兼容MCS－51微處理器的邏輯設(shè)計

周 霽

(中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽 110032)

1 引言

與工業(yè)MCS－51產(chǎn)品指令兼容的低功耗微處理器，廣泛應(yīng)用于我們生活的各個領(lǐng)域，包括各種智能控制、辦公自動化，或是工業(yè)測控領(lǐng)域的各種機器人、智能儀表、實時控制和數(shù)據(jù)處理，各種醫(yī)療設(shè)備以及汽車安全保障系統(tǒng)等。在這些廣泛的嵌入式控制系統(tǒng)領(lǐng)域，提供了靈活有效、性價比極高的解決方案。

2 微處理器特點及工作原理介紹

此類低功耗、高性能控制器芯片，具有在系統(tǒng)可編程(ISP)Flash存儲器，與工業(yè)MCS－51產(chǎn)品指令和引腳兼容。通常這類存儲器(比如ATMEL公司的AT89S52)片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有全指令集的8位CPU和在系統(tǒng)可編程8K字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32個I/O口，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個7向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工UART串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，可支持0Hz～33MHz主頻時鐘操作，支持2種軟件可選節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，CPU停止工作，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。芯片架構(gòu)框圖如圖1所示。

從圖中可以看出，此芯片的核心是C8052 CPU，通過ROM bus從flash中讀取指令并執(zhí)行;并通過RAM_bus訪問256 bytes的內(nèi)部RAM。從CPU中出來的SFR_bus可用來訪問特殊功能寄存器，通過這些寄存器來控制芯片外圍設(shè)備。中斷控制模塊將產(chǎn)生的中斷信號經(jīng)過處理后，產(chǎn)生中斷，送給CPU，這將中斷CPU正在執(zhí)行的指令，而跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷處理入口。

Watch－dog用于防止CPU執(zhí)行指令時由于某種干擾而出現(xiàn)錯誤時，產(chǎn)生復(fù)位信號而使CPU復(fù)位重新執(zhí)行。

Port控制模塊用來控制四個輸入/輸出端口的輸入和輸出。

Flash_control模塊用來控制內(nèi)部flash的程序燒寫，加密等。

Power_ctrl模塊用來實現(xiàn)在不需要CPU工作時，能使整個芯片工作在最小的電流下，以節(jié)省功耗。同時它也允許外部事件來將CPU從低功耗模式切換到正常工作模式。

圖1 微處理器架構(gòu)框圖

3 微處理器使用模式

用戶在使用時，首先將編寫好的代碼下載到芯片內(nèi)部的flash中。芯片上電后首先啟動CPU從內(nèi)部的flash中讀取代碼，將代碼放入指令譯碼器中，CPU再根據(jù)指令做出相應(yīng)的動作，比如操作端口、特殊寄存器、進入省電模式或進行控制、數(shù)據(jù)運算等。

使用模式方面的特點包括如下幾個方面，復(fù)位方面包括上電復(fù)位、外部引腳復(fù)位、WDT溢出復(fù)位;時鐘方面包括外部晶振、外部時鐘直接輸入;編程方面包括串行ISP編程、并行ISP編程;定時器方面包括有三個16bit的通用定時器;功耗方面分普通全速工作模式、省電空閑模式、低功耗睡眠模式;儲存方面有內(nèi)部程序模式、外部程序模式。

4 微處理器部分邏輯設(shè)計

4.1 程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器的設(shè)計

程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器獨立分開，且有內(nèi)部和外部存儲器之分。如果RESET后，EA引腳接地，程序讀取只從外部存儲器開始。如果EA接電源，程序讀寫先從內(nèi)部存儲器開始，接著從外部尋址。芯片有256字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器，高128字節(jié)與特殊功能寄存器重疊，高128字節(jié)與特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分開的。當一條指令訪問高于7FH的地址時，尋址方式?jīng)Q定CPU訪問高128字節(jié)RAM還是特殊功能寄存器空間。直接尋址方式訪問特殊功能寄存器(SFR)。

例如，下面的直接尋址指令訪問0A0H(P2口)存儲單元

MOV 0A0H，#data

使用間接尋址方式訪問高128字節(jié)RAM。例如，下面的間接尋址方式中，R0內(nèi)容為0A0H，訪問的是地址0A0H的寄存器。

MOV@R0，#data

4.2 低功耗模式設(shè)計

在空閑工作模式下，CPU處于睡眠狀態(tài)，而片上外部設(shè)備保持激活狀態(tài)。這種狀態(tài)可以通過軟件產(chǎn)生。在這種狀態(tài)下，片上RAM和特殊功能寄存器的內(nèi)容保持不變。空閑模式可以被任一個中斷或硬件復(fù)位終止。

