2. Восьмиразрядные микроконтроллеры (семейства 78K/0 и 78K/0S)

Семейство 78K/0 является наиболее развитым семейством микроконтроллеров фирмы NEC. В его состав входят 29 серий и 133 типа микроконтроллеров. Семейство 78K/0S является новейшим семейством. Из 16-ти серий этого семейства, описанных в литературе, 15 серий на конец 1997 года находились в состоянии разработки.

В семейство 78K/0 входят основные серии (main series) и дополнительные серии (subseries). В микроконтроллере дополнительной серии вместо одного из каналов последовательного интерфейса стандарта фирмы NEC используется канал промышленного стандарта I2C. В обозначение типа такого микроконтроллера добавляется буква Y. Например, mPD78052 — mPD78052Y.

Другим отличием микроконтроллера дополнительной серии может быть пониженный уровень шума (EMI noise reduction) по сравнению с соответствующим микроконтроллером основной серии. В обозначение типа такого микроконтроллера добавляется какая-либо буква (H, B, F и др.) Например, mPD78095 — mPD78095В.

Микроконтроллеры всех серий семейства 78K/0 имеют:

• единую систему команд, содержащую 63 команды;
• четыре регистровых банка в процессоре, которые могут содержать по выбору или восемь восьмиразрядных или четыре шестнадцатиразрядных регистра;
• восьмиканальный восьмиразрядный или десятиразрядный аналого-цифровой преобразователь;
• стандартный универсальный асинхронный приемопередатчик UART (кроме серий 11-18, 42-48 и 204-208).

По особенностям структуры, определяющим выбор МК для работы в конкретной аппаратуре, микроконтроллеры семейства 78K/0 могут быть отнесены к одной из четырех групп:

1. микроконтроллеры общего назначения (GP);
2. микроконтроллеры с выходами для подключения электролюминесцентных индикаторов (FIP);
3. микроконтроллеры с выходами для подключения жидкокристаллических индикаторов (LCD);
4. микроконтроллеры специального назначения (Particular Purpose, PP).

В табл. 4 перечислены основные серии микроконтроллеров семейства 78K/0(ZZ) и 78K/0S(ZZZ), отмечено наличие дополнительных серий с последовательным интерфейсом I²C (знак + в колонке I²C) и пониженным уровнем шума (знак + в колонке EMI), указано суммарное число типов МК в основной и дополнительных сериях, отмечены отличительные особенности микроконтроллеров разных серий и указано минимальное число выводов корпуса микросхемы.

Таблица 4

Цикл команды при неизменной частоте кварцевого резонатора может иметь разную (по выбору) длительность. В табл. 5 указаны максимальное значение тактовой частоты (FOSC MAX) микроконтроллеров разных серий и устанавливаемые при этом значения длительности цикла команды (ТЦК).

Таблица 5

В микроконтроллерах имеется вспомогательная система синхронизации с тактовой частотой 32,768 кГц и длительностью цикла команды 122 мкс. Своевременный перевод МК на работу с пониженным быстродействием или переход в HALT mode или STOP mode позволяют программными средствами минимизировать энергопотребление МК.

Память микроконтроллеров семейства 78K/0, кроме четырех регистровых банков (8x8 бит или 4x16 бит), содержит IROM емкостью от 8Kx8 бит до 60Kґ8 бит и внутреннее быстродействующее запоминающее устройство для хранения данных (Internal High Speed RAM, IHSRAM) емкостью от 256x8 бит до 2048x8 бит. Кроме того, микроконтроллеры некоторых серий имеют внутреннее дополнительное запоминающее устройство для хранения данных (Internal Extended RAM, IERAM) емкостью 1024 байт, внутреннее буферное запоминающее устройство (Internal Buffer RAM) емкостью 32 байта, а микроконтроллеры групп FIP и LCD — внутреннее дисплейное ЗУ различной емкости.

Микроконтроллеры некоторых серий допускают подключение внешней памяти (EROM) с образованием общего адресного пространства ROM объемом 64К адресов.

Параллельные порты ввода–вывода могут иметь от 33 до 88 линий ввода–вывода, при этом используются линии трех типов — КМОП входы, КМОП входы/выходы и NMOP входы/выходы. У микроконтроллеров группы FIP имеются также выводы типа PMOP. Число состояний некоторых выводов может изменяться с использованием соответствующих команд в программе.

Микроконтроллеры разных серий имеют от трех до пяти таймеров разных типов (таймер/счетчик событий, базовый интервальный таймер/сторожевой таймер, таймер-датчик времени, Up/Down таймер и др.). Некоторые таймеры имеют внешние выходы, на которых формируются сигналы синхронизации и тональные сигналы.

Контроллер прерываний векторного типа с числом источников запросов прерывания от шести до восьми.

Микроконтроллеры некоторых серий содержат двухканальный восьмиразрядный цифро-аналоговый преобразователь (DAC).

Во всех микроконтроллерах имеются каналы последовательного интерфейса стандарта фирмы NEC и промышленных стандартов UART и I²C. Выбор конкретной комбинации каналов определяется в большинстве случаев пользователем и зависит от особенностей системы, в которой работает микроконтроллер.

Микроконтроллеры питаются от источников напряжения 1,8–5,5 В, 2,7–5,5 В или 2,0–6,0 В. Ток потребления в активном режиме зависит от выбранного быстродействия и находится в пределах от 5 до 10 мА.

