高性能單片機(jī)μPD70320的特點(diǎn)及應(yīng)用

1. 概述

μPD70320是日本NEC公司生產(chǎn)的V25系列16位單片機(jī)，它具有功能強(qiáng)、可靠性高、速度快、兼容性好的優(yōu)點(diǎn)。該芯片除CPU外還集成了512字節(jié)的 RAM、三個(gè)I/O口、8個(gè)模擬量輸入端、兩個(gè)DMA、兩個(gè)定時(shí)器、兩個(gè)全雙工異步通訊口和一個(gè)中斷控制器等電路，μPD70320具有先進(jìn)的快速中斷功能，特別適合實(shí)時(shí)多任務(wù)處理；采用嚴(yán)格的CMOS制造工藝，穩(wěn)定工作范圍寬，電源電壓3～8V，可選用的晶振頻率為1～6MHz，抗干擾，可在惡劣環(huán)境中使用；采用特殊的雙總線結(jié)構(gòu)，使用32位內(nèi)部寄存器和6字節(jié)指令隊(duì)列，在相同的時(shí)鐘頻率下，比8088快2～4倍；其指令集僅是8088的一個(gè)超集，把 PC機(jī)上的程序稍作修改就可在μPD70320上運(yùn)行，因而開發(fā)它不需要特殊的開發(fā)裝置和調(diào)試軟件，因此可降低開發(fā)成本，加快開發(fā)進(jìn)度。μPD70320 的引腳圖如圖1所示。

μPD70320與8088的寄存器和指令是一樣的，差異在于μPD70320集成了眾多外圍芯片和由于內(nèi)核不同而引起的時(shí)序關(guān)系的改變。新增的功能是通過特殊功能寄存器區(qū)（SFR）、片內(nèi)數(shù)據(jù)區(qū)（IDA）以及特殊指令來實(shí)現(xiàn)的。SFR和IDA在512字節(jié)片內(nèi)RAM中由高到低依地址連續(xù)排列，可以通過設(shè)置SFR中的片內(nèi)數(shù)據(jù)區(qū)地址寄存器（IDB）的值來重新定位SFR和IDA在1MB內(nèi)存的任意位置。IDB的值是20位地址的高8位，因此訪問SFR就象訪問內(nèi)存一樣。片內(nèi)RAM地址映象如圖2所示。

圖2給出了SFR和IDA的分布情況、SFR用于訪問片內(nèi)周邊單元；IDA主要用于快速寄存器的塊切換（RBS）和宏服務(wù)功能（MSF）。

2. 特殊功能寄存器（SFR）

μPD70320有多種特殊功能的寄存器，現(xiàn)簡述如下：

2.1 三個(gè)I/O口

每個(gè)口的每一個(gè)端均可通過設(shè)置口模式寄存器（PM）的相應(yīng)位而成為輸入或輸出端，設(shè)置成1，表示輸入；設(shè)置成0，表示輸出。口模式控制寄存器（PMC）決定口的相應(yīng)端是用于控制模式還是I/O模式，設(shè)置成1，表示控制模式；設(shè)置成0，表示I／0模式。接口寄存器（P）用于存取輸入輸出數(shù)據(jù)。

2.2 八個(gè)模擬量比較器輸入

每個(gè)模擬輸入（PTO～PT7）均可與參考電壓（Vth）的分壓值進(jìn)行比較、PT端的電壓大于分壓值，PT寄存器相應(yīng)位為1：反之為0。通過設(shè)置接口模式寄存器（PMT）的值（01H～10H）可改變分壓比，分壓值等于Vth與分壓比／16的乘積。PT、PMT地址分別為××F38H、××F3BH。

2.3 兩個(gè)16位定時(shí)器

每個(gè)定時(shí)器包括16位模數(shù)寄存器（MD)、16位減一寄存器（TD）、控制寄存器（TC）、宏服務(wù)寄存器（TMS）和中斷控制器（TIC）。定時(shí)器0有連續(xù)和單次工作方式。定時(shí)器1僅有連續(xù)工作方式。

連續(xù)工作方式時(shí)：MD置好初值、TC的Bit5置1，啟動(dòng)定時(shí)器。當(dāng)TD減至0時(shí)、MD自動(dòng)加載模數(shù)到TD，TD又重新開始工作，如此循環(huán)下去直至TC的Bit5置0。

