TI MSP430

Der MSP430 hat 16 Register. Register 0 ist der Program-Counter (PC), Register 1 der Stack-Pointer (SP, Stapelzeiger) und Register 2 das Prozessor-Status-Register (PS). Register 3 (Constant-Generator, CG) ist ein Pseudo-Register, das die häufig benötigten Konstanten −1, 0, +1 und +2 liefert. Diese vier Register haben spezielle Funktionen, sind aber wie alle anderen zwölf Register auch frei benutzbar. Die Möglichkeit, den Program-Counter oder den Stack-Pointer als „freie“ Register zu benutzen, wurde bereits bei der PDP-11 verwendet. Die Register sind nicht adressierbar; sie sind nicht als Kopie im Adressraum des MSP430 verfügbar.

Mögliche Adressierungsarten sind Registeradressierung (Rn), indizierte Adressierung (X(Rn)), symbolische Adressierung, absolute Adressierung, indirekte Adressierung (@Rn), indirekte Adressierung mit Autoinkrement (@Rn+) und direkte Adressierung für Konstanten. Diese Adressierungsarten stehen für den Quelloperanden zur Verfügung. Bei Instruktionen mit zwei Operanden stehen für den Zieloperanden nur Register-Adressierung, symbolische Adressierung, absolute Adressierung und indizierte Adressierung bereit.

Bei der Takterzeugung setzt TI auf drei unterschiedliche Quellen, die je nach Bedarf sehr geringen Stromverbrauch (32,768 kHz in Form eines Uhrenquarz), sehr schnelles Aufwachen nach einem Interrupt (interner RC-Oszillator, 6 µs Zeit bis zum Erreichen der nominellen RC-Taktfrequenz) oder hohe Frequenz (bis zu 16 MHz) ermöglichen. Der MSP430 eignet sich sehr gut zum Übertakten: Der Niederfrequenzoszillator kann mit einem 100-kHz-Quarz (rund 200 % Übertaktung) betrieben werden, und der HF-Oszillator kann um 100 % übertaktet werden, zumindest bei Raumtemperatur und bei der maximal zulässigen Betriebsspannung.

Der Supply Voltage Supervisor, auch Brown Out Reset oder Brown Out Detector genannt, überwacht die Versorgungsspannung und ermöglicht auch bei einem kurzfristigen Unterschreiten der Mindestspannung ein geregeltes neues Hochfahren (Reset) des Systems. Wird die Mindestspannung unterschritten, können unvorhersehbare Fehler im System auftreten, die zu nicht gewollten Programmausführungen oder Hängen bleiben führen können. Mit dem SVS werden solche Fehler vermieden und ein geregelter Neustart, auch ohne Abschaltung der Versorgungsspannung, vollzogen.

Der Hardwaremultiplizierer beherrscht die Multiplikation von vorzeichenlosen und vorzeichenbehafteten 8-Bit- und 16-Bit-Zahlen, wobei als Ergebnis eine bis zu 32 Bit große Zahl entsteht. Das jüngste Kind der MSP430-Familie beherrscht sogar 32 Bit große Zahlen und ein 64 Bit großes Resultat. Er beherrscht ebenso vorzeichenloses und vorzeichenbehaftetes Multiplizieren und Zusammenzählen (MAC, eine Domäne der DSPs). Der erste Operand dieser vier Operationen ist jeweils in einem speziellen Register abzulegen, der zweite Operand immer im gleichen Register. Das Ergebnis steht immer in den beiden gleichen Ausgangsregistern. Es liegt automatisch drei (!) Takte nach dem Ablegen des zweiten Operanden zur Verfügung.

Mit Hilfe des DMA-Controllers können ohne Zutun der CPU sehr schnell Daten von einem Speicherbereich in einen anderen transferiert werden. In dieser Zeit kann die CPU nicht auf den Bus zugreifen, weshalb sie angehalten werden muss. Der DMA-Transfer ist aber auch in den Low-Power-Modi zugelassen, wobei der CPU-Takt hochgefahren werden muss. Ein weiterer Vorteil des DMA-Moduls besteht darin, dass es im „Tandem“-Prinzip verwendet werden kann, das heißt, dass die Taktzyklen alternierend zwischen CPU und DMA aufgeteilt werden. Das eignet sich beispielsweise hervorragend, um ein Videobild aufzubauen, ohne dass dazu die CPU verwendet werden muss. Durch die Möglichkeit der Hintereinanderschaltung der DMA-Einheiten (meistens 3) kann so aber auch ein digitaler Filter realisiert werden, welcher mit Hilfe der AD- und DA-Wandler beispielsweise für Audioapplikationen verwendet werden kann. Eine weitere sehr hilfreiche Funktion mit dem DMA ist, Speicherinhalte zu verschieben, das erspart erheblich Zeit und Programmieraufwand. Es ist beispielsweise bei der MSP430F16XX-Serie sehr interessant, da diese mehr Speicher (RAM) besitzen. Auch das Kopieren vom RAM zum FLASH kann per DMA einfacher gestaltet werden als mit Software.

