SX系列通信控制器

摘要：介紹SX系理單片機的性能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、端口特性和存儲器體系結(jié)構(gòu)，說明虛擬外設(shè)這一新的其廣闊的應(yīng)用前景。SX系列單片機具有高速運行和靈活的I/O特性，可作為一個嵌入式設(shè)備應(yīng)用在通信類的產(chǎn)品設(shè)計中。

關(guān)鍵詞：嵌入式Internet設(shè)備 RISC結(jié)構(gòu) 配置端口狀態(tài) 存儲器體系結(jié)構(gòu) 虛擬外設(shè)

SX52BD（以及SX48BD）是SX系列產(chǎn)品，是采用CMOS工敢制造的、可配置的通信控制器。它的操作頻率可達到50/75/100MHz，是一種高速計算機；其大部分指令為單周期指令，運行速度可達到一般MCU的20倍；靈活的I/O特性使之具有高效的實時控制功能。正因為它的高速運行特性，設(shè)備可以用軟件模塊（虛擬外設(shè)）替代一部分過去由硬件實現(xiàn)的實時功能，這是SX系列的最重要的特點。目前可以實現(xiàn)的虛擬外設(shè)大多用于通信設(shè)備，如通信接口和Internet連接協(xié)議等。下面主要從它的硬件結(jié)構(gòu)進行說明。

1 主要性能和特點

①CPU性能?；赗ISC結(jié)構(gòu)，采用壓縮的指令系統(tǒng)，除branch外大部分為單周期指令；操作頻率最高可達100MHz，此時指令周期10ns，內(nèi)部中斷響應(yīng)時間達30ns；可以通過運行時間內(nèi)讀代碼（IREAD指令）進行快速平臺查找；它能克服一般MCU運行速度慢的缺點，使得SX系列的內(nèi)部程序達到硬件實時控制功能的目的。

②硬件外設(shè)特性。內(nèi)部包含2個（帶8位預(yù)定標器的）16位定時器，運行方式有軟件時鐘模式、PWM模式、同步PWM/捕捉模式以及外部事件模式；有一個（帶8位預(yù)定標器的）可編程的8位定時/計數(shù)器（RTCC）和看門狗計時器（共享RTCC預(yù)定標器）；內(nèi)部包含模擬比較器，這對于一般的應(yīng)用來說顯得十分方便。

③由于SX系列高速運行特性，再加上靈活的I/O功能，設(shè)備就可以用軟件模塊（虛擬外設(shè)）代替那些硬件所具有的準確的實時功能。目前可以實現(xiàn)的虛擬外設(shè)大多用于通信設(shè)備（例如通信接口和Internet連接協(xié)議等）以及作為運行速度比較高的信號發(fā)生裝置和轉(zhuǎn)換裝置。

④編程和調(diào)試支持?？梢酝ㄟ^串口或并口對芯片進行在線編程（例如可以接振蕩器引腳進行在線串行編程），芯片具有在線調(diào)試支持邏輯。對于實時仿真、全程調(diào)試，可以由第三工具供應(yīng)商提供完備的開發(fā)環(huán)境。這些軟件支持包括：即時可用的虛擬外設(shè)模塊庫、虛擬外設(shè)綜合實例以及用于通信的應(yīng)用軟件工具包等。

SX設(shè)備在襯能夠提供新的思路和解決辦法，一方面它可對應(yīng)用于一些常規(guī)的設(shè)備，如：過程控制器、電子設(shè)備/工具、安全/監(jiān)視系統(tǒng)、汽車用戶、動力控制系統(tǒng)、私人通信設(shè)備等等；另一方面，SX通信控制器為SX堆棧的硬件平臺，它能實現(xiàn)執(zhí)行整個TCP/IP協(xié)議、物理層及其它相關(guān)的高速通信層——虛擬外設(shè)模塊。邊疆的虛擬外設(shè)庫也在不斷擴大應(yīng)用范圍，如：Internet協(xié)議堆棧、通信接口的出現(xiàn)都使設(shè)計師就能將一些產(chǎn)品嵌入Internet。它的整個網(wǎng)絡(luò)連接協(xié)議堆棧工具能使單片網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和E-mail設(shè)備在嵌入式場合中應(yīng)用。平些工具包括TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接協(xié)議、物理層及其它的相關(guān)的高速通信層——虛擬外設(shè)模塊。它的虛擬外設(shè)庫也在不斷擴大應(yīng)用范圍，如：Internet協(xié)議堆棧、通信接口的出現(xiàn)都使設(shè)計師就能將一些產(chǎn)品嵌入Ｉnternet。它的整個網(wǎng)絡(luò)連接協(xié)議堆棧工具能使單片網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和Ｅ－ｍａｉｌ設(shè)備在嵌入式場合中應(yīng)用。這些工具包括TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接協(xié)議的物理層界面，使系統(tǒng)設(shè)計師能開發(fā)出一些成本低廉的嵌入式Internet設(shè)備，而不必用到外部的物理通路或PC網(wǎng)關(guān)。