單次工作方式時(shí)：TD0和MD0都可單獨(dú)作減1寄存器使用，TD0或MD0減至0后定時(shí)器就停止工作。

2.4 兩個(gè)串行通訊口

每個(gè)通訊口包括接收緩存器（RB）、發(fā)送緩存器（TB）、模式寄存器（SM）、控制寄存器（SC）、波特率發(fā)生器（BRG）、通訊錯(cuò)誤寄存器（SE）、接收宏服務(wù)寄存器（SRMS）、發(fā)送宏服務(wù)寄存器（STMS)、錯(cuò)誤中斷控制器（STIC）、接收中斷控制器（SRIC）和發(fā)送中斷控制器（STIC）等 11個(gè)寄存器。每個(gè)通訊口有接收數(shù)據(jù)線（RXD）、發(fā)送數(shù)據(jù)線（TXD））和握手控制線（CTS）。當(dāng)CTS=0時(shí)，啟動(dòng)發(fā)送；當(dāng)數(shù)據(jù)起始位的下降沿被檢測到時(shí)，啟動(dòng)接收。數(shù)據(jù)幀格式由起始位、7或8位數(shù)據(jù)位，奇偶校驗(yàn)位、1或2停止位組成，這些參數(shù)由SM的相應(yīng)位決定。

當(dāng)通訊發(fā)生錯(cuò)誤、接收到數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)發(fā)送完畢時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生中斷，其優(yōu)先級(jí)依次降低，除錯(cuò)誤中斷外，接收到數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)發(fā)送都有向量中斷、RBS和MSF三種方式。當(dāng)通訊發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，SE的相應(yīng)位置1，SE的Bit0,Bit1,Bit2分別對(duì)應(yīng)溢出錯(cuò)、幀格式錯(cuò)和校驗(yàn)錯(cuò)。

2.5 兩個(gè)DMA控制器

DMA能迅速在內(nèi)存和外設(shè)之間傳遞數(shù)據(jù)，它有兩種方式四種模式。兩種方式為：內(nèi)存到內(nèi)存I/O（MtoM）和內(nèi)存與I/O（M＆I/O）方式。內(nèi)存到內(nèi)存方式下有單步模式（SSM）和閃電模式（BM）；內(nèi)存到I/O方式下有一次傳輸模式（STM）和請(qǐng)求釋放模式（DRM）。四種模式的工作狀態(tài)如下：
　　SSM：當(dāng)DMA請(qǐng)求發(fā)生時(shí)，DMA操作交替進(jìn)行直至指定字節(jié)傳輸完為止；
　　BM：當(dāng)DMA請(qǐng)求發(fā)生時(shí)，MA操作連續(xù)進(jìn)行直至指定字節(jié)傳輸完為止；
　　STM：當(dāng)DMA請(qǐng)求發(fā)生時(shí)，執(zhí)行一次DMA操作；
　　DRM：當(dāng)DMARQ請(qǐng)求輸入線保持為高時(shí)，進(jìn)行DMA操作，直至DMARQ為低。

每個(gè)DMA控制器有三根控制線：請(qǐng)求輸入線（DMARQ）、相應(yīng)輸出線（DMAAK）及終止計(jì)數(shù)輸出線（TC）。另外，還有三個(gè)功能寄存器：控制寄存器（DMAC）、模式寄存器（DMAM）和中斷寄存器（DMAIC）。DMA操作的地址信息存放在IDA中，并可軟件設(shè)置。

2.6 系統(tǒng)寄存器

μPD70320主要有四個(gè)系統(tǒng)寄存器，即：模式控制寄存器（SBC），標(biāo)志寄存器（FLAG），處理器控制寄存器（PRC），片內(nèi)數(shù)據(jù)區(qū)地址寄存器（IDB）。

μPD70320有三種模式：工作模式、暫停模式和關(guān)閉模式。工作模式就是CPU正常工作時(shí)的狀態(tài)，暫停模式是執(zhí)行HLAT命令后進(jìn)入的，NMI中斷可使之返回工作模式，關(guān)閉模式是執(zhí)行STOP命令后進(jìn)入的，系統(tǒng)復(fù)位或NMI可使之返回工作模式，返回后程序從何處開始執(zhí)行由SBC決定。如SBC的 Bit0=0,返回后程序從FFFF：0000H重新開始；反之從斷點(diǎn)開始。FLAG的Bit0和Bit1是用戶自定義標(biāo)志。PRC的Bit0和Bit1 決定系統(tǒng)時(shí)鐘，其值00H、01H、10H分別對(duì)應(yīng)晶振頻率的1/2、1/4、1/8分頻數(shù)；PRC的Bit7決定禁止（Bit7=0）或使能（Bit7=1）訪問IDA。