Die Ports sind zum Teil interrupt-fähig, was bedeutet, dass der MSP430 über sie aus einem Low-Power-Mode aufgeweckt werden kann. In solch einem Zustand verbraucht der MSP430 die wenigste Energie (ca. 0,4 µA). Die Ports selbst können nur sehr wenig Strom treiben und aufnehmen (ca. 6 mA, wobei der Gesamtstrom in den Baustein je nach Typ bei weitem kein Vielfaches der Pinanzahl dieses Wertes ist). Die Bezeichnungen der Ports verlaufen so: P1.0 - P2.5, es gibt also z. B. zwei Register beim MSP430G2xxxx (P1,P2), die dann jeweils einzelne Ausgänge haben(P1.0). Die einzelnen Ausgänge können sowohl als Eingang als auch als Ausgang verwendet werden. So lassen sich alle Ausgänge/Eingänge auf einmal über den Port definieren, oder man definiert jeden Ausgang/Eingang einzeln.

Der Watchdog-Timer wird eingesetzt, wenn das System nach einem Deadlock ohne Zutun des Nutzers wieder bedienbar sein soll. Dazu zählt der Watchdog einen Timer herauf, der von der Applikation immer wieder auf Null gesetzt werden muss. Ist die Applikation wegen eines Deadlocks dazu nicht in der Lage (im Allgemeinen sagt man, sie hat sich verlaufen), wird durch den Watchdog ein Reset ausgelöst. Das System fängt von vorne an und ist wieder bedienbar (auch wenn es dem Benutzer nicht unbedingt gefällt, wenn er von vorne anfangen muss). So kann sichergestellt werden, dass auch nach einer intensiven Störung von außen, zum Beispiel ESD-Entladung über den Prozessor, das Programm wieder in einen definierten Betriebszustand zurückkehrt. Auch sehr selten auftretende, bei Tests nicht gefundene, Programmablauffehler können so abgefangen werden.

Die Funktion des Watchdog-Timers kann jedoch auch abgeschaltet werden, wenn die oben genannte Funktionalität nicht gewünscht wird bzw. störend ist. Man kann den Watchdog-Timer auch als zusätzlichen Zähler benutzen, um damit zum Beispiel eine Real-Time-Clock zu realisieren. Das geschieht, indem man den Zähler so konfiguriert, dass er jede Sekunde einen Interrupt auslöst, und zählt dann in dem Interrupt die Sekunden hoch. Nachteil dieser „Softwareuhr“ gegenüber einem externen Uhrenschaltkreis: Wenn der MSP430 komplett ausgeschaltet wird, also keine Möglichkeit mehr hat den Interrupt auszulösen, kann natürlicherweise die Zeit nicht mitgezählt werden und muss dann beim nächsten Starten neu initialisiert werden.

Die Timer haben grundsätzlich 16 Bit. Sie können durch unterschiedliche Takte angesprochen werden, auch von externen Ereignissen. Damit sind von sehr kurzen Timerzeiten im Bereich einiger hundert Nanosekunden (schneller 16-MHz-Takt) bis zu beliebig langen Timerzeiten (viele Monate und Jahre durch sehr langsame externe Signale) möglich. Selbst durch die zweite eigene Zeitbasis mit 32 kHz sind noch direkte Timerzeiten von bis zu zwei Sekunden, bei Benutzung eines zusätzlichen Registers bis zu 1,5 Tagen, realisierbar. Auch Timer können die CPU aus einem Low-Power-Modus aufwecken. Damit sie aber laufen – sie brauchen einen Takt – kann die Stromsparfunktionalität nicht so hoch getrieben werden wie bei den Ports, wo praktisch keine interne Peripherie zur Unterstützung notwendig ist.

Bei den seriellen Schnittstellen sind derzeit als Protokoll UART, SPI, USB (nur slave) und I²C in Hardware realisiert. Weitere wie z. B. LIN sollen folgen. CAN wird auf absehbare Zeit nicht durch den MSP430 unterstützt werden, da der Fertigungsprozess, mit dem die Controller hergestellt werden, nicht für den Temperaturbereich im Automotive-Sektor geeignet ist. Die Baudrate könnte theoretisch auf bis zu 16 MBit/s gesetzt werden. Asynchrone Kommunikation läuft sicher bis 115,2 kBit/s, SPI arbeitet um 1 MBit/s und I²C in den unterstützten Modi bis 400 kBit/s.

