Микроконтроллеры семейства Zilog Z86

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ТАГАНРОГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра

РЕФЕРАТ

на тему:

«Микроконтроллеры семейства Z86 фирмы ZILOG»

Выполнил

студент группы Р-17 Семёнов И.В.

Проверил

ст. преподаватель кафедры Колпачёва

Л.А.

Таганрог 2000

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. Однокристальные микроконтроллеры семейства Z8

1.1. Описание семейства Z8

1.2. Архитектура микроконтроллеров Z8

1.2.1. Структурная схема микроконтроллеров

1.2.2. Адресное пространство микроконтроллеров

1.2.2.1. Адресное пространство регистрового файла

1.2.2.2. Адресное пространство памяти

1.2.2.3. Стек

1.2.3. Синхронизация

1.2.4. Сброс и сторожевой таймер

1.2.5. Порты ввода/вывода

1.2.6. Таймеры/счетчики

1.2.7. Прерывания

1.3. Система команд микроконтроллеров Z8

1.3.1. Способы адресации операндов

1.3.2. Флаги процессора

1.3.2.1. Флаг переноса C (Carry Flag)

1.3.2.2. Флаг нуля Z (Zero Flag)

1.3.2.3. Флаг знака S (Sign Flag)

1.3.2.4. Флаг переполнения V (Overflow Flag)

1.3.2.5. Флаг десятичной коррекции D (Decimal Adjust Flag)

1.3.2.6. Флаг полупереноса H (Half Carry Flag)

1.3.3. Набор команд

1.3.3.1. Описание системы команд

1.3.3.2. Условия ветвления программы

1.4. Конструктивное исполнение микроконтроллеров Z8

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

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

|Обозначение |ПЗУ |ОЗУ |Ввод/Вывод |Частота |Корпус |

|Микросхемы |Байт |байт |Бит |МГц(max) |к-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.

Таблица 1.2

Параметры структуры рис.1.1 для моделей микроконтроллеров Z8

|Модель |Узлы|Выв| | | | | |

| | |оды| | | | | |

| |T0 |T1 |SPI |Управление |Порт P0 |Порт P1 |Порт P3 |

| | | | | |76543210 | |76543210 |

|02 |- |* |- |- |*** |- |*** |

|03 |- |* |- |- |- |- |****** |

|04 |* |* |- |- |*** |- |*** |

|06 |* |* |* |- |- |- |****** |

|08 |* |* |- |- |*** |- |*** |

|31 |* |* |- |- |******** |- |******** |

|30 |* |* |- |- |******** |- |******** |

|40 |* |* |- |* |******** |* |******** |

Устройство ввода/вывода МК представлено 4 программируемыми портами. Кроме

того, на кристалле МК выполнен ряд периферийных устройств: 1-

таймера/счетчика, устройство управления прерываниями, 2 аналоговых

компаратора и последовательный интерфейс SPI (Serial Peripheral Interface).

Назначение выводов микроконтроллера понятно из рис.1 за исключением выводов

узла синхронизации и управления, функции которых пояснены ниже:

XTAL -выводы для подключения кварцевого или керамического резонатора, LC-

или RC-цепи;

/AS -выход строба адреса (Address Strobe);

/DS -выход строба данных (Data Strobe);

R//W -сигнал "Чтение//Запись"(Read//Write);

/RESET- вход сброса.

Примечание. Здесь и далее для сигналов с низким активным уровнем

используются два эквивалентных обозначения, например:

__

AS или /AS.

Физическое наличие определенных узлов и выводов в разных моделях МК

отмечено в табл.1.2 знаком "*".

1.2.2. Адресное пространство микроконтроллеров

Адресное пространство МК состоит из адресного пространства регистрового

файла и адресного пространства памяти. В адресное пространство регистрового

файла включены периферийные регистры, управляющие регистры, порты

ввода/вывода и регистры общего назначения (РОН). Последние образуют ОЗУ МК.

Адресное пространство памяти образовано ячейками внутренней и внешней

памяти программ для хранения программного кода и констант, а также ячейками

внешней памяти данных для хранения данных и размещения стека.

1.2.2.1. Адресное пространство регистрового файла

Регистровый файл состоит из стандартного регистрового файла (СРФ),

имеющегося во всех моделях МК, и расширенного регистрового файла (РРФ),

частично используемого в некоторых моделях МК для управления

дополнительными функциями.

