基于IP設(shè)計的8位SoC微微器ET44M210

關(guān)鍵詞：IP SoC ET44M210芯片設(shè)計 可重用程序設(shè)計

1 概述

當(dāng)前，使用8位單片機作為控制核心的應(yīng)用仍然是主流。主要原因是，有相當(dāng)數(shù)量的應(yīng)用項目只需要使用8位單片機就完全能滿足技術(shù)要求。8位單片機的低成本、易開發(fā)、技術(shù)資源豐富等優(yōu)點，使得其它高位單片機無法與其匹配，因此，無論是芯片制造商還是系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)人員，對8位單片機的現(xiàn)狀和發(fā)展都給予了極大的關(guān)注。

8位嵌入式微處理器發(fā)展的一個重要特點是片上系統(tǒng)SoC(System on Chip)化。SoC化的技術(shù)含義就是在一個芯片上廣泛使用知識產(chǎn)權(quán)IP（Intellectual Property），從而加速了嵌入式系統(tǒng)的研制和開發(fā)過程。從設(shè)計上來說，SoC是一個通用設(shè)計復(fù)用達(dá)到高生產(chǎn)率的軟、硬件協(xié)同設(shè)計；從方法學(xué)的角度來說，SoC在開發(fā)工具和程序設(shè)計方面作了許多突出的改進(jìn)，例如IP核可重用設(shè)計、規(guī)范化的接口及測試方法、內(nèi)置嵌入式操作系統(tǒng)等。這些改進(jìn)為8位嵌入式微處理器的深入應(yīng)用開辟了更為廣泛的前景。綜合有關(guān)文獻(xiàn)，8位嵌入式微處理器研制技術(shù)的發(fā)展特點如圖1所示。

SoC嵌入式系統(tǒng)從真正意義上實現(xiàn)了所謂“片上系統(tǒng)”，即芯片級的系統(tǒng)應(yīng)用。一個嵌入式微處理器芯片可以包含若干個知識產(chǎn)權(quán)IP模塊，用戶可以根據(jù)需求選用某種型號的芯片或向制造廠商定制。長期以來，嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)一直落后于硬件技術(shù)的發(fā)展，是阻撓嵌入式系統(tǒng)快速發(fā)展的一個“瓶頸”。解決這一問題的重要途徑就是使用“可重用”的IP模塊程序IPP（Intellectual Property Program），它可以極大地加速軟件的開發(fā)過程。這一方法有望可以使得嵌入系統(tǒng)應(yīng)用程序的開發(fā)變得簡單、方便和快捷。

繼JTAG接口之后，一種使用USB接口的“仿真+實驗?zāi)０濉睂崿F(xiàn)全仿真的開發(fā)方式，引起業(yè)界的越大關(guān)注。使用這種開發(fā)工具，只需要花費幾百元錢就可以得到全功能的仿真操作和程序代碼寫入工具。這種廉價而又高質(zhì)量的開發(fā)方式，無疑將對嵌入式微處理器的普及和推廣產(chǎn)生巨大的影響。本文介紹的ET44M210芯片是一款低價格、高性能、采用CMOS工藝制造、具有RISC架構(gòu)的8位微控制器芯片。芯片采用SMA封裝，引腳數(shù)為100，由臺灣義統(tǒng)電子股份有限公司（Etoms Electronics Corp.）設(shè)計生產(chǎn)。ET44M210的設(shè)計充分體現(xiàn)了當(dāng)今SoC化產(chǎn)品的特征，在IP模塊、開發(fā)工具和程序設(shè)計方面頗具特色。

2 ET44M210芯片的IP模塊

ET44M210芯片包含有10個IP模塊，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

微控制器MCU

MCU是ET44M210芯片的核心。它的工作電壓范圍為2.2V～3.6V DC,工作頻率范圍為0Hz～48MHz。該芯片采用RISC指令架構(gòu)，有直接、間接和相對三種尋址方式，除了條件轉(zhuǎn)移指令是雙字節(jié)以外，其它所有指令均為單字節(jié)；具有上電復(fù)位、看門狗、密碼保護(hù)等功能；共有20個中斷源，16層堆棧；采用CMOS工藝制造，具有低功耗特點，典型工作電流為1.5mA(使用6MHz晶振、工作電壓3.V時)，待機時的工作電流僅為1μA。