Mit den Komparatoren können analoge Spannungen gegen unterschiedliche Referenzspannungen verglichen werden. Die Referenzspannung kann intern (0,5·V_CC, 0,25·V_CC oder rund 0,55 V) oder extern erzeugt werden. Mit dem Ergebnis können Interrupts ausgelöst oder Timer getriggert werden. Mit dem getriggerten Timer sind so PWM-Signale erzeugbar, die von einem Eingangssignal abhängig pulsweiten-moduliert sind.

Man kann auch den Vergleich direkt auf einen Port, CAOUT, schalten. Wenn die 2 Eingangsports des Comparators mit ${\displaystyle +}$ und ${\displaystyle -}$ bezeichnet sind, dann ist CAOUT High, wenn die Spannung größer ist, die an ${\displaystyle +}$ anliegt. Welcher der beiden Ports ${\displaystyle +}$ und welcher ${\displaystyle -}$ ist, kann mittels der Bits CARSEL und CAEX im Comparator Control Register eingestellt werden.

Die AD-Wandler haben eine Auflösung von 10, 12, 14 oder 16 Bit, wobei je nach Typ des MSP430 als Wandlungsverfahren das SAR- (Sukzessive Approximation), Slope- (Rampenverfahren) oder Sigma-Delta-Verfahren eingesetzt wird. Wie bei den Komparatoren, benötigt man für AD-Wandler ebenfalls eine Referenzspannung, die intern oder extern erzeugt werden kann. Die Abtastrate kann nominell bis 5 MHz betragen, womit Signale bis theoretisch 2,5 MHz abtastbar wären. Die mit derart hoher Abtastrate gewonnenen Daten könnten aber kaum von der CPU verarbeitet werden, da dieser pro Abtastwert nur 3,2 Taktzyklen (16-MHz-Takt) zur Verfügung stünden.

Das CRC16-Modul erzeugt einen CRC-Code, beruhend auf einer Folge von Datenwerten und kann für die Prüfung und Korrektur der Daten verwendet werden. Der CRC16-Modul-Prüfcode beruht auf dem CRC-CCITT-Standard. Ideal kann dieses Modul für Datenübertragung via TCP/IP oder mit angekoppelten W-LAN-Modulen verwendet werden. Es eignet sich aber auch als Prüfcodegenerator beim Schreiben auf magnetische Datenträger wie Disketten oder Festplatten.

Die DACs haben eine Auflösung von 8 oder 12 Bit. Das analoge Ausgangssignal kann also in 256 oder 4096 Stufen variiert werden. Als Referenzspannung können hier, wie bei den Komparatoren und ADCs, die internen oder externen Referenzen benutzt werden. Als „Ausgabeformat“ können die binären Daten direkt oder als Zweierkomplement ausgegeben werden. Der Ausgangsverstärker kann automatisch kalibriert werden, damit die Ausgangsspannung korrekt den digitalen Werten folgt. Der DAC selbst kann mit bis zu 550 kHz getaktet werden, was entsprechend eine theoretische Ausgangsfrequenz bis zu 275 kHz ermöglicht.

Bausteine mit integrierten Operationsverstärkern erlauben es, analoge Spannungen zu verstärken (was der Nutzung in Messsystemen zugutekommt). Die Operationsverstärker sind wie der Rest des Bausteins stromsparend und werden aus einer einzigen Spannungsquelle versorgt (single supply, low current). Die Ausgangsspannung kann bis zur Versorgungsspannung reichen (rail to rail). Die Einschwingzeit (settling time) kann bei höherem Stromverbrauch kürzer programmiert werden. Für eine programmierbare Verstärkung sind unterschiedliche Widerstände für die Rückkopplung eingebaut.

Der in den Bausteinen der 4xx-Serie und der 6xx-Serie eingebaute LCD-Treiber kann statische und gemultiplexte LCDs ansteuern. Dabei sind bis zu 40 Segmente und 4 gemeinsame Anschlüsse (backplanes) möglich. Dafür reicht der Displayspeicher mit 20 Byte aus, der im Adressbereich 0091_h bis 00A4_h eingeblendet ist. Über externe Widerstände kann der Kontrast eingestellt werden.

Die Echtzeituhr (RTC, englisch Real Time Clock) kann als Mehrzweck-32-Bit-Zähler (counter mode) oder als Uhr mit Kalenderfunktion verwendet werden (calendar mode). Im Zählmodus umfasst das RTC-Modul zwei unabhängige 8-Bit-Timer, die auch als ein 16-Bit-Timer zusammenschaltet werden können. Beide Zähler sind dann Zeitgeber und können durch die Software gelesen und beschrieben werden. Die Kalenderfunktion beachtet Monate mit weniger als 31 Tagen und sogar Schaltjahre. Das RTC-Modul hat Alarm-Register zur Weckfunktion und unterstützt Hardware-Interrupts. Im Gegensatz zu den Timern „überlebt“ die Echtzeituhr Resets.

