Микроконтроллеры Z86 фирмы ZILOG (стр. 1 из 7)
Микроконтроллеры семейства Z86 фирмы ZILOG
ВВЕДЕНИЕ
Устройства передачи и обработки информации являются теми "кирпичами", из которых строятся сложные информационно-управляющие системы, такие как, например, цифровые сети связи с интеграцией служб -ISDN [1]. Проектирование таких устройств представляет сложную техническую задачу, поскольку к ним предъявляется ряд серьезных технических требований в части:
- сложных протоколов обмена данными;
- высоких скоростей передачи;
- сложных алгоритмов обработки;
- высокой точности;
- аналого-цифровых функций;
- надежности и достоверности;
- устойчивости к воздействию дестабилизирующих факторов;
- конструктивных параметров (габаритные размеры, масса);
- энергопотребления.
Решающую роль на технические характеристики устройств передачи и обработки информации оказывает используемая элементная база. Наиболее подходящая элементная база для построения таких устройств -это однокристальные микроконтроллеры (МК). Такие приборы поставляются на мировой рынок всеми ведущими производителями микропроцессоров: Intel, Motorola, Texas Instruments, Microchip Technology, Zilog и др. Особый интерес для рассматриваемого класса устройств представляют малогабаритные МК с микромощным потреблением. Среди них можно выделить МК PIC 16CXX фирмы Microchip Technology [2] и Z8 фирмы Zilog [3,4]. Если PIC-контроллеры относятся к процессорам с так называемой сокращенной системой команд (Reduced Instruction Set Command -RISC), то Z8 -это процессоры с комплексной системой команд (Complex Instruction Set Command -CISC). Преимуществом последних является более высокий уровень команд, что делает программный код более эффективным в смысле времени выполнения и объема занимаемой памяти и упрощает программирование на языке ассемблера. Это позволяет рекомендовать MK семейства Z8 для использования в практике проектирования устройств передачи и обработки информации.
В настоящем пособии подробно рассмотрены вопросы архитектурного построения и программирования МК семейства Z8, а также примеры проектирования устройств передачи и обработки информации на базе этих МК.
1. Однокристальные микроконтроллеры семейства Z8
1.1. Описание семейства Z8
Среди новейших моделей МК семейства Z8 следует выделить ряд малопотребляющих МК, выполненных по КМОП технологии, основные параметры которых приведены в табл.1.1. Обозначение МК состоит из префикса фирмы -Z, номера семейства -86, литеры исполнения и номера модели.
Таблица 1.1
Малопотребляющие микроконтроллеры семейства Z8
| ОбозначениеМикросхемы | ПЗУ Байт | ОЗУбайт | Ввод/ВыводБит | ЧастотаМГц(max) | Корпуск-во выв. |
| Z86x02 | 512 | 61 | 14 | 8 | 18 |
| Z86x03 | 512 | 61 | 14 | 8 | 18 |
| Z86x04 | 1K | 125 | 14 | 12 | 18 |
| Z86x06 | 1K | 125 | 14 | 12 | 18 |
| Z86x08 | 2K | 125 | 14 | 12 | 18 |
| Z86x31 | 2K | 125 | 24 | 16 | 28 |
| Z86x30 | 4K | 237 | 24 | 16 | 28 |
| Z86x40* | 4K | 236 | 32 | 16 | 40/44 |
Примечание:х - литера исполнения, С, Е или L.
* - имеется возможность подключения внешних ПЗУ и ОЗУ объемом по 60К байт.
МК, в обозначение которых входит литера "C", имеют ПЗУ с масочным программированием. Литера "E" в обозначении указывает на вариант с однократно электрически программируемым ПЗУ. Литера "L" соответствует вариантам с масочным ПЗУ и пониженным напряжением питания. Первые используют для выпуска серийных изделий (5000 и более штук), вторые -для опытных, единичных и мелкосерийных изделий, третьи -для серийных устройств с автономным питанием от пары сухих гальванических элементов или аккумуляторов.
Фирма-изготовитель поставляет специальное недорогое оборудование в виде аппаратно-программных кросс-средств, ориентированных на ПЭВМ IBM PC, для разработки изделий на базе МК, куда входит и программатор для однократно программируемых МК ( например, внутрисхемный эмулятор -программатор Z86CCP01ZEM с программным обеспечением ).
Все МК [4,5] имеют 5 -6-и уровневый контроллер прерываний, один или два таймера/счетчика и два аналоговых компаратора. Последние позволяют решать вопросы сравнения уровней напряжения, детектирования короткозамкнутого состояния датчиков, аналого-цифрового преобразования без использования дополнительных компонентов. Кроме того, модель 06 имеет встроенный последовательный интерфейс.
Линии ввода/вывода МК обеспечивают совместимость с КМОП -уровнями. Выходные усилители под управлением программного обеспечения могут конфигурироваться как двухтактные или с открытым стоком. Кроме того, для исключения резкого возрастания тока, потребляемого входными КМОП ключами при отсутствии источника входного уровня, все цифровые входы снабжены автофиксаторами уровня (Auto Latch). В последних версиях МК автофиксаторы могут отключаться, что повышает совместимость входов ( особенно для аналоговых линий).
