內(nèi)含CalmRISC CPU的８位單片機(jī)S3CK215及其應(yīng)用

摘要：C3CK215是韓國三星公司生產(chǎn)的8-bit單片機(jī)芯片，它使用CamRISC CPU作為核心，同時(shí)整合了LCD控制驅(qū)動(dòng)器、放大器以及A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等功能單元。文中介紹了S3CK215的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，給出了S3CK215在校音器設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：CalmRISC;校音器;S3CK215 1 概述 S3CK215是韓國三星公司生產(chǎn)的一種高性能微控制器，它采用三星公司新開發(fā)的8-bit CPUccCalmRISC作為核心。該芯片不僅包括有ROM、RAM、定時(shí)器、I/O接口以及中斷控制單元等模塊，還整合了LCD控制驅(qū)動(dòng)器、放大器以及A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等非常有用的功能單元(比如LCD控制驅(qū)動(dòng)器可以直接驅(qū)動(dòng)高達(dá)120個(gè)點(diǎn)的LCD顯示屏)。由于這些單元拓展了該單片機(jī)的功能，因此，使用該單片機(jī)設(shè)計(jì)電路時(shí)，只需附加簡單的外部電路就可以構(gòu)成一個(gè)完整的單片機(jī)系統(tǒng)，而且功耗低、體積小、系統(tǒng)可靠性高。此外，三星公司還為S3CK215的應(yīng)用提供了一套有效的開發(fā)工具和在線仿真器，從而方便了設(shè)計(jì)者基于S3CK215的軟硬件設(shè)計(jì)。 本文介紹了使用S3CK215設(shè)計(jì)的校音器電路。該校音器在采集到樂器所產(chǎn)生的聲音信號(hào)后，可計(jì)算出聲音頻率，同時(shí)顯示其與理想頻率的偏差，然后以此作為樂器調(diào)整的依據(jù)，使之發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)聲音。 圖1 2　S3CK215介紹 圖1是S3CK215的內(nèi)部結(jié)構(gòu)模塊圖。從圖1可以看出，該單片機(jī)具有以下特點(diǎn)： ●使用CalmRISC作為中央處理單元; ●內(nèi)含八位乘法器; ●具有深度達(dá)16級(jí)的硬件堆棧，每級(jí)寬度為16-bit; ●帶有LCD驅(qū)動(dòng)控制器; ●具有10-bit A/D轉(zhuǎn)換器和9-bit D/A轉(zhuǎn)換器; ●內(nèi)含兩個(gè)運(yùn)算放大器。 2.1 CalmRISC處理器 CalmRISC是三星公司新開發(fā)的一種8-bit低功耗RISC微處理器，它滿足哈佛體系結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其指令和數(shù)據(jù)可以通過各自的路徑同時(shí)進(jìn)行訪問。 CalmRISC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括一個(gè)8-bit ALU、16個(gè)通用寄存器、11個(gè)專用寄存器、16級(jí)硬件堆棧以及程序存儲(chǔ)器地址生成單元以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址生成單元等。其中16個(gè)通用寄存器分為四組(Bank 0-Bank 3),每組包括四個(gè)8-bit寄存器(R0, R1, R2, R3)。而專用寄存器包括狀態(tài)寄存器、鏈接寄存器以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器索引寄存器。CalmRISC中的16級(jí)硬件堆棧除了可以作為數(shù)據(jù)暫存空間外，還可以用來進(jìn)行低功耗堆棧操作。

