32位精簡指令集架構(gòu)的AT91M42800A的設(shè)計與應(yīng)用

　　摘要：介紹了ＡＴＭＥＬ公司生產(chǎn)的基于３２位精簡指令集（ＲＩＳＣ）架構(gòu)的單片機(jī)ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ的特點，提出了一種基于ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ的應(yīng)用設(shè)計方案，給出該設(shè)計的硬件原理圖，同時針對ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ的存儲器空間分配問題，給出了分散裝載的程序代碼舉例，從而為基于ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計提供了一個思路。

    關(guān)鍵詞：精簡指令集 AT91M42800A 單片機(jī)

１　引言

　　目前，嵌入式產(chǎn)品逐步占領(lǐng)了ＰＣ市場，而其核心部分——處理器的性能則決定了產(chǎn)品的設(shè)計和性能。在３２位嵌入式處理器中， 由ＡＴＭＥＬ 公司生產(chǎn)的ＡＴ９１系列芯片之一ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ是基于ＡＲＭ７ＴＤＭＩ 處理器內(nèi)核的１６／３２位微控制器，它除具有ＡＲＭ處理器的低功耗、低成本、高性能等優(yōu)點外，還具有非常豐富的片內(nèi)資源，特別適合于嵌入式產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)。

２ ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ 的基本特性

　?。粒裕梗保停矗玻福埃埃敛捎茫常参?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/精簡指令集">精簡指令集（ＲＩＳＣ）架構(gòu)，因此，它既支持１６位Ｔｈｕｍｂ指令集，又支持３２位的Ａｒｍ指令集。它采用三級流水線結(jié)構(gòu)，可在同一時間內(nèi)，一條指令在執(zhí)行，第二條指令在譯碼，第三條指令在取指，這樣，在每個周期都有一條指令在執(zhí)行，因此，指令執(zhí)行速度很快。ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ的基于先進(jìn)微控制器總線結(jié)構(gòu)（ＡＭＢＡ）的模塊化設(shè)計方法具有綜合、快速、高性能價格比的特點。該微控制器的內(nèi)部工作寄存器很多，非常適合實時控制應(yīng)用。其主要特點如下：

　　●內(nèi)核電壓和鎖相環(huán)電壓為２．７～３．６Ｖ， Ｉ／Ｏ口操作電壓為２．７～５．５Ｖ；

　　●內(nèi)部帶有８ｋＢ靜態(tài)ＲＡＭ；

　　●具有完全可編程外部總線接口（ＥＢＩ），且多達(dá)８個片選，尋址空間很大；

　　●內(nèi)含８通道外設(shè)數(shù)據(jù)控制器（ＰＤＣ）；

　　●帶有５４個可編程Ｉ／Ｏ口；

　　●內(nèi)含６通道１６位定時／計數(shù)器；

　　●具有２個通用串行異步接收／發(fā)送器（ＵＳＡＲＴ）和２個主／從ＳＰＩ接口；

　　●內(nèi)含３個系統(tǒng)定時器；

　　●時鐘可由３２７６８ Ｈｚ 晶體和內(nèi)部鎖相環(huán)（ＰＬＬ）電路產(chǎn)生，最高可編程至３３ＭＨｚ，也可由外部時鐘信號提供；

　　●內(nèi)置嵌入式在線仿真電路（Ｅｍｂｅｄｄｅｄ ＩＣＥ）可通過ＪＴＡＧ口對ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ進(jìn)行測試。

３　基本組成系統(tǒng)

　　由ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ構(gòu)成的最基本的系統(tǒng)至少應(yīng)包括以下幾個部分：

（１）程序存儲器（ＲＯＭ）

　　由于ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ 內(nèi)部沒有ＲＯＭ，因此，必須外擴(kuò)一片程序存儲器。應(yīng)當(dāng)注意的是：ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ的８位總線和１６位總線的ＦＬＡＳＨ接法不同，具體接法如圖１所示。