Микроконтроллеры новейшего семейства 78К/0S имеют следующие основные отличия:

• по выбору может устанавливаться лишь одна из двух возможных длительностей цикла команды (0,4 или 1,6 мкс, 0,5 или 2,0 мкс, 0,33 или 1,33 мкс, 0,2 или 0,8 мкс);
• микроконтроллеры всех серий для последовательной передачи данных могут использовать по выбору или трехпроводный протокол фирмы NEC или промышленный стандарт UART;
• в состав процессора микроконтроллеров группы GP входит аппаратный умножитель (Multiplier), формирующий шестнадцатиразрядный код произведения;
• у микроконтроллеров группы GP уменьшено число линий ввода–вывода параллельных портов (20–30) и число выводов корпуса микросхемы (30–40);
• в число периферийных устройств МК многих серий включен индикатор падения уровня напряжения питания (Low voltage indicator);
• у микроконтроллеров некоторых серий появился канал последовательного интерфейса типа SMB;
• для питания микроконтроллеров всех серий используется источник с напряжением 1,8–5,5В.

3. Шестнадцатиразрядные микроконтроллеры (семейства 78K/3 и 78K/4)

Шестнадцатиразрядные микроконтроллеры семейства 78K/3 (8 серий, 30 типов) используются для управления различными электродвигателями (в том числе и трехфазными) и другими исполнительными органами систем управления. Они также могут быть использованы в качестве генераторов сложных импульсных последовательностей.

В состав периферийных устройств контроллеров входят 4–5 шестнадцатиразрядных таймеров и многоканальные десятиразрядные аналого-цифровые преобразователи. Используются каналы последовательного интерфейса стандарта фирмы NEC и промышленного стандарта UART.

В табл. 6 перечислены наименования серий и типов микроконтроллеров семейства 78K/3, указано число типов в серии и число инструкций в системе команд, отмечены отличительные особенности МК разных серий и указано наименьшее число выводов корпуса микросхемы.

Таблица 6

Системы команд с разным числом инструкций совместимы снизу вверх.

Шестнадцатиразрядные микроконтроллеры нового семейства 78K/4 соединяют в себе достоинства восьмиразрядных МК самого развитого семейства 78K/0 и расширенные возможности шестнадцатиразрядных контроллеров семейства 78K/3. Системы команд перечисленных семейств программно совместимы снизу вверх. Адресное пространство памяти программ увеличено до 1 Мбайта, а памяти данных — до 16 Мбайт, однако выпускаемые в настоящее время микроконтроллеры имеют лишь 20 адресных выходов (1 Мбайт).

Процессор содержит восемь регистровых банков, в каждом из которых содержатся 4 шестнадцатиразрядных регистра (или 8 восьмиразрядных) и 4 двадцатичетырехразрядных. Каждому регистровому банку соответствует своя область стека пользователя. Выбор банка осуществляется соответствующей командой пользовательской программы или номером прерывания. Последнее позволяет использовать в разных прерывающих программах различные регистровые банки и области стека, что обеспечивает переход к прерывающей программе и возврат из нее с минимальным числом пересылок (контекстное переключение программ).

Для выполнения часто используемых простых прерывающих программ (например, пересылки из стандартных источников в стандартные области памяти) используется специальный блок процессора (Macro Service, периферийный сервер транзакций — по терминологии фирмы Intel). Использование трех способов прерывания (векторного с числом векторов до 30, контекстного и макрообслуживания) придает системе прерываний необычайную гибкость и открывает простор для творчества разработчиков программного обеспечения.

Микроконтроллеры некоторых серий имеют цифро-аналоговые преобразователи (DAC) и специальные блоки для формирования широтно-модулированных сигналов (PWM). Быстродействие МК однозначно определяется частотой кварцевого резонатора. Минимальная длительность цикла выборки команды (0,125 мкс) у микроконтроллеров разных типов достигается при частоте кварцевого резонатора 16 или 32 МГц. Для сокращения времени, затрачиваемого на пересылки массивов, используются команды с «короткой» адресацией, в которых изменяются лишь младшие разряды кода адреса.

В табл. 7 перечислены наименования серий и типов микроконтроллеров семейства 78K/4, указано число типов в серии, отмечены особенности МК разных серий и указано минимальное число выводов корпуса микросхемы.

Таблица 7

В обозначение типа микроконтроллера с каналом последовательного интерфейса с типа I2C вводится буква Y.

Микроконтроллеры семейства 78K/4 в настоящее время используются для управления шаговыми двигателями, электродвигателями других типов и различными исполнительными органами разнообразных систем управления, а также в качестве генераторов сложных импульсных последовательностей.
4. Средства поддержки разработки систем на базе микроконтроллеров фирмы NEC

Для поддержки разработки аппаратной части и программного обеспечения систем на базе своих микроконтроллеров фирма NEC выпускает комплекс программных и программно-аппаратных средств.

В группу программно-аппаратных средств входят внутрисхемные эмуляторы, программаторы и программы-отладчики, работающие совместно с внутрисхемными эмуляторами.

В группу программных средств входят программы-ассемблеры, С-компиляторы и программы-модели (Simulator), позволяющие выполнять все работы без использования реальной аппаратуры.

Кроме того, для ознакомления и приобретения начальных навыков работы с аппаратурой и программными средствами фирма выпускает упрощенные программно-аппаратные комплексы (Starter Kit). Все выпускаемые средства работают с РС-совместимыми компьютерами на базе системы Windows.

1. Semiconductors Selection Guide. NEC.October 1997.
2. Single-chip Solutions with 4/8/16-bit Microcontrollers. NEC.

Автор: Владимир Гребнев