鎖相振蕩環(huán)PLL

外部晶振為6MHz，可編程產(chǎn)生6、12、24和48MHz的時鐘信號，提供給其它各IP模塊使用。通過對有關(guān)寄存器的設(shè)置，可以選用“休眠”、“綠色”或“普通”系統(tǒng)時鐘模式。

存儲器ROM/RAM

程序存儲器ROM是雙字節(jié)的。程序計數(shù)器PC（Program Counter）是14位的，因此總共有16K的容量分為2個頁面，每個頁面為8K。源地址從0x0000起始，從0x10開始到0xA8用來存放中斷服務(wù)程序的程序段，一共可以響應(yīng)20個中斷，每個程序段為8個字節(jié)。系統(tǒng)對各功能模塊的響應(yīng)使用統(tǒng)一的中斷方式，因此極大地提高了芯片的工作效率，并使得程序的編制變得非常容易和清晰。ET44M210芯片ROM的內(nèi)容可以重復(fù)改寫。

ET44M210芯片的數(shù)據(jù)存儲器RAM是單字節(jié)的靜態(tài)存儲器，總共有1321個，全部可以作為寄存器使用。在這些寄存器中有相當(dāng)一部分已經(jīng)賦予了特定的功能。如果這些功能進(jìn)行分類，可以分為：通用寄存器、系統(tǒng)控制/初始化寄存器、特殊功能寄存器、USB控制/狀態(tài)寄存器、無線調(diào)制解調(diào)器控制/狀態(tài)寄存器/SPI控制/狀態(tài)寄存器/定時器/計數(shù)器和I/O狀態(tài)/控制寄存器等。ET44M210芯片所有功能的實現(xiàn)都是通過這些寄存器的設(shè)置來實現(xiàn)的。

輸入輸出I/O接口

芯片最多可以有42個I/O引腳，通過有關(guān)寄存器的設(shè)置可以定義輸入、輸出、上拉電阻選用、開路輸出選用和按鍵喚醒選擇等。

定時器/計數(shù)器

除了通常的帶預(yù)除器的8位計數(shù)器外，還有一個16位的“長時計數(shù)器”（FRC，F(xiàn)ree Run Counter），可以很方便地實現(xiàn)長時間定時或大容量計數(shù)。

脈寬調(diào)制輸出PWM

芯片有2個脈沖寬度調(diào)制輸出端，調(diào)制精度為16位，即脈沖寬度調(diào)制的最小量是脈沖周期的1/65536。

模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換ADC

16通道、10位轉(zhuǎn)換精度，提供內(nèi)部3V標(biāo)準(zhǔn)參考電壓。使用6MHz時鐘源泉時的最快轉(zhuǎn)換時間為4μs。

同步串行外圍接口SPI

主/從通信模式均可選用，MSB和LBS的傳輸順序可選。

通用串行總線集線器（USB HUB）

含內(nèi)置式、可進(jìn)行1點對3點通信的USB集線器，符合USB1.1標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)上傳速度為12Mbps，下行速度為12Mbps。5V電源可由PC計算機USB接口提供。

無線射頻調(diào)制解調(diào)器Wieless/RF Modem

通信頻率為2.4GHz，可連接到RF102調(diào)制解調(diào)器的并行接口端，帶CRC校驗。無線傳輸距離≤10m。

3 ET44M210芯片的開發(fā)工具

ET_USBICE仿真軟件ET44M210芯片采用“USB接口仿真+實驗?zāi)０濉弊鳛橛布_發(fā)工具，如圖3所示。

開發(fā)板的前半部分是仿真模板，在其上有一個ET44M210芯片，內(nèi)部固化了仿真程序。仿真模板通過板上的USB接口與PC機進(jìn)行通信，在仿真軟件的配合下構(gòu)成一個低成本，高性能的在線仿真器ICE和寫入器。

開發(fā)板的后半部分是實驗?zāi)０?，在其上也是一個ET44M210芯片，用戶通過實驗?zāi)０暹M(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)和模擬實驗。實驗?zāi)０迳嫌?個USB接口，供用戶開展USB應(yīng)用實驗使用。仿真模板的前端可外接1個WM通信模板，為開展WM通信實驗使用。實驗板上還有1個48引腳的插座，可供連接I/O接口、ADC、PWM、SPI等使用。