（２）數(shù)據(jù)存儲器ＲＡＭ

　　如果設(shè)計的系統(tǒng)比較復(fù)雜，數(shù)據(jù)比較多，當(dāng)單片機(jī)內(nèi)部８ｋＢ ＳＲＡＭ不能滿足要求時，還要外擴(kuò)一片數(shù)據(jù)存儲器。ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ能夠支持兩種“寫”方式，但對８位數(shù)據(jù)總線和１６位數(shù)據(jù)總線的操作也是不同的，因此，對于不同的存儲器，其接法不同。對于８位總線的存儲器，只需接Ｄ０～Ｄ７，將Ｄ８～Ｄ１５懸空，并將其地址線對接，而單片機(jī)的ＮＷＥ／ＮＷＲ０接到存儲器的ＮＷＥ上。對于１６位總線的存儲器，則將其數(shù)據(jù)線對接，Ａ１～Ａ１７接存儲器的Ａ０～Ａ１６，并將其ＮＷＥ／ＮＷＲ０接存儲器的ＮＷＥ，ＮＵＢ／ＮＷＲ１接存儲器的ＮＵＢ，ＮＬＢ／Ａ０接存儲器的ＮＬＢ。外擴(kuò)的ＲＡＭ 的接法與外擴(kuò)ＦＬＡＳＨ的接法類似。

（３）時鐘發(fā)生電路

　?。粒裕梗保停矗玻福埃埃恋臅r鐘既可以外接晶體，也可外接時鐘信號。當(dāng)外接晶體時，由于其內(nèi)帶振蕩電路，因此，外接３２．７６８ ｋＨｚ 的晶體后，可產(chǎn)生慢時鐘（ＳＬＣＫ）。由于ＳＬＣＫ頻率低，所以系統(tǒng)的功耗也很低。若想提高系統(tǒng)的工作頻率，則可通過ＰＬＬＡ或ＰＬＬＢ對其倍頻，以達(dá)到所要求的工作頻率。如果所需頻率不能通過ＰＬＬ倍頻得到，則可由外接時鐘信號來提供。當(dāng)外接時鐘信號時，可直接把時鐘信號接到ＸＩＮ引腳上，ＸＯＵＴ引腳懸空。

（４）顯示電路

　　顯示電路可采用數(shù)碼管顯示或液晶顯示，由于液晶顯示的功耗低，故常采用這種顯示方式。該設(shè)計選用的液晶顯示模塊為ＬＣＭ１０３。

（５）電源及復(fù)位電路

　?。粒裕梗保停矗玻福埃埃羶?nèi)部帶有看門狗（ＷａｔｃｈＤｏｇ）電路，也可以外加ＷａｔｃｈＤｏｇ電路。本文中的例子采用的就是外加ＷａｔｃｈＤｏｇ電路的接法，所選用的器件是ＭＡＸＩＭ公司生產(chǎn)的ＭＡＸ６３１６ＬＵＫ２９ＣＹ。

４　典型應(yīng)用

　　由于單片機(jī)ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ具有低功耗、高性能、片內(nèi)資源豐富、尋址空間大等優(yōu)點，所以適合現(xiàn)場總線產(chǎn)品的開發(fā)，其簡要硬件原理圖如圖２所示。圖中只給出主要器件的主要引腳接法，電源電路及其它引腳限于篇幅圖中未畫，讀者在實際的設(shè)計過程中可自行設(shè)定。

５　存儲器空間分配

　　在本設(shè)計中，由于ＡＲＭ７ＴＤＭＩ處理器的地址空間非常大（可達(dá)４Ｇ字節(jié)）。因此，在重映射前，可將地址最低的４ＭＢ分配給內(nèi)部存儲器，最高的４Ｍ 分配給內(nèi)部外設(shè)，其余中間的地址空間（從０ｘ００４０００００到０ｘＦＦＦＣＦＦＦＦ）留給外部擴(kuò)展的設(shè)備，這部分設(shè)備可由ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ 的八個片選來選擇。筆者選擇的ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ開發(fā)環(huán)境為ＡＤＳ１．１，由于在實際的嵌入式系統(tǒng)中，ＡＤＳ１．１提供的缺省存儲器映射不能滿足要求，而用戶的目標(biāo)硬件有多個存儲器設(shè)備，且位于不同的位置，如上例中，ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ的四個片選分別給了外擴(kuò)ＦＬＡＳＨ、外擴(kuò)的ＲＡＭ、以及ＦＢ３０５０的內(nèi)部寄存器片選和存儲器片選，因此需要通過Ｓｃａｔ-ｔｅｒ 文本文件來指定一段代碼或數(shù)據(jù)在加載和運(yùn)行時在存儲器的不同位置，這個文本文件在命令行中由－ｓｃａｔｔｅｒ開關(guān)指定。在ａｒｍ ｌｉｎｋｅｒ菜單的ｏｕｔｐｕｔ 子菜單下有ｌｉｎｋ ｔｙｐｅ一項。ｌｉｎｋ ｔｙｐｅ 選項中，只要選擇 ｓｃａｔｔｅｒ，并指定ｓｃａｔｔｅｒ．ｓｃｆ 文件的存儲位置就可以了。在下面的例子中，ＦＬＡＳＨ中的代碼和數(shù)據(jù)存儲在０ｘ０４００００００起始的、長度為３２ｋＢ的地址空間中。