2 電路結(jié)構(gòu)

圖1所示為SX系列產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖?？梢钥吹絊X系列產(chǎn)品內(nèi)部使用了2個獨立的具有不同地址總線的存儲器，一個用于程序，另一個用于數(shù)據(jù)，兩者是嚴格區(qū)分開的。它允許數(shù)據(jù)同時從程序存儲流至SRAM，能從程序存儲器訪問數(shù)據(jù)表格。這一結(jié)構(gòu)的優(yōu)點為：取指為存儲傳送可通過多層通道交替進行。這意味著在執(zhí)行當前指令的同時，能獲取從程序存儲器傳來的下一條指令。實際上這是一種基于RISC的結(jié)構(gòu)，其存儲器設(shè)計工藝可使設(shè)備比傳統(tǒng)的MCU塊20倍，且能準確自由振蕩及可完成編程。SX系列產(chǎn)品采用4個階段傳遞（接收-解碼-執(zhí)行-寫入），所以每一時鐘周期執(zhí)行1條指令。當最大操作頻率達到100MHz時，指令以每10ns的時鐘周期運行。

程序存儲器采用EEPROM或Flash，片內(nèi)容量為4 096字節(jié)，在使用中重復(fù)寫周期可大于10 000次以上；而數(shù)據(jù)存儲器是SRAM，片內(nèi)容量為262×8位。

SX系列芯片的引腳中大部分都是I/O端口，其中A、B、C、D、E為并行雙向I/O端口。這5個8位端口都可以進行I/O編程，既可以作為輸入端口也可以作為輸出端口。選擇作為輸入端口使用時，可以按TTL電平或CMOS電路電平標準選擇，對于外圍電路的接口顯得非常方便。B、C、D、E端口還可選擇施密特觸發(fā)器輸入的形式，尤其是外部信號不太穩(wěn)定的情況下這種選擇很實用。此外，B端口可編程選擇作為模擬比較器（RB0為輸出，RB1為負輸入，RB2為正輸入）對2個模擬信號進行比較。在端口用于輸出的情況下，全部輸出口具有30mA灌入電流能力，作為輸出端口全部引腳有可選擇的內(nèi)部上拉電阻，或者選擇外接電阻的形式，使得輸出驅(qū)動更加方便。由此可以看到，端口結(jié)構(gòu)靈活的特性有助于實現(xiàn)SX系列的虛擬外設(shè)功能和用在一些特殊場合。

除了上面的顯著特點外，它的接口部分還包括以下部分：2個帶8位預(yù)定標器的16位定時器，可支持不同的操作模式（PWM模式、同步PWM/捕捉模式以及外部事件計數(shù)器模式）；1個帶預(yù)定標器的通用的8位定時器，1個模擬比較器，1個brownout檢測器及看門狗定時器；具有一種多源喚醒功能的節(jié)點模式，端口B（8個引腳）上有喚醒/中斷功能；1個內(nèi)部RC振蕩器，可供用戶選擇時鐘模式，RC內(nèi)部振蕩器可調(diào)范圍為31.25kHz～4MHz。

目前SX系列中有SX48BD和SX52BD兩種產(chǎn)品，除了引腳封裝形式不同外其它功能基本相同。從圖2的2種電路外形圖可以看出：SX48BD為48腳封裝，SX52BD為52腳封裝。它們的區(qū)別是A端口不同：后者有8個I/O引腳，而前者卻只有4個。

