>

/**
 * @brief   初始化时钟类外设
 * @note    无
 * @author  江榕煜
 * @param   None
 * @retn    None
 */
void sysClock_init();

/**
 * @brief   初始化GPIO外设
 * @note    无
 * @author  江榕煜
 * @param   None
 * @retn    None
 */
void GPIO_init();

/**
 * @brief   初始化UART外设
 * @note    服务于OpenMV通信
 * @author  江榕煜
 * @param   None
 * @retn    None
 */
void Uart4OpenMV_init();

#endif

将上工程烧录进开发板，就可以体验一波DMA传输的快感了。

从上代码中，我们可以体验到DMA传输到来的性能优势。由于DMA传输请求是硬件产生的，所以在等待接收过程中，CPU可以完全不管UART实例，等数据来了CPU也不用管，直到配置接收的数据量完全到达后，在中断中CPU对数据进行处理；在发送数据时，DMA的优势更加明显了，让我们计算使用轮询方法发送一个“helloWorld”字符串，采用115200的波特率，总共传输80个bit，也就是需要694us，对于48MHz的主频就是浪费了约3万条指令，而采用DMA传输时，CPU完全是在做别的计算。

上述性能提升只能证明程序性能得到了优化，但并不是绝对计算结果提升量，因为我们观察到在系统框图中CPU和DMA在和外设通信时使用的是同一对数据总线！

参考文献

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