Семейство 8-разрядных микроконтроллеров 68HC08/908 фирмы Motorola

И.И.Шагурин, технический консультант "КТЦ-МК"

Семейство 8-разрядных микроконтроллеров 68HC08/908 является дальнейшим развитием семейства 68HC05/705. В этом семействе реализованы концепции, которые обеспечивают существенное увеличение производительности микроконтроллеров и расширение их функциональных возможностей [1, 2]. Микроконтроллеры этого семейства предназначены для замены семейства 68HC05/705 в новых разработках. Сохраняя архитектуру семейства 68HC05/705, микроконтроллеры 68HC08/908 позволяют обеспечить значительно более высокие технико-экономические характеристики устройств, реализуемых на их основе. В составе семейства преобладают модели, содержащие FLASH-память (подсемейство 68HC908), что обеспечивает возможность их широкого использования в изделиях малой серийности. Следует отметить программную совместимость "снизу-вверх" процессоров семейств 68HC05/705 и 68HC08/908, что позволяет без изменения использовать в микроконтроллерах 68HC08/708 программы, ранее созданные для 68HC05/705.

Отметим основные преимущества семейства 68HC08/908 по сравнению с микроконтроллерами 68HC05/705.

• Процессор CPU08 работает на более высокой тактовой частоте 8 МГц, реализует ряд дополнительных способов адресации и имеет расширенный набор выполняемых команд. В результате достигается повышение производительности до 6 раз по сравнению с микроконтроллерами 68HC05.
  
• Применение FLASH-памяти обеспечивает возможность программирования микроконтроллеров подсемейства 68HC908 непосредственно в составе реализуемой системы с помощью персонального компьютера.
  
• Модульная структура микроконтроллеров и наличие большой библиотеки интерфейсных и периферийных модулей с улучшенными характеристиками позволяет достаточно просто реализовать различные модели с расширенными функциональными возможностями.
  
• Существенно расширены возможности отладки программ благодаря введению специального монитора отладки и реализации останова в контрольной точке. Таким образом, обеспечивается возможность эффективной отладки без применения дорогостоящих схемных эмуляторов.
  
• Реализованы дополнительные возможности контроля функционирования микроконтроллеров, повышающие надежность работы систем, в которых они применяются.
  

В настоящее время семейство 68HC08/908 является основным промышленным стандартом компании Motorola в сфере 8-разрядных микроконтроллеров и насчитывает около 40 моделей, рекомендованных для применения. В табл. 1 приведены основные характеристики моделей, содержащих внутреннюю FLASH-память (подсемейство 68HC908), которые представляют наибольший интерес для российских разработчиков.

Табл.1. Микроконтроллеры семейства 68НС08/908

Все микроконтроллеры семейства 68HC08/908 содержат процессорное ядро CPU08, внутреннюю память программ - масочно-программируемое ПЗУ емкостью до 32 Кбайт или FLASH-память емкостью до 60 Кбайт, ОЗУ данных емкостью от 128 байт до 2 Кбайт. В ряде моделей имеется также память EEPROM емкостью 512 байт или 1 Кбайт. Большинство микроконтроллеров семейства работают при напряжении питания 5.0 В, обеспечивая максимальную тактовую частоту Ft = 8 МГц. Некоторые модели работают при пониженном напряжении питания 3.0 В и даже 2.0 В.

Микроконтроллеры семейства 68HC08/908 делятся на ряд серий, буквенные обозначения которых указываются для каждой модели после имени семейства (например, 68HC08AZ32 - серия AZ, модель 32). Серии отличаются, в основном, составом периферийных модулей и областями применения. Все модели содержат 16-разрядные таймеры, имеющие 2, 4 или 6 комбинированных входов захвата/выходов совпадения. Большинство моделей содержит 8- или 10-разрядные АЦП.

В состав серий AB, AS, AZ входят микроконтроллеры общего назначения, которые обеспечивают расширенные возможности интерфейса с внешними устройствами благодаря наличию шести параллельных и двух последовательных портов (SCI, SPI). Модели серий BD, SR и GP имеют четыре параллельных порта. Ряд серий имеет специализированные последовательные порты, используемые для организации микроконтроллерных сетей. Это серия AS, обеспечивающая передачу данных по мультиплексной шине J1850, серия JB, имеющая интерфейс с последовательной шиной USB, серия AZ, содержащая контроллер сети CAN, серия BD, реализующая интерфейс I²C. Микроконтроллеры этих серий широко используются в промышленной автоматике, измерительной аппаратуре, системах автомобильной электроники, вычислительной технике.

