第二章 EM78系列单片机硬件结构

第二章EM78系列单片机硬件结构EM78系列单片机是采用低功耗、高速CMOS工艺制造的8位单片机，本章将以EM78X56（包括EM78156、EM78256、EM78456）为例来讲述EM78系列单片机的内部结构、存贮器、中断、I/O、看门狗、振荡器和电压检测器等特点。2.1.主要功能特点·采用8位数据总线和13位指令总线独立分离的Harvard结构设计。·采用RISC指令集，共有57条单字节指令，其中99%为单周期指令（对程序计数器PC指针进行写操作除外）。·1K～4KX13的程序存贮器（有OTP和掩膜二个版本）。·48个通用数据寄存器可直接寻址使用。·14个特殊功能寄存器。·具有一个结构选择寄存器用于设置振荡器的工作方式等。·具有五级堆栈令程序嵌套更自由。·两个双向三态I/O口，12个I/O线，可分别设置为上拉、下拉或集电极开路等。·具有三个硬件中断和一个软件中断。·两种工作模式：正常工作模式2mA/5V休眠模式1μA/5V(可由I/O唤醒)·具有R-OPTION功能，即用电阻的上拉、下拉来选择内部程序的执行。·一个带8位预置器的8位定时/计数器，一个看门狗定时器（WDT）。·采用先进的加密方法保证用户代码不被读出。·工作电压：2.5～5.5V工作频率DC～36MHZ、工作温度0℃～70℃。2.2.EM78X56型号分类、命名方法及管脚功能说明2.2.1.型号分类(表2.1)：型号ROM（Bit）RAM（Byte）I/O最短指令周期EM781561KX135612111nsEM782562KX135612111nsEM784564KX135612111ns2.2.2.命名方法:EM78P156AP封装形式P-DIPM-SOICS-SSOP内置电压检测功能A-有B-无类型名P：OTP；没有“P”为MASK版本单片机系列号EMC公司字头2.2.3.EM78X56管脚功能描述图2.1EM78156管脚图(EM78256和EM78456管脚同上)管脚名称I/O功能PIC16C54/56对应管脚名P50～P53I/0P50～P53为双向I/O口,P50、P51同时为R-Option功能脚，P50～52能通过软件设置为下拉RAO～RA3P60～P67I/OP60～P67为双向I/O口，可通过软件设置为上拉或开路输出；另外，P60～63可设为下拉RBO～RB7INT0I/O外部中断输入脚，下降沿触发中断（P60）无OSCIIXTAL型：晶体振荡器或外部时钟输入脚RC型：RC振荡器输入脚OSC1OSCOI/OXTAL型：晶体振荡器输出脚或外部时钟OSC2输入脚。RC型：输出一个指令周期的时钟信号RESETI施密特触发输入脚，当该脚保持低电平时，单片机复位MCLRTCCI实时时钟/计数器输入脚，施密特触发，当该脚不用时，必须接地或VCCRTCCVDD——电源VDDVSS——地VSS表2.2EM78X56管脚功能描述2.3.EM78内部结构框图EM78X56在片内集成了一个8位算术运算单元ALU和工作寄存器ACC、1K～4KROM、56个RAM、12个I/O口，8位预置器（Prescaler）及8位计数器（TCC）、振荡器、看门狗、五级堆栈、中断控制器、指令寄存器、译码器和其它一些寄存器等。内部框图如图2.2所示：EM78系列单片机采用8位数据/控制总线和13位指令总线独立分离的Harvard结构，流水线指令，即当一条指令在执行中，下一条指令已被从ROM取出放在指令寄存器等待执行，如此EM78系列几乎全部为单周期指令，执行速度更快。EM78系列数据存贮器均可视为寄存器来寻址编程，分工作寄存器和特殊功能寄存器二大类,2.5节将详细讲述寄存器的使用方法。图2.2EM78X56内部功能框图2.4.程序存储器和堆栈2.4.1.程序存储器EM78X56内部程序存储器和堆栈示意图如下:图2.3程序存储器结构框图PC指针(寄存器R2)和堆栈的位数依照型号EM78156、EM78256、EM78456分别是10位、11位、12位，即寻地空间分别为1K、2K和4K，一个程序页面为1K。