Разработчики МК предусмотрели в них целый ряд аппаратных функций, обеспечивающих надежность работы в условиях воздействия помех и дестабилизирующих факторов: автоматический сброс при включении питания (Power-On Reset), сторожевой таймер (Watch-Dog Timer), защита от снижения напряжения питания (Low-Voltage Protection), защита ОЗУ (RAM Protect).
Автоматический сброс при включении питания обеспечивается специальным таймером сброса, синхронизируемым от встроенного RC-генератора. Этот таймер обеспечивает удержание процессора в состоянии сброса, пока питающее напряжение не достигнет номинального уровня, а генератор основной синхронизации не выйдет на стабильный режим.
Сторожевой таймер защищает процессор от "зависания". Управляется он программно специальными командами. При "зависании" программы очередная команда перезапуска сторожевого таймера не выполнится, он досчитает до конца и вызовет функцию сброса МК -тем самым вычислительный процесс будет восстановлен.
Функция защиты от снижения напряжения питания позволяет обеспечить корректное возобновление вычислительного процесса при "провалах" питающего напряжения.
Сущность защиты ОЗУ заключается в возможности программно управлять доступом к определенной области ОЗУ, содержащей управляющую информацию. Запрещение доступа гарантирует сохранение этой информации и правильное ее использование в случае, например, сбоя программного счетчика, в результате которого может произойти некорректное обращение к этой области ОЗУ и искажение управляющей информации.
МК работают в широком диапазоне питающих напряжений:
3 -5,5В -для масочного исполнения; 4,5 -5,5В -для однократно программируемого и 2 -3,9В -для исполнения с пониженным питающим напряжением. Потребляемая мощность в стандартном режиме на максимальной допустимой частоте составляет 30 -60 мВт.
Для целей экономии потребляемой мощности предусмотрено также два резервных режима с микропотреблением: HALT и STOP. В первом режиме отключается синхронизация процессора, активными остаются лишь таймеры/счетчики и прерывания. Во втором режиме отключается и синхрогенератор, только сторожевой таймер может продолжать свою работу.
Оригинальная схема встроенного генератора синхронизации позволяет использовать в качестве времязадающих элементов кварцевые и керамические резонаторы, LC и RC-цепи. Возможна и синхронизация от внешнего источника. Функционирование МК обеспечивается в широком диапазоне рабочих частот от 10 кГц до максимальной (см. табл.1.1). Причем, чем ниже частота, тем меньше потребляемый ток от источника питания. Например, для версии "C" большинства МК на частоте 32 кГц гарантируется потребляемый ток 8 мкА.
Для применений с высокими требованиями к электромагнитной совместимости МК Z8 могут быть переведены в малошумящий режим (Low Noise). В этом режиме несколько ухудшается нагрузочная способность портов вывода и увеличивается время переходных процессов, однако значительно снижается уровень электромагнитного излучения. Частота внешнего кварцевого резонатора при этом ограничивается величиной 4 МГц.
Изготовитель гарантирует надежную работу МК при температуре окружающей среды от 0 до 70 градусов Цельсия для стандартного исполнения и от -40 до 105 градусов для исполнения с расширенным температурным диапазоном (Extended Temperature). В последнем исполнении поставляются все МК с литерой "C" и модели 02, 04, 08, 30, 31 и 40 с литерой "E".
И, наконец, для исключения возможности копирования программы МК конкурентами предусмотрен, бит защиты ПЗУ (ROM Protect). В более ранних версиях МК установка бита защиты запрещала команды загрузки из ПЗУ (LDC и LDCI), что одновременно заставляло программиста отказываться от использования весьма эффективных алгоритмов, основанных на просмотре таблиц. В последних версиях МК доступ к ПЗУ блокируется установкой бита защиты без запрета указанных команд и каких-либо алгоритмических ограничений.
1.2. Архитектура микроконтроллеров Z8
1.2.1. Структурная схема микроконтроллеров
На рис.1.1 приведена обобщенная структурная схема МК, а в табл. 1.2 указаны наборы вариативных элементов структуры для каждой модели.
Рис. 1.1 Обобщенная структурная схема микроконтроллеров Z8
Согласно структуре МК, рис.1.1, операционное устройство представлено арифметико-логическим узлом (АЛУ) и флаговым регистром. Устройство управления МК содержит счетчик команд PC (Program Counter) и узел синхронизации и управления со сторожевым таймером и схемой автосброса. Система памяти МК представлена постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) для хранения программ и оперативной памятью для данных и стека, выполненной в виде регистрового файла. Для сокращения размера поля адреса регистрового файла он поделен на рабочие группы. Номер активной группы задается специальным указателем регистров RP (Register Poitner). Модель 40 имеет возможность расширения объема памяти до 64 Кбайт путем подключения внешней памяти программ и данных.