Структура регистрового файла показана на рис 1.2.

СРФ состоит из 256 восьмибитных регистров с шестнадцатеричными адресами от

00H до FFH (здесь и далее H -суффикс шестнадцатеричной системы счисления).

Адресное пространство СРФ разделено на 16 рабочих групп регистров по 16

регистров в каждой. Рабочая группа 0 содержит регистры с адресами от 00H до

0FH, группа 1 -регистры с адресами от 10H до 1FH и т.д. Следовательно,

правомерно считать, что первая шестнадцатеричная цифра адреса соответствует

номеру рабочей группы регистров, а вторая -номеру регистра. На рис.1.2

выделены рабочие группы регистров СРФ с указанием адреса нулевого регистра

каждой группы в шестнадцатеричной системе счисления.

Рабочая группа регистров 0 -особая, она может замещаться группами регистров

из РРФ. РРФ содержит 16 расширенных групп регистров по 16 регистров в

каждой. На рис.1.2 указаны номера расширенных регистровых групп. Следует

отметить, что рабочая группа 0 СРФ совпадает с расширенной группой 0 РРФ.

Специальный регистр RP (Register Pointer -Указатель регистров), размещенный

в СРФ по адресу FDH (253), содержит два четырехбитных указателя,

определяющие текущие номера рабочей (старшая тетрада) и расширенной

(младшая тетрада) регистровых групп. Перезагрузкой регистра RP можно

оперативно изменять выбранные группы регистров. Старшая цифра указанного в

команде загрузки шестнадцатеричного числа будет определять номер рабочей

группы, а младшая -номер расширенной группы регистров.

Доступ к регистрам может осуществляться как с помощью полного восьмибитного

адреса, так и с помощью короткого четырехбитного адреса. В последнем случае

адрес определяет номер регистра в текущей рабочей группе. Если текущая

рабочая группа -0, то будет выбран соответствующий регистр из текущей

расширенной группы. В случае использования восьмибитного адреса 0XH (где X

-любая шестнадцатеричная цифра) выбирается регистр X текущей расширенной

регистровой группы, а адреса 1XH -FXH соответствуют регистрам СРФ. В

последнем случае исключение составляет рабочая группа регистров E (адреса

E0H -EFH), к которой нельзя обращаться с помощью восьмибитного адреса, т.к.

байтовый формат EXH зарезервирован разработчиками МК для команд с

укороченным адресом.

Разные модели МК имеют разные наборы физически доступных регистровых групп.

Для СРФ эти наборы показаны на рис.1.2 столбиковой диаграммой. Расширенная

группа регистров 0 (она же -рабочая группа регистров 0) имеется во всех

моделях МК. Расширенная группа регистров C имеется только в модели 06, а

расширенная группа регистров F имеется в моделях 03,06,30,31,40.

Незадействованные регистры расширенных групп 1 -F зарезервированы

разработчиками МК для дальнейших применений.

Рис. 1.2 Структура регистрового файла

Часть регистров СРФ имеет специальное назначение (управляющие и

периферийные регистры), остальная часть -регистры общего назначения -РОН

(General Purpose Register -GPR). Последние и образуют оперативное

запоминающее устройство (ОЗУ) МК. Регистры специального назначения

сосредоточены в рабочей группе F и в расширенной/рабочей группе 0. Все

задействованные регистры расширенных групп имеют специальное назначение. На

рис. 1.2 справа показаны все регистры специального назначения. Для каждого

регистра указаны шестнадцатеричный адрес и идентификатор, представляющий

аббревиатуру назначения регистра. В табл. 1.3 приведен полный перечень этих

регистров с указанием идентификатора, назначения на английском и русском

языках и характера операций доступа (R -чтение, W -запись).