在掉電模式下，晶振停止工作，激活掉電模式的指令是最后一條執(zhí)行指令。片上RAM和特殊功能寄存器保持原值，直到掉電模式終止。掉電模式可以通過硬件復(fù)位和外部中斷進行退出。復(fù)位重新定義了SFR的數(shù)據(jù)，但不改變片上RAM的數(shù)據(jù)。

在掉電模式下喚醒時，會保證電流變化不能太大，且保證時鐘能有足夠時間穩(wěn)定。故采用了分階段完成的辦法。如圖2所示。

進入掉電模式:當PCON寄存器寫入0x01時，進入掉電模式。分兩階段完成:關(guān)掉cpu clock，關(guān)掉外圍部件的clock，等待1024時鐘周期，關(guān)閉晶振，關(guān)掉 regulator。

圖2 低功耗模式狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

從掉電模式喚醒:當檢測到外部復(fù)位信號或外部中斷信號后，第一步，打開regulator，打開晶振，并開始計數(shù)，當計到100時，去檢查reset或外部中斷信號，看其是否有效。如果無效，則重新關(guān)掉晶振，關(guān)掉regulator。如果reset信號或外部中斷信號有效，則等待1024時鐘周期。第二步，打開外圍部件的clock等待1024時鐘周期。第三步，打開CPU的clock。

4.3 Timer2 設(shè)計

定時器2是一個16位定時/計數(shù)器，它既可以做定時器，又可以做事件計數(shù)器。其工作方式由特殊寄存器T2CON中的C/T2位選擇。定時器2有二種工作模式:捕捉方式，自動重載(向下或向上計數(shù))。工作模式由T2CON中的相關(guān)位選擇。

在捕捉模式下，通過T2CON中的EXEN2來選擇兩種方式。如果EXEN2=0時，定時器2的一個16位定時/計數(shù)器溢出時，對T2CON的TF2標志置位，產(chǎn)生相應(yīng)中斷。如果EXEN2=1時定時器2做相同的操作。

當DCEN=0時，定時器2為向上計數(shù)。當計到0xFFFF時，定時器溢出，定時器重新加載16位計數(shù)值。如果EXEN2=1，計數(shù)溢出或在外部T2EX引腳上的1到0的下跳變都會觸發(fā)重載。當DCEN=1時，外部輸入T2EX引腳將決定向上還是向下計數(shù)。T2EX=1為向上計數(shù)，T2EX=0為向下計數(shù)。說明如表1，表2示。

表1 T2CON控制寄存器

TF2:定時器2溢出標志位。

EXF2:定時器2外部標志位。EXEN2=1時，T2EX上的負跳變出現(xiàn)捕捉或重載時，EXF2會被硬件置位。

RCLK:串行口接收數(shù)據(jù)時鐘標志位。若RCLK=1，串行口將使用定時器2溢出脈沖作為串口接收時鐘;RCLK=0，將使用定時器1計數(shù)溢出作為串口接收時鐘。

TCLK:串行口發(fā)送數(shù)據(jù)時鐘標志位。若TCLK=1，串行口將使用定時器2溢出脈沖作為串行口工作模式1和3的串口發(fā)送時鐘;TCLK=0，將使用定時器1計數(shù)溢出作為串口發(fā)送時鐘。

EXEN2:定時器2外部允許標志位。

TR2:開始/停止控制定時器2。TR2=1，定時器2開始工作。

C/T2:定時器2定時/計數(shù)選擇標志位。

CP/RL2:捕捉/重載選擇標志位。當EXEN2=1時，CP/RL2=1，T2EX出現(xiàn)負脈沖，產(chǎn)生捕捉操作;當定時器2溢出或EXEN2=1時，T2EX出現(xiàn)負跳變，會出現(xiàn)自動重載操作。CP/RL2=0，T2EX產(chǎn)生負脈沖。當RCKL=1或TCKL=1時，此標志位無效，定時器2溢出時，強制做自動重載操作。

T2OE是定時器2輸出允許位。DCEN置1后，定時器2可配置成向上/向下計數(shù)。

表2 T2MOD模式控制寄存器

5 結(jié) 束 語

目前，這類微處理器產(chǎn)品仍有較為廣闊的市場，國外公司此類產(chǎn)品也較多，在設(shè)計這類產(chǎn)品時，重點注意對MCS－51產(chǎn)品指令的兼容，這樣可以使其更方便的在不同領(lǐng)域中做為配套產(chǎn)品使用，其成熟的設(shè)計經(jīng)驗，也可以移植到相似的產(chǎn)品設(shè)計之中。在廣泛的嵌入式控制系統(tǒng)領(lǐng)域，產(chǎn)品可以提供靈活有效、性價比極高的解決方案。

［1］王永軍，李景華.數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005.

［2］朱子玉.李亞民.CPU芯片邏輯設(shè)計技術(shù)［M］.北京:清華大學出版社，2005.

［3］張明.Verilog HDL實用教程［M］.成都:電子科技大學出版社，1999.