3 端口特性

由圖2可以看到SX系列都有5個8位的I/O端口（即端口A～端口E），其中端口A的情況與其它4個端口有些區(qū)別。圖3給出了端口A內(nèi)部的情況：硬件結(jié)構(gòu)及端口每個引腳的配置寄存器的情況。端口A提供對稱的驅(qū)動能力。在48腳的SX48BD器件中，端口A只有4個引腳（而不是8個引腳）。每個端口有4個相對應(yīng)的8位寄存器（即方向、數(shù)據(jù)、TTL/CMOS選擇以及上拉允許寄存器）用于配置端口引腳的狀態(tài)。如：選擇高阻輸入或輸出，或選擇TTL或CMOS電壓電平，或選擇接入/關(guān)斷上拉電阻。接照端口引腳最低位與寄存器的最低位相對應(yīng)的關(guān)系，要訪問這些配置寄存器，還必須同時將合理的值寫入MODE（方式）寄存器中。

開機時，寄存器中所有位初始化為“1”。在軟件的控制下，相關(guān)的寄存器對各個端口位進行配置，如圖4所示。

與端口A的情況不同的是，端口B、C、D和E還有額外相關(guān)的寄存器（施密特觸發(fā)允許寄存器），能允許或禁止各個端口引腳上的施密特觸發(fā)器起使用。端口B支持芯片上的微分比較器，RB1端口和RB2端口分別是比較器的負、正輸入腳，RB0端口則是比較器的輸出引腳。另外，端口B還支持所有8個引腳上的多重輸入喚醒功能。端口B和C還支持多功能定時器T1和T2；RB4和RB5是T1是捕捉輸入引腳，RB6是T1的PWM輸出引腳；RB7是T1的外部事件計數(shù)器輸入引腳；同樣地，RC0和RC1是T2的捕捉輸入引腳，RC2是T2的PWM輸出引腳，RC3是T2的外部事件計數(shù)器輸入引腳。圖5給出了端口B、C、D、E的硬件結(jié)構(gòu)及相應(yīng)端口每個引腳的配置寄存器。

4 存儲器體系結(jié)構(gòu)

程序存儲器——由4K個12位寬度的字組成。程序存儲字由二進制程序計數(shù)器編址。復(fù)位時，程序計數(shù)器初始化為0FFFH。假如沒有分支操作，它將會增至設(shè)備的最大值且循環(huán)往復(fù)，1個頁面由512個相鄰的程序存儲字組成。在一頁的首址，程序計數(shù)器的低9位均為“0”；而在該頁的末址，程序計數(shù)器的低9位均為“1”。這種頁面結(jié)構(gòu)對程序計數(shù)器無任何影響，程序計數(shù)將能通過頁間繼續(xù)增加。

程序計數(shù)器——包含有執(zhí)行指令的12位地址，低8位存儲在PC寄存器中（02h），而3個高位由狀態(tài)寄存器STATUS（PA0、PA1、PA2）指定，第8位不用。改變狀態(tài)位將導(dǎo)致通過程序存儲頁間跳轉(zhuǎn)和調(diào)用子程序，要優(yōu)先執(zhí)行轉(zhuǎn)移（branch）操作時，用戶程序須初始化狀態(tài)寄存器的高位，以轉(zhuǎn)移到期望的頁面。另一種方式是使用“頁”指令，它按照操作數(shù)的特定值自動地址轉(zhuǎn)移到期望的頁面。

子程序堆棧——包含8個12位存儲寄存器。在寄存器內(nèi)容的物理轉(zhuǎn)移（如從程序計數(shù)器到堆棧，或者與此相反方向以及在堆棧內(nèi)部）操作中規(guī)章能影響堆棧，尤其是調(diào)用和返回操作。堆棧在物理上和邏輯上均與數(shù)據(jù)RAM分離，程序不能對堆棧進行讀和寫。

數(shù)據(jù)存儲器——是一個基于RAM的寄存器，包括262個常用寄存器以及9個特殊功能寄存器，所以這些寄存器均為8位寬。數(shù)據(jù)存儲器分16層，從0～F。每個層包含有16個寄存器，另加1個由16個“全局的”寄存器組成額外層。由于這些寄存器由層及“文檔”組成，故這些存儲映射寄存器被稱之為“文檔寄存器”。

尋址方式——每個訪問數(shù)據(jù)存儲存儲器的SX指令，都包含有1個5位操作碼指令，用于指明對哪一個寄存器進行訪問?？s寫“fr”（文檔寄存器），代表5位寄存器地址標志符。例如：在“mov fr，W”指令中，“fr”代表1個5位的值或標志，如“mov $ OF,W”指令（將工作寄存器W中內(nèi)容移入至文檔寄存器0Fh）。