MSP430F55XX mit integriertem Universal Serial Bus (USB) sind verfügbar.

• Full-Speed Universal Serial Bus (USB) Device mit integrierter physikalischer Übertragungseinheit und SIE
• Integriertes 3,3 V/1,8 V USB-Stromversorgungs-System, geeignet für self-powered und bus-powered USB-Geräte ohne zusätzliche Spannungsregler
• Integrierter Frequenzgenerator (PLL) für USB — Quarz erforderlich
• Acht Eingangs- und acht Ausgangs-USB-Endpunkte (nicht-isochroner Transfermodus) verfügbar
• USB-Bootloader läuft mit einer ganzen Reihe verschiedener Quarze an (nicht nur ein bestimmter Quarz)

Mit der USB-Schnittstelle lässt sich beispielsweise ein HID, ein serielles USB-Gerät oder ein USB-Stick realisieren, nicht aber ansteuern. Sein zugeordneter Dual-Port-RAM (2 KByte) kann bei Nichtbenutzung des USB-Moduls als zusätzlicher Arbeitsspeicher dem internen ohnehin etwas knappen Arbeitsspeicher zugefügt werden. Isochrone Datenübertragung ist nicht vorgesehen, daher kann die Video- und Audio-Geräteklasse nicht implementiert werden.

Seit dem Shrinking Ende 2008 gibt es einige Typen der Reihe MSP430X5xx mit integriertem RF-Transceiver, LDO-Spannungsregler und einer AES-Cryptoengine.

Es gibt auch Anwender, die den MSP430 in Assembler programmieren. Da die C-Compiler in der Regel hoch optimierend eingestellt werden können und es eigentlich per se auch schon sind, ist das wirklich nur für zeitkritische Applikationsteile notwendig. Dazu können die meisten C-Compilern Assembler- in den C-Code einbauen.

Ein etwas ausgefallenes aber sehr effizientes Programmier- und Testsystem ist FORTH. Neben einigen OpenSource-FORTH-Projekten gibt es ein sehr gutes professionelles FORTH-Entwicklungssystem „Swift-X“. Forth verwendet die umgekehrte polnische Notation (UPN).

Die Programmierung des Bausteins und das Debugging sind über eine JTAG-Schnittstelle zu realisieren. Dazu bietet TI eine als FLASH-Emulation-Tool (FET) bezeichnete Hardware an, die über den Parallelport oder die USB-Schnittstelle des PC auf den JTAG-Port zugreift. In den neuesten Varianten (MSP430F20xx) ist der JTAG-Port (der eigentlich über mindestens vier Signalleitungen und Reset verfügt) durch ein Interface, das TI „Spy-Bi-Wire“ nennt, auf 2 Signalleitungen reduziert worden, so dass nur noch vier Anschlüsse auf einem Zielsystem zum Debugging notwendig sind: Zwei für Spy Bi-Wire, Masse und Versorgungsspannung.

Das moderne FET-Tool wird als USB-Stick geliefert. Wenn das Zielsystem hinreichend wenig Speisestrom benötigt, genügt dafür USB und eine externe Spannungsversorgung ist nicht notwendig.

Das MSP430 LaunchPad (MSP-EXP430G2), eigentlich ein Eval-Board, lässt sich ebenfalls ganz offiziell zur Programmierung per Spy Bi-Wire verwenden. Die benötigende Anschlüsse finden sich auf der Anschlussleiste J3 und der nicht bestückten Anschlussleiste J4.

Des Weiteren enthält jeder programmierbare MSP 430 einen Bootstraploader, der über eine UART-Schnittstelle das Programmieren der Bausteine erlaubt. Details sind in einer TI Application Note[2] aufgeführt.

Nicht jeder MSP430 ist mit einem Bootstraploader ausgestattet (MSP430F20xy  x = 0, 1  y = 1, 2, 3   sh. SLAU319AE Seite 4), diese können aber mit dem MSP430 Flasher programmiert werden (SLAU654).

Mit Hilfe des Boot-Strap-Loaders (BSL) kann aber auch über eine serielle Schnittstelle das Programm neu geladen werden.

Das von HiTex angebotene Tool „DProbe430“ mit seinem Aufrüstmodul „DBox16“ ist der bislang einzige Emulator für den MSP430. Es unterstützt Realtime-Debugging in Assembler (von TI) und Hochsprache (mit IAR C-Compiler), mit Anzeige sämtlicher Prozessor-Ressourcen. Es werden nur wenige Derivate der MSP430-Reihe unterstützt.