CalmRISC具有三級(jí)流水線。圖2所示是Calm-RISC處理器的三級(jí)流水線示意圖。對(duì)CalmRISC的操作可采用寄存器-存儲(chǔ)器指令集方式。操作時(shí)首先取指令(IF)并將程序計(jì)數(shù)器(PC)指向指令地址，接著將指令放入指令寄存器(IR)，然后進(jìn)行指令譯碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀取(ID/MEM)，同時(shí)執(zhí)行指令和回寫(EXE/WB)，最后由ALU來執(zhí)行指令并將指令執(zhí)行結(jié)果寫入目標(biāo)寄存器。 CalmRISC采用流水線工作的示意圖如圖3所示。圖中，前一指令獲取完畢后馬上可以進(jìn)行下一指令的取指操作，而不必等到前一指令執(zhí)行完畢。實(shí)際上，大多數(shù)CalmRISC指令都是單字節(jié)指令，取指操作只需一個(gè)時(shí)鐘周期即可完成;但是 “CALL”和“JP”等跳轉(zhuǎn)指令是雙字節(jié)指令，它們的取指操作需要兩個(gè)時(shí)鐘周期。 2.2 8位乘法器 S3CK215整合了一個(gè)8-bit乘法器，通過設(shè)置乘法器控制寄存器(MULCON)可支持8-bit符號(hào)數(shù)或無符號(hào)數(shù)的乘法運(yùn)算，而且只需兩個(gè)時(shí)鐘周期即可輸出運(yùn)算結(jié)果。它的組成包括操作數(shù)寄存器(MXINPMYINP)、結(jié)果寄存器(MRHMRL)和8-bit乘法運(yùn)算器。調(diào)用乘法器實(shí)現(xiàn)乘法的程序段如下： LD R0,#01H LD MULCON,RO ; Unsigned by unsigned multiplication LD R0,#32H LD R1,#0CEH LD MXINP,R0 LD MYINP,R1 ;Multiply automatically after loading MXINPMYINP NOP NOP LD R2,MRH ;The multiplication is finished after 2 cycles LD R3,MRL ;MRH/MRL=28H/3CH 2.3 運(yùn)算放大器 S3CK215中有兩個(gè)運(yùn)算放大器，MIC放大器和濾波放大器，一個(gè)用于從輸入信號(hào)中濾除噪聲以提高信號(hào)的信噪比，另一個(gè)用于輸入信號(hào)的放大，以便進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)處理。當(dāng)然這些放大器可以根據(jù)用戶需要自行定義它們的用途。實(shí)際上，該放大器模塊包括濾波放大器、MIC放大器、放大器控制寄存器以及參考電壓產(chǎn)生器。 圖4 2.4 A/D和D/A轉(zhuǎn)換器 S3CK215內(nèi)部整合了10-bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)和9-bit數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A。其中，A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換過程需要50個(gè)時(shí)鐘周期。模擬信號(hào)輸入端口是與I/O Port2(8-bit I/O端口)復(fù)用的，通過Port2的控制寄存器(P2CONHP2CONL)可確定Port2是否用于A/D轉(zhuǎn)換器的模擬信號(hào)輸入，而通過A/D轉(zhuǎn)換器的控制寄存器(ADCON)可控制選擇器以確定Port2的哪一位作為A/D輸入端口。輸入信號(hào)的模擬電平值應(yīng)在AVREF和AVSS之間。 9-bit D/A轉(zhuǎn)換器的主體為R-2R陣列結(jié)構(gòu)，它由R-2R陣列結(jié)構(gòu)、D/A控制寄存器、D/A數(shù)據(jù)寄存器、D/A輸出端口等組成。 3　S3CK215在校音器中的應(yīng)用 S3CK215單片機(jī)在校音器中的應(yīng)用電路如圖4所示。由圖可見，使用S3CK215只需要設(shè)計(jì)簡單的電路即可實(shí)現(xiàn)所需功能。首先通過MIC采集聲音模擬信號(hào)，并使用片內(nèi)運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)濾波和放大;接著通過A/D轉(zhuǎn)換器得到數(shù)字信號(hào)并對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理以得到聲音信號(hào)的頻率信息，同時(shí)將其轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的音名音階及音分值，最后通過片內(nèi)LCD控制驅(qū)動(dòng)器將結(jié)果輸出到LCD進(jìn)行顯示。 此電路設(shè)計(jì)充分利用了S3CK215提供的片內(nèi)特殊功能模塊，它可將以往需要在片外實(shí)現(xiàn)的信號(hào)放大及A/D轉(zhuǎn)換移到片內(nèi)來實(shí)現(xiàn)，因而大大簡化了電路的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)集成度，降低了功耗，同時(shí)也使系統(tǒng)更加穩(wěn)定并利于維護(hù)。

圖5給出了該校音器的軟件設(shè)計(jì)流程圖。該軟件采用中斷來進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣因而大大簡化了程序設(shè)計(jì)。具體方法是在主程序初始化后，根據(jù)數(shù)據(jù)采樣率再設(shè)置定時(shí)器并由定時(shí)器產(chǎn)生內(nèi)部中斷，接著在中斷處理程序中讀取輸入端口以作為數(shù)據(jù)采樣值，并在獲得足夠的采樣點(diǎn)后，關(guān)閉中斷以返回主程序，然后由主程序進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)的處理，最后將有效的處理結(jié)果在LCD上顯示輸出。 4　結(jié)束語 筆者用S3CK215模擬器實(shí)現(xiàn)的校音器系統(tǒng)經(jīng)實(shí)際測試得到了比較好的效果。實(shí)際使用證明，基于S3CK215芯片實(shí)現(xiàn)的校音器，比同類產(chǎn)品更具有電路簡單、功耗小、成本低的特點(diǎn)，具有一定的實(shí)用開發(fā)價(jià)值。