页面选择通过设定状态寄存器R3的Bit6（PS1）.Bit5(PS0)来完成，内容下表(表2.3)所示:PS1（R3.6）PSO（R3.5）程序页面地址000页[000-3FF]EM78X56没有PS1、PS0011页[400-7FF]EM78256/456112页[800-BFF]EM78256/456113页[C00-FFF]EM78456·对EM78156μPS1、PS0位为通用读/写位·对EM78256μPS1为通用读/写位EM78X56可在同一页面内直接跳转(JMP)和调用子程序(CALL)，即JMP时装入目标地址至PC的低10位,CALL时装入目标地址至PC的低10位,且PC+1压栈,调用同1K页面内的任何程序。在EM78256/EM78456中，当需要跳转或调用不同页面的子程序时，则须在调用前将修改R3的PS0/PS1、PS0，执行JMP或CALL后将状态寄存器R3的PS0/PS1、PS0载入PC的A10/A11、A10。有一情况需特别注意：对PC（R2）进行直接操作指令如“MOVR2、A”、“ADDR2、A”、“BCR2，0”都将导致PC之第9及第10位（A9、A8）被清零，因此此类情况产生的任何跳转都限定在同一页面的前256个地址（查表指令的使用均在此限制内）2.4.2.堆栈EM78X56有五级堆栈,遵循后入先出的原则实现程序多至五级嵌套调用.通常堆栈使用如下:当CALL和中断响应时PC+1压栈;当子程序或中断返回,执行RET、RETL(带参数返回)、RETI(中断返回),将栈顶值(栈1)弹回程序计数器PC、同时将堆栈2的值拷贝到堆栈1，堆栈3的值拷贝到堆栈2，以此类推。要注意的是RET、RETL、RETI指令并没有改变R3中的PS0～PS1位便返回到原来调用程序的页面,所以当从一次跨页的子程序调用返回时,一定要用指令恢复R3中原先的PS0、PS1值。2.5.数据存储器RAM结构EM78X56的数据存储器分工作寄存器、特殊功能寄存器和一般通用寄存器三大类,如图2.4所示:2.5.1.工作寄存器1.R0间接寻址寄存器RO并非一个实际工作的寄存器，只作为间接寻址用。任何对RO进行操作的指令，实际上是存取由RAM选择寄存器R4所指定的RAM内容。2.R1（TCC）此寄存器为8位定时/计数器，可由程序进行读/写操作。它用于对外加在TCC脚上的脉冲进行计数，或对内部时钟计数。3.R2（程序计数器PC）和堆栈·在复位情况下，R2被清零，地址指向OOOH·对R2进行写操作的指令一定需要二个指令周期，其它有关R2和堆栈的内容§2.4中所述.图2.4RAM结构图4．R3状态寄存器（STATUS）如下表所示，R3包括ALU运算标志、页面标志、复位状态等76543210GPPS1PS0TPZDCCBit0(C):进位标志Bit1(DC):辅助进位标志Bit2(Z)：零标志，当一算术或逻辑运算结果为“0”时，则置该位为“1”Bit3(P):掉电模式位。当系统上电时或执行“WDTC”指令后，置该位为“1”；当执行“SLEP”指令后，该位被置“0”。Bit4(T):超时位，当系统上电或执行“SLEP”和“WDTC”指令时，置位为“1”；当WDT溢出时置位为“0”Bit5(PSO)页面选择低位Bit6(PS1)页面选择高位通过P、T位来判断复位产生的原因如表2.4所示:TP复位产生原因OOWDT溢出唤醒SLEEPO*P工作模式时WDT溢出10脚位变化唤醒SLEEP11系统上电*P*P工作模式复位影响T/P的事件如下表2.5所示:文件TPWDTC指令11WDTC溢出0*PSLEP指令10脚位变化唤醒11*P：指复位前的值GP：一般用途的读/写位5.R4RAM选择寄存器（RSR）在间接寻址模式里，Bit0-5用来选择寄存器（地址：00-06、OF-3F）例如MOVA，@0x10MOVR4,AMOVA,@0x11MOVR0,A;R10=11H其结果是将16进制的“11”值送入由R4指的“10”单元中。