3. 中斷系統(tǒng)

μPD70320除傳統(tǒng)的向量中斷方式外，還有寄存器塊切換方式（RBS）和宏服務(wù)功能（MSF），后兩種方式適合實(shí)時(shí)多任務(wù)處理。

3.1 向量中斷方式

這種方式與8088兼容，在內(nèi)存最低端（00000H～00400H）的1kB內(nèi)存中存放256個(gè)中斷向量。其中0～31在μPD70320內(nèi)部已分配好，見表1所列。

在256個(gè)中斷中，硬中斷有17個(gè)，其中片內(nèi)硬中斷12個(gè)，外部硬中斷5個(gè)。它們分成8個(gè)組，每個(gè)組對(duì)應(yīng)一個(gè)優(yōu)先級(jí)，共8個(gè)優(yōu)先級(jí)、0級(jí)最高、7級(jí)最低；每組內(nèi)每個(gè)中斷的優(yōu)先權(quán)（1為最高，3為最低）是固定的，組與組之間的優(yōu)先級(jí)可以通過設(shè)置中斷控制寄存器（IC）來決定。其默認(rèn)優(yōu)先級(jí)見2表所列。

中斷優(yōu)先級(jí)寄存器（IPR）的相應(yīng)位表示當(dāng)前中斷的優(yōu)先級(jí)（如：Bit3=1表示當(dāng)前中斷優(yōu)先級(jí)為3）。NMI,INIP2,INTP1,INTP0的觸發(fā)方式分別在中斷模式寄存器（INTM）的Bit0,Bit2,Bit4,Bit6定義，1表示上升沿、0表示下降沿。

3.2 寄存器塊切換方式（RBS）

μPD70320有8個(gè)寄存器塊(Bank0～Bank7),由低到高連續(xù)存放于IDA中，其地址從××E00H到××EFFH共256Bytes，每個(gè)寄存器塊含16個(gè)16位寄存器，可參見圖2。

使用RBS應(yīng)首先在中斷控制寄存器（IC）的低3位設(shè)置寄存器塊號(hào)并且設(shè)置Bit4為1，初始化寄存器塊內(nèi)的CS、Vector 、PC和SS，SP及其它寄存器；硬件產(chǎn)生中斷請(qǐng)求或執(zhí)行INTCS指令，芯片自動(dòng)將當(dāng)前PC和PSW的值保存在寄存器塊內(nèi)的PC Save和PSW Save中，Vector PC取出PC值放在PC寄存器中，執(zhí)行中斷處理；中斷返回時(shí)，執(zhí)行RETRBI,從PC Save和PSW Save中恢復(fù)PC和PSW的值。這種中斷方式不需要堆棧保存寄存器的值，因此速度大大加快，更適合多任務(wù)處理。定時(shí)器、通訊口、DMA及外部中斷都可以采用這種方式 。

3.3 宏服務(wù)方式（MSF）

MSF是特殊的微程序，它完成SFR與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸，減少軟件開銷和CPU時(shí)間，不需要寄存器保護(hù)、恢復(fù)等相關(guān)處理。每次請(qǐng)求MSF時(shí)，數(shù)據(jù)在 SFR和內(nèi)存之間傳輸而不需要中斷CPU的工作，同時(shí)，宏服務(wù)計(jì)數(shù)器（MSC）減1，當(dāng)MSC減到零時(shí)，一個(gè)中斷將會(huì)發(fā)生。MSF還有字符搜索功能，當(dāng)搜索到字符時(shí)，中斷也會(huì)發(fā)生。除NMI、INTP、INTTB、INTD0、INTD1外的其它硬件中斷都有MSF。宏服務(wù)通道有8個(gè)（0～7），每個(gè)通道含8個(gè)字節(jié)，其地址從xxE00H到xxE3FH共64Bytes。另外，uPD70320還具有系統(tǒng)時(shí)鐘輸出、DRAM刷新脈沖輸出、插入等待周期、總線掛起、計(jì)時(shí)中斷、I/O陷阱等功能。

4. 應(yīng)用

由上可見，μPD70320是一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)產(chǎn)品，它不僅與8088兼容，而且具有自身的特點(diǎn)。因此特別適合于要求速度快，容量大，可靠性高，功能強(qiáng)的應(yīng)用系統(tǒng)。圖3是μPD70320的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例，該應(yīng)用充分利用了μPD70320優(yōu)異的性能和兼容性。因此可見，μPD70320為單片機(jī)的更廣泛應(yīng)用開創(chuàng)了新的領(lǐng)域。