ET44M210芯片采用ET_USBICE仿真軟件作為軟件開發(fā)工具，如圖4所示。

ET_USBICE仿真軟件使用USB接口與PC計算機進(jìn)行通信。軟件具有標(biāo)準(zhǔn)的通用仿真軟件界面和工程導(dǎo)向管理功能，適用于Windows98/2000/XP等多種操作系統(tǒng)，可以很方便地對源程序進(jìn)行編寫、編譯、偵錯、仿真運行、代碼生成、寫入等全過程。

4 ET44M210芯片的程序設(shè)計

ET44M210芯片的程序設(shè)計有如下幾個特點。

（1）匯編過程可以使用宏定義頭文件（Head File）

ET44M210芯片中的各知識產(chǎn)權(quán)IP的功能選擇是通過寄存器內(nèi)容設(shè)置來完成的。知識產(chǎn)權(quán)功能設(shè)置寄存器多達(dá)數(shù)百個，為了使用方便，設(shè)計廠商為每個寄存器以及相應(yīng)的位制定了一個特定的名稱。在為這些名稱建立了相應(yīng)的名稱-地址宏定義以后，用戶在設(shè)置豁口內(nèi)容時就不再需要使用地址，只需要直接使用寄存器及其相應(yīng)的位的名稱就可以了。所有關(guān)于寄存器及其位的名稱-地址宏定義都被放入一個以H為后綴名的頭文件中。ET_USBICE仿真軟件的編譯器可以接受類似C語言中所使用的頭文件，這樣做不僅為程序設(shè)計帶來了極大的方便，同時也使程序設(shè)計實現(xiàn)了統(tǒng)一和規(guī)范。廠商提供的包含所有寄存器名稱宏定義的頭文件是ET44M210_REG.H。

（2）智能模塊采用統(tǒng)一的中斷工作方式

ET44M210芯片提供了多種特色知識產(chǎn)權(quán)，如USB通信接口、無線調(diào)制解調(diào)器WM等，還提供了許多流行的知識產(chǎn)權(quán)，如ADC、SPI、PWM等，所有這些知識產(chǎn)權(quán)的響應(yīng)都是通過中斷工作方式來實現(xiàn)的。ET44M210將ROM存儲器的0x10～0xA8的區(qū)域作為20個中斷響應(yīng)入口，在使用時通過對有關(guān)的中斷控制寄存器的設(shè)置控制優(yōu)先級，這樣很方便地就可以實現(xiàn)多知識產(chǎn)權(quán)工作的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一。

（3）可重用知識產(chǎn)權(quán)模塊程序IPP

由于ET44M210芯片在設(shè)計時采用了IP核可重用設(shè)計和規(guī)范化的接口，因此對于同一系列的不同芯片，知識產(chǎn)權(quán)應(yīng)用程序可以重用。用戶只需要對功能模塊的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行安排，無需從頭開始，可以極大地提高程序設(shè)計效率。

圖4

設(shè)計廠商提供了各知識產(chǎn)權(quán)的功能演示程序。通過演示程序，用戶一方面可以學(xué)習(xí)功能模塊程序的應(yīng)用方法另一方面也可以將功能模塊的演示程序移植到用戶實際的應(yīng)用程序中，大大加快了程序設(shè)計的進(jìn)度。

（4）支持C高級語言編程

ET_USBICE仿真軟件提供C高級語言編譯器，支持使用臺灣義隆電子系統(tǒng)有限公司所定義的C語言標(biāo)準(zhǔn)編寫源程序。

結(jié)語

8位嵌入式微處理器芯片正在向SoC化發(fā)展，通過設(shè)計重用和硬、軟件協(xié)同設(shè)計的方法達(dá)到高效率。ET44M210芯片正是這種SoC化發(fā)展的一個范例。該芯片具有多個知識產(chǎn)權(quán)，最為突出的是有1個符合USB1.1協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的USB集線器和1個2.4GHz的高頻無線調(diào)制解調(diào)器。ET44M210采用獨特的“仿真+實驗?zāi)K”開發(fā)方式，價格低、性能好，可以完全達(dá)到硬件在線仿真器ICE的功能。在程序設(shè)計中采用匯編宏定義頭文件和可得用知識產(chǎn)權(quán)，使得嵌入系統(tǒng)應(yīng)用程序的開發(fā)變得簡單、方便和快捷。