Специализированные микроконтроллеры серии MR содержат 12-разрядные модули ШИМ с 6 выходными каналами. Они ориентированы на применение в системах управления электроприводом.
Микроконтроллеры RK и RF ориентированы на использование в радиотехнике.
Серии JB, JK, JL, KX выпускаются в дешевых корпусах с малым числом выводов. Микроконтроллеры этих серий имеют от 13 до 23 линий параллельного ввода-вывода данных. Они используются в бытовой аппаратуре и изделиях массового применения, где требование низкой стоимости является одним из первостепенных факторов.

В сериях QT, QY представлены модели, ориентированные на применение в малобюджетных проектах. Эти микроконтроллеры отличаются низкой стоимостью и выпускаются в компактных корпусах с малым числом выводов (8 или 16). Они имеют встроенный осциллятор, обеспечивающий формирование тактовой частоты с точностью 5%. Небольшой объем FLASH-памяти (до 4 Кбайт), наличие АЦП и таймера делают эти модели идеальными для построения несложных контроллеров распределенных систем мониторинга и управления.

Структура и функционирование микроконтроллеров 68HC08/908
Микроконтроллеры семейства 68HC08/908 имеют модульную структуру, где каждая модель формируется из библиотеки стандартных модулей взаимодействующих посредством стандартизованной шины. Путем объединения на кристалле процессорного модуля CPU08, модулей памяти (ОЗУ, масочное ПЗУ, FLASH, EEPROM) и ряда служебных, интерфейсных и периферийных модулей реализуются различные модели микроконтроллеров этого семейства (табл.1). В библиотеку стандартных модулей входят служебные модули: CGM08, SIM08, LVI08, IRQ08, BREAK08, COP08; интерфейсные модули: порты PTA - PTH, SCI08, SPI08, msCAN08, USB08, BDLC08, периферийные модули: TIM08, TBM08, PIT08, ADC08, PWM08, DMA08, KBI08. На рис.1 показана типовая структура микроконтроллеров семейства 68HC08/908.

Рис.1. Структура микроконтроллеров семейства 68HC08/908

Процессорный модуль CPU08, используемый в микроконтроллерах семейства 68HC08 является модифицированным вариантом процессора CPU05, который реализует значительно расширенный набор команд (90 команд вместо 65) и способов адресации (9 способов вместо 6). При этом модуль CPU08 реализует весь набор команд и способов адресации процессора CPU05, обеспечивая с ним полную программную совместимость.

Процессорный модуль CPU08 содержит 8-разрядные аккумулятор A и регистр признаков CCR, 16-разрядные индексный регистр H:X, указатель стека SP и программный счетчик PC. Регистровая модель CPU08 (рис.2) аналогична модели процессора CPU05, отличаясь от нее увеличенной разрядностью индексного регистра, PC и SP. Расширение их разрядности обеспечивает увеличение объема адресуемой памяти до 64 Кбайт (адреса $0000-FFFF). Для совместимости с семейством 68HC05/705 индексный регистр состоит из двух 8-разрядных частей: H (старший байт) и X (младший байт). Регистр CCR содержит значения признаков переноса (С), переполнения (V), нуля (Z), отрицательного результата (N) и переноса между тетрадами (H), устанавливаемых по результатам выполнения операции. Также CCR содержит бит маскирования прерываний I, при установке которого запрещается обслуживание маскируемых прерываний.

Рис.2. Регистровая модель микроконтроллеров семейства 68НС08/908

При запуске микроконтроллера (процедура RESET) в PC автоматически загружается адрес первой команды выполняемой программы (вектор начального запуска) из двух последних ячеек адресуемой памяти с адресами $FFFE-FFFF, а в SP автоматически загружается значение $00FF, обеспечивая возможность использования в качестве стека ячеек ОЗУ и регистров, имеющих адреса в диапазоне $0000-00FF.

Различные модели микроконтроллеров отличаются распределением памяти и составом адресуемых регистров. В качестве примера на рис.3 приведена карта памяти для младших моделей этого семейства - 68H(R)C908JK1 (объем FLASH-памяти 1536 байт) и 68H(R)C908JK3, JL3 (объем FLASH-памяти 4096 байт). В адресном пространстве имеется ряд неиспользуемых позиций, которые соответствуют ячейкам памяти, отсутствующим в данной модели микроконтроллеров. При обращении к этим адресам производится перезапуск микроконтроллера.

Объем и размещение в адресном пространстве основных сегментов памяти для наиболее популярных моделей семейства 68HC08/908 приведены в табл.2. Старшие модели микроконтроллеров 68HC908AS60, AZ60 имеют два сегмента FLASH-памяти: FLASH-1 объемом 32256 байт, который размещается в адресном проcтранстве $8000-FDFF, и FLASH-2, который состоит из двух (в модели 68908AS60) или трех (в модели 68908AZ60) отдельных массивов. Память EEPROM в этих моделях также состоит из двух сегментов по 512 байт: EEPROM-1 (адреса $0800-09FF) и EEPROM-2 (адреса $0600-07FF).