有3種不同的尋址方式：間接尋址、直接尋址、半直接尋址。對寄存器尋址模式的選取依賴于指令中5位“fr”的值，例如：

*間接模式：fr=00h

*直接模式：(fr bit 4=0)fr=01h-0Fh

*半直接模式：（fr bit 4=1）fr=10h-1Fh

在圖6中描述了數(shù)據(jù)存儲器的結(jié)構(gòu)圖。

對于間接尋址模式（fr=00），文檔選擇寄存器（FSR）指定需訪問的寄存器。FSR是一個8位存儲映射寄存器（地址為04h）。在間接尋址中，它作為一個指向數(shù)據(jù)存儲器的8位指針。在這種模式下，全局寄存器層及層1～層F均可用，而層0不可用。

對于直接尋址（fr=01-0F），“fr”的值自身已指明需訪問的寄存器，而FSR寄存器被忽略。對于這種尋址模式，只有全局寄存器層才被訪問，若要訪問任何其它的層，必須使用間接或半直接尋址。

對于半直接尋址（fr=10-1F），層數(shù)由FSR的4個高位選擇；而在層內(nèi)的寄存器由“fr”的低4位決定，也就是說，寄存器地址由FSR的4個高位和“fr”的4個低位共同來決定。在這種選址模式下，F(xiàn)SR的低位被忽略，從0號層～F層均可訪問，但是全局寄存器層不可訪問。

圖6列出了寄存器在間接、直接和半直接模式下怎樣進行尋址。不管FSR寄存器中為何值，在直接尋址時，16個全局寄存器均可訪問。全局寄存器在間接尋址模式下亦可進行訪問，但在半直接模式下，不可訪問。在這16個全局寄存器中，9個為特定功能寄存器（RTCC、PC、STATUS等等），6個為全局寄存器。00被用于間接尋址（INDF）。從0號層～F層的所有寄存器均為全局寄存器。要改變FSR寄存器中的值，程序既可在FSR寄存器寫出8位值，又可用“層”指令。層指令可寫FSR寄存器的4、5及6位，而7號位被用于選擇存儲層的高層或低層。因此，若要改變上部層至另一個上部層，只需使用一個“層”指令；若要改變上層至下層，則“層”指令后面必須用“setb FSR.7”指令。

5 虛擬外設(shè)的概念

虛擬外設(shè)的概念使“芯片軟件系統(tǒng)”得以實現(xiàn)，即用軟件模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬件外圍設(shè)備，達到與硬件設(shè)備一樣的功效。由于運用虛擬外設(shè)庫以及良好的速度和靈活性，為工程和產(chǎn)品開發(fā)提供了廣闊的道路。它能大大地降低產(chǎn)品開發(fā)周期，縮短產(chǎn)品研制周期。虛擬外設(shè)庫能為系統(tǒng)設(shè)計師提供一些預(yù)定的方案，或在開發(fā)外設(shè)時為系統(tǒng)設(shè)計師提供先入之見。有了虛擬外設(shè)支持的功能后，設(shè)計師只要專注于其它的應(yīng)用場合。由于標準和協(xié)議的不斷發(fā)展，虛擬外設(shè)與在線重復(fù)編程能力結(jié)合起來為通信行業(yè)提供了有力的開發(fā)前景。概括地說，虛擬外設(shè)有以下優(yōu)點：使用設(shè)備簡單、能減少元件數(shù)目、打入市場快、增加設(shè)計靈活性、與大多數(shù)機器兼容降低整個系統(tǒng)的成本。

可以實現(xiàn)的虛擬外設(shè)實例有：

*一些通用的通信接口如：I2C、微總線（μ級總線）、SPI、IrDA棧、UART以及調(diào)制解調(diào)器功能。

*Internet連接協(xié)議，如：UDP、TCP/IP、HTTP、SMTP、POP3等；

*頻率信號產(chǎn)生和調(diào)試；

*PPM/PWM的產(chǎn)生；

*Δ-∑ADC；

*DTMF產(chǎn)生/檢測；

*FFT/DFT算法。

由于SX系列硬件結(jié)構(gòu)和虛擬外設(shè)概念的結(jié)構(gòu)，為通信開發(fā)部門提供了一個強大的、靈活的開發(fā)平臺；由于它具有高度的處理能力、靈活多變的結(jié)構(gòu)，使之有比較高的成本效益。強大的開發(fā)能力能使設(shè)計師有足夠信心緊跟標準以及許多領(lǐng)域內(nèi)的革新，開發(fā)出大量的未來通信控制產(chǎn)品。