·Bit6～7未使用·未作间接寻址时，R4可作6位宽度的可读/写通用寄存器.6.R5～R6（口5～口6）：分别为口5、口6的输入/输出寄存器，EM78将I/O映射为寄存器来操作，R6为8位，R5仅有低4位有效。7．RF中断状态寄存器76543210—————EXIFICIFTCIF·“1”表明有中断请求，“0”表明没有中断请求Bit0(TCIF):TCC计数器1溢出中断标志位；当TCC计数器1溢出时置“1”，可由软件清零。Bit1(ICIF):口6输入变化中断标志位，当口6输入变化时置“1”，可由软件清零。Bit2(EXIF):外部中断标志位。当INT脚有下降沿触发时置“1”，可用软件清零。Bit3～7:未使用·RF可用软件清零，但不能被置“1”·IOCF为中断屏蔽寄存器，通过指令读取RF值，此时结果值为RF和IOCF相与的结果8．R10～R3F·R10～R3F为48X8位一般通用寄存器。2.5.2.特殊功能寄存器EM78X56的特殊功能寄存器主要包括累加器．控制寄存器和WDT预分频器。1．累加器A内部数据传输或指令运算单元，属不可寻址单元。2．控制寄存器控制寄存器是用来控制I/O的工作状态、中断控制、看门狗控制等，它们的寄存器地址如图2.4,其读写只能采用指令I0RR或IOWR来完成。（1）CONT（控制寄存器）76543210—INTTSTEPABPSR2PSR1PRR0Bit0(PSR0)～Bit2(PSR2)TCC/WDT预分频系数位PSR2PSR1PSR0TCC分频系数WDT分频系数0001∶21∶10011∶41∶20101∶81∶40111∶161∶81001∶321∶161011∶641∶321101∶1281∶641111∶2561∶128Bit3(PAB)预分频器分配位0:分配给TCC1:分配给WDTBit4(TE)TCC信号触发源位0:TCC脚信号低到高触发1:TCC脚信号高到低触发Bit5(TS)TCC信号源0:内部指令周期时钟1:TCC脚输入的外部信号Bit6(INT)中断使能标志位0：由DISI或硬件中断产生时屏蔽中断1：ENI或RETI指令开中断Bit7没有使用·CONT寄存器是可读/写的（2）IOC5～IOC6(I/6口控制寄存器)IOC5、IOC6分别为口5、口6控制寄存器，按位将IOC5、IOC6设为“1”时表示该脚没为输入（高阻抗）、设为“0”时表示该脚为输出。IOC5只有低四位可用。IOC5、ICO6为可读写的。(3)IOCB(下拉控制寄存器)76543210/PD7/PD6/PD5/PD4――/PD2/PD1/PD0Bit0(/PD0):使能P50引脚的下拉电阻控制位0:使能内部下拉电阻功能1:关闭内部下拉电阻功能Bit1(/PD1):使能P51引脚的下拉电阻控制位Bit2(/PD2):使能P52引脚的下拉电阻控制位Bit3:未使用Bit4(/PD4):使能P60引脚的下拉电阻控制位Bit5(/PD5):使能P61引脚的下拉电阻控制位Bit6(/PD6):使能P62引脚的下拉电阻控制位Bit7(/PD7):使能P63引脚的下拉电阻控制位(4)IOCC（集电极开路控制寄存器）765432100D70D60D50D40D30D20D10D0Bit0(0D0)使能P60脚集电极开路控制位0：关闭集电极开路功能1：使能集电极开路功能Bit1～Bit7(0D1～0D7):分别使能P61～P67脚集电极开路功能。IOCC为可读写寄存器（5）IOCD上拉控制寄存器76543210/PH7/PH6/PH5/PH4/PH3/PH2/PH1/PH0Bito(PH0)使能P60脚内部上拉电阻控制位0：允许内部上拉1：禁止内部上拉Bit1～Bit7(/PH1～/PH7)分别使能P61～P67脚内部上拉电阻控制器*IOCD为可读写寄存器（6）IOCEWTD控制寄存器7