Табл.2. Карта памяти для микроконтроллеров семейства 68НС08/908

Младшие 64 или 80 (в старших моделях) адресов используются для обращения к регистрам периферийных модулей и регистрам конфигурации. Состав и количество этих регистров зависит от состава модулей, используемых в данной модели.

В адресном пространстве ОЗУ располагаются ячейки стека, которые адресуются с помощью указателя стека SP. При установке микроконтроллера в начальное состояние (запуске) содержимое SP принимает значение $00FF, адресуя ячейку ОЗУ с данным адресом. В процессе выполнения программы можно установить любое значение указателя стека с помощью команды TXS, которая загружает в SP содержимое индексного регистра H:X, уменьшенное на 1. После записи байта в стек содержимое SP уменьшается на 1, адресуя следующую незаполненную ячейку стека. Таким образом, стек заполняется в направлении уменьшения адресов. Адрес вершины стека можно загрузить в регистр H:X с помощью команды TSX.

Часть адресного пространства занята ячейками служебного ПЗУ, в котором содержится программа-монитор, реализующая необходимые процедуры при работе микроконтроллера в режиме отладки, обеспечивая возможность контроля его внутреннего состояния. Это масочно-программируемое ПЗУ, содержимое которого записывается в процессе изготовления микроконтроллера.

В старших позициях адресного пространства располагаются вектора начального запуска и прерываний. Старшие две позиций таблицы отведены под векторы начальной загрузки RESET и немаскируемого программного прерывания по команде SWI, а остальные распределяются между маскируемыми источниками прерываний. При переходе к обслуживанию прерываний в стеке автоматически сохраняется содержимое регистров PC, X, A, CCR, которое восстанавливается при возврате из подпрограммы обслуживания по команде RTI.

Разрешение обслуживания маскируемых прерываний осуществляется путем установки в 0 бита I в регистре CCR. К маскируемым источникам прерываний относятся: внешний сигнал прерывания на входе IRQ, прерывания от таймеров, прерывания от блоков последовательного интерфейса и от АЦП.
Микроконтроллеры семейства 68HC08/908 могут функционировать в одном из следующих режимов:

• рабочий режим,
  
• режим ожидания,
  
• режим останова,
  
• режим отладки.

• регистровая (операнд располагается в регистре A или X);
  
• индексная (адресом операнда служит содержимое регистра H:X);
  
• индексная со смещением (адрес операнда образуется путем сложения содержимого регистра H:X и 8- или 16-разрядного смещения, заданного во втором и третьем байте команды);
  
• индексная с пост-инкрементом (используется только в командах MOV и CBEQ - адресом операнда служит содержимое регистра H:X, которое после выполнения команды автоматически увеличивается на 1);
  
• индексная со смещением и пост-инкрементом (используется только в команде CBEQ - адрес операнда образуется путем сложения содержимого регистра H:X и 8-разрядного смещения, заданного во втором и третьем байте команды; после выполнения команды содержимое регистра H:X автоматически увеличивается на 1);
  
• индексная по указателю стека со смещением (адрес операнда образуется путем сложения содержимого регистра SP и 8- или 16-разрядного смещения, заданного во втором и третьем байте команды);
  
• прямая (8- или 16-разрядный адрес операнда задается во втором и третьем байте команды);
  
• непосредственная (8-разрядный операнд содержится во втором байте команды);
  
• относительная (используется только в командах ветвления - адрес команды образуется путем сложения текущего содержимого PC и заданного во втором байте команды 8-разрядного смещения, которое является числом со знаком).

Рис.3. Распределение адресного пространства для 68H(R)C908JK1, JK3, JL1.

• генератор тактовых импульсов CGM08 или OSC08,
  
• модуль системной интеграции SIM08,
  
• модуль контроля напряжения питания LVI08,
  
• модуль прерывания в контрольной точке BREAK08,
  
• сторожевой таймер COP08,
  

• параллельные 8-разрядные порты для ввода-вывода данных,
  
• асинхронный последовательный порт SCI08,
  
• синхронный последовательный порт SPI08,
  
• модуль msCAN08, реализующий интерфейс с шиной CAN,
  
• модуль USB08, реализующий интерфейс с шиной USB,
  
• модуль BDLC08, реализующий интерфейс J1850,
  
• модуль управления внешним прерыванием IRQ08,
  
• модуль контроля клавиатуры KBI08,
  
• модуль контроллера прямого доступа к памяти DMA08,
  
• 8-разрядный аналого-цифровой преобразователь ADC08,
  
• таймерный модуль TIM08,
  
• базовый таймер TBM08,
  
• таймер периодических прерываний PIT08,
  
• модуль широтно-импульсных модуляторов PWM08.

Рис.4. Внешний вид лабораторного стенда LabKit08