　　由于Ｓｔａｒｔ． ｓ：匯編引導(dǎo)程序代碼在執(zhí)行重映射后，中斷向量表將存放在內(nèi)部ＲＡＭ中，其地址范圍為０ｘ００００００００到０ｘ００００００１８，因此，用于存放數(shù)據(jù)的實際地址是從０ｘ００００００２０開始的。存放在外擴(kuò)ＲＡＭ中的代碼放在ｅｘｔ＿ｒａｍ．ｃ中，以下類似。上例的ｓｃａｔｔｅｒ 文本文件代碼如下：

ＦＬＡＳＨ ０ｘ０４００００００ ０ｘ８０００

{

ＦＬＡＳＨ ０ｘ０４００００００ ０ｘ８０００

{

Ｓｔａｒｔ．ｏ (Ｒｅｓｅｔ, ＋Ｆｉｒｓｔ)

＊ (＋ＲＯ)

}

ＲＡＭ ＯＮ ＣＨＩＰ ０ｘ００２０ ０ｘ２０００

{

＊(＋ＲＷ,＋ＺＩ)

}

ＲＡＭ ＯＦＦ ＣＨＩＰ ０ｘ８００００００ ０ｘ４００００

{

ｅｘｔ ｒａｍ．ｏ(＋ＲＷ,＋ＺＩ)

}

ＦＢ３０５０ ＳＥＮＤ ０ｘ３０００００００ ０ｘ００ｆｆ

{

ｓｅｎｄｂｕｆ．ｏ(＋ＲＷ,＋ＺＩ)

}

ＦＢ３０５０ ＲＥＣＥＩＶＥ ０ｘ３０００４０００ ０ｘ００ｆｆ

{

ｒｅｃｅｉｖｅ ｂｕｆ．ｏ＋ＲＷ＋ＺＩ

    }

    }

６　調(diào)試要點

　　在設(shè)計調(diào)試過程中，ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ還有幾個特殊的引腳需要特別注意。

　　ＢＭＳ：此引腳用來選擇引導(dǎo)存儲器的數(shù)據(jù)寬度，如果引導(dǎo)存儲器是８位的，應(yīng)將其上拉，而如果為１６位則要下拉。

　?。危裕遥桑捍艘_用來選擇三態(tài)模式。如果要進(jìn)入三態(tài)模式，應(yīng)使ＮＴＲＩ引腳在ＮＲＳＴ上升沿到來之前保持１０個慢時鐘周期的低電平，否則，則應(yīng)將ＮＴＲＩ上拉。

　?。危祝粒桑裕捍艘_在調(diào)試ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ?xí)r，應(yīng)將其上拉，否則，系統(tǒng)將進(jìn)入等待狀態(tài)。

　　ＭＯＤＥ０、ＭＯＤＥ１：這兩個引腳用來選擇ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ的４種操作模式，當(dāng)模式改變時，必須進(jìn)行復(fù)位才能有效。其設(shè)置方法如表１所列。

表1 操作模式設(shè)置

７　結(jié)束語

　?。粒裕梗保停矗玻福埃埃潦且豢钐幚砟芰Ψ浅?qiáng)、性能價格比非常高的嵌入式微控制器，它具有３２位處理器的處理能力，但卻只有１６位處理器的價格。它豐富的片上資源和強(qiáng)大的擴(kuò)展能力為嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計提供了很大靈活性。