基于IP設計的8位SoC微微器ET44M210
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關(guān)鍵詞：IP SoC ET44M210芯片設計 可重用程序設計
1 概述
當前，使用8位單片機作為控制核心的應用仍然是主流。主要原因是，有相當數量的應用項目只需要使用8位單片機就完全能滿(mǎn)足技術(shù)要求。8位單片機的低成本、易開(kāi)發(fā)、技術(shù)資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，使得其它高位單片機無(wú)法與其匹配，因此，無(wú)論是芯片制造商還是系統應用開(kāi)發(fā)人員，對8位單片機的現狀和發(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(gè)重要特點(diǎn)是片上系統SoC(System on Chip)化。SoC化的技術(shù)含義就是在一個(gè)芯片上廣泛使用知識產(chǎn)權IP（Intellectual Property），從而加速了嵌入式系統的研制和開(kāi)發(fā)過(guò)程。從設計上來(lái)說(shuō)，SoC是一個(gè)通用設計復用達到高生產(chǎn)率的軟、硬件協(xié)同設計；從方法學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，SoC在開(kāi)發(fā)工具和程序設計方面作了許多突出的改進(jìn)，例如IP核可重用設計、規范化的接口及測試方法、內置嵌入式操作系統等。這些改進(jìn)為8位嵌入式微處理器的深入應用開(kāi)辟了更為廣泛的前景。綜合有關(guān)文獻，8位嵌入式微處理器研制技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)如圖1所示。
SoC嵌入式系統從真正意義上實(shí)現了所謂“片上系統”，即芯片級的系統應用。一個(gè)嵌入式微處理器芯片可以包含若干個(gè)知識產(chǎn)權IP模塊，用戶(hù)可以根據需求選用某種型號的芯片或向制造廠(chǎng)商定制。長(cháng)期以來(lái)，嵌入式系統的軟件開(kāi)發(fā)一直落后于硬件技術(shù)的發(fā)展，是阻撓嵌入式系統快速發(fā)展的一個(gè)“瓶頸”。解決這一問(wèn)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(kāi)發(fā)過(guò)程。這一方法有望可以使得嵌入系統應用程序的開(kāi)發(fā)變得簡(jiǎn)單、方便和快捷。
繼JTAG接口之后，一種使用USB接口的“仿真+實(shí)驗模板”實(shí)現全仿真的開(kāi)發(fā)方式，引起業(yè)界的越大關(guān)注。使用這種開(kāi)發(fā)工具，只需要花費幾百元錢(qián)就可以得到全功能的仿真操作和程序代碼寫(xiě)入工具。這種廉價(jià)而又高質(zhì)量的開(kāi)發(fā)方式，無(wú)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(jià)格、高性能、采用CMOS工藝制造、具有RISC架構的8位微控制器芯片。芯片采用SMA封裝，引腳數為100，由臺灣義統電子股份有限公司（Etoms Electronics Corp.）設計生產(chǎn)。ET44M210的設計充分體現了當今SoC化產(chǎn)品的特征，在IP模塊、開(kāi)發(fā)工具和程序設計方面頗具特色。
2 ET44M210芯片的IP模塊
ET44M210芯片包含有10個(gè)IP模塊，其結構如圖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，有直接、間接和相對三種尋址方式，除了條件轉移指令是雙字節以外，其它所有指令均為單字節；具有上電復位、看門(mén)狗、密碼保護等功能；共有20個(gè)中斷源，16層堆棧；采用CMOS工藝制造，具有低功耗特點(diǎn)，典型工作電流為1.5mA(使用6MHz晶振、工作電壓3.V時(shí))，待機時(shí)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(shí)鐘信號，提供給其它各IP模塊使用。通過(guò)對有關(guān)寄存器的設置，可以選用“休眠”、“綠色”或“普通”系統時(shí)鐘模式。