Таблица 1.3

Регистры специального назначения

|Идентифик|Назначение | |Дост|

|атор | | |уп |

| |Английский |Русский | |

|SPL |Stack Pointer Low |Указатель стека - мл. байт |R/W |

| |Byte | | |

|SPH |Stack Pointer High |Указатель стека - ст. байт |R/W |

| |Byte | | |

|RP |Register Pointer |Указатель регистров |R/W |

|FLAGS |Program Control |Регистр флагов |R/W |

| |Flags | | |

|IMR |Interrupt Mask |Регистр маски прерываний |R/W |

| |Register | | |

|IRQ |Interrupt Request |Регистр запросов прерываний |R/W |

| |Register | | |

|IRP |Interrupt Priority |Регистр приоритета прерываний |W |

| |Register | | |

|P01M |Port 0-1 Mode |Регистр режима портов 0-1 |W |

| |Register | | |

|P3M |Port 3 Mode Register|Регистр режима порта 3 |W |

|P2M |Port 2 Mode Register|Регистр режима порта 2 |W |

|PRE0 |TO Prescaler |Предделитель ТО |W |

|TO |Timer/Counter TO |Таймер/Счетчик ТО |R/W |

|PRE1 |T1 Prescaler |Предделитель Т1 |W |

|T1 |Timer/Counter T1 |Таймер/Счетчик Т1 |R/W |

|TMR |Timer Mode Register |Регистр режимов таймеров |R/W |

|WDTMR |Watch Dog Timer Mode|Регистр режима сторожевого таймера |W |

| |Register | | |

|SMR |Stop-Mode Recovery |Регистр управления восстановлением |W* |

| |Register |из режима STOP | |

|PCON |Port Control |Регистр управления портами |W |

| |Register | | |

|SCON |SPI Control Register|Регистр управления последовательным|R/W |

| | |интерфейсом | |

|RxBUF |SPI Receive Buffer |Приемный буфер последовательного |R/W |

| | |интерфейса | |

|SCOMP |SPI Compare Register|Регистр сравнения последовательного|R/W |

| | |интерфейса | |

|P3 |Port 3 |Порт 3 |R/W |

|P2 |Port 2 |Порт 2 |R/W |

|P1 |Port 1 |Порт 1 |R/W |

|P0 |Port 0 |Порт 0 |R/W |

* Бит 7 регистра SMR - только для чтения.

Наборы регистров специального назначения для разных моделей МК приведены в

табл.1.4.

Таблица 1.4

Наборы регистров специального назначения

|Имя Регистра |Мо| | | | | | | |

| |де| | | | | | | |

| |ль| | | | | | | |

| |МК| | | | | | | |

| |02|03|04|06|08|31|30|40|

|SPL |+ |+ |+ |+ |+ |+ |+ |+ |

|SPH |* |* |* |* |* |* |* |+ |

|RP |+ |+ |+ |+ |+ |+ |+ |+ |

|FLAGS |+ |+ |+ |+ |+ |+ |+ |+ |

|IMR |+ |+ |+ |+ |+ |+ |+ |+ |

|IRQ |+ |+ |+ |+ |+ |+ |+ |+ |

|IPR |+ |+ |+ |+ |+ |+ |+ |+ |

|P01M |+ |+ |+ |+ |+ |+ |+ |+ |

|P3M |+ |+ |+ |+ |+ |+ |+ |+ |

|P2M |+ |+ |+ |+ |+ |+ |+ |+ |

|PRE0 |- |- |+ |+ |+ |+ |+ |+ |

|T0 |- |- |+ |+ |+ |+ |+ |+ |

|PRE1 |+ |+ |+ |+ |+ |+ |+ |+ |

|T1 |+ |+ |+ |+ |+ |+ |+ |+ |

|TMR |+ |+ |+ |+ |+ |+ |+ |+ |

|WDTMR |- |+ |- |+ |- |+ |+ |+ |

|SMR |- |+ |- |+ |- |+ |+ |+ |

|PCON |- |+ |- |+ |- |+ |+ |+ |

|SCON |- |- |- |+ |- |- |- |- |

|RxBUF |- |- |- |+ |- |- |- |- |

|SCOMP |- |- |- |+ |- |- |- |- |

|P3 |+ |+ |+ |+ |+ |+ |+ |+ |

|P2 |+ |+ |+ |+ |+ |+ |+ |+ |

|P1 |- |- |- |- |- |- |- |+ |

|P0 |+ |- |+ |- |+ |+ |+ |+ |

Примечания: 1.Наличие регистра отмечено знаком "+".

2.Регистр SPH во всех моделях, кроме 40, используется как

регистр общего назначения GPR (отмечено знаком "*").