存儲器ROM/RAM
程序存儲器ROM是雙字節的。程序計數器PC（Program Counter）是14位的，因此總共有16K的容量分為2個(gè)頁(yè)面，每個(gè)頁(yè)面為8K。源地址從0x0000起始，從0x10開(kāi)始到0xA8用來(lái)存放中斷服務(wù)程序的程序段，一共可以響應20個(gè)中斷，每個(gè)程序段為8個(gè)字節。系統對各功能模塊的響應使用統一的中斷方式，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的內容可以重復改寫(xiě)。
ET44M210芯片的數據存儲器RAM是單字節的靜態(tài)存儲器，總共有1321個(gè)，全部可以作為寄存器使用。在這些寄存器中有相當一部分已經(jīng)賦予了特定的功能。如果這些功能進(jìn)行分類(lèi)，可以分為：通用寄存器、系統控制/初始化寄存器、特殊功能寄存器、USB控制/狀態(tài)寄存器、無(wú)線(xiàn)調制解調器控制/狀態(tài)寄存器/SPI控制/狀態(tài)寄存器/定時(shí)器/計數器和I/O狀態(tài)/控制寄存器等。ET44M210芯片所有功能的實(shí)現都是通過(guò)這些寄存器的設置來(lái)實(shí)現的。
輸入輸出I/O接口
芯片最多可以有42個(gè)I/O引腳，通過(guò)有關(guān)寄存器的設置可以定義輸入、輸出、上拉電阻選用、開(kāi)路輸出選用和按鍵喚醒選擇等。
定時(shí)器/計數器
除了通常的帶預除器的8位計數器外，還有一個(gè)16位的“長(cháng)時(shí)計數器”（FRC，Free Run Counter），可以很方便地實(shí)現長(cháng)時(shí)間定時(shí)或大容量計數。
脈寬調制輸出PWM
芯片有2個(gè)脈沖寬度調制輸出端，調制精度為16位，即脈沖寬度調制的最小量是脈沖周期的1/65536。
模擬/數字轉換ADC
16通道、10位轉換精度，提供內部3V標準參考電壓。使用6MHz時(shí)鐘源泉時(shí)的最快轉換時(shí)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(xiàn)集線(xiàn)器（USB HUB）
含內置式、可進(jìn)行1點(diǎn)對3點(diǎn)通信的USB集線(xiàn)器，符合USB1.1標準。數據上傳速度為12Mbps，下行速度為12Mbps。5V電源可由PC計算機USB接口提供。
無(wú)線(xiàn)射頻調制解調器Wieless/RF Modem
通信頻率為2.4GHz，可連接到RF102調制解調器的并行接口端，帶CRC校驗。無(wú)線(xiàn)傳輸距離≤10m。
3 ET44M210芯片的開(kāi)發(fā)工具
ET_USBICE仿真軟件ET44M210芯片采用“USB接口仿真+實(shí)驗模板”作為硬件開(kāi)發(fā)工具，如圖3所示。
開(kāi)發(fā)板的前半部分是仿真模板，在其上有一個(gè)ET44M210芯片，內部固化了仿真程序。仿真模板通過(guò)板上的USB接口與PC機進(jìn)行通信，在仿真軟件的配合下構成一個(gè)低成本，高性能的在線(xiàn)仿真器ICE和寫(xiě)入器。
開(kāi)發(fā)板的后半部分是實(shí)驗模板，在其上也是一個(gè)ET44M210芯片，用戶(hù)通過(guò)實(shí)驗模板進(jìn)行系統開(kāi)發(fā)和模擬實(shí)驗。實(shí)驗模板上有3個(gè)USB接口，供用戶(hù)開(kāi)展USB應用實(shí)驗使用。仿真模板的前端可外接1個(gè)WM通信模板，為開(kāi)展WM通信實(shí)驗使用。實(shí)驗板上還有1個(gè)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(kāi)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。軟件具有標準的通用仿真軟件界面和工程導向管理功能，適用于Windows98/2000/XP等多種操作系統，可以很方便地對源程序進(jìn)行編寫(xiě)、編譯、偵錯、仿真運行、代碼生成、寫(xiě)入等全過(guò)程。
4 ET44M210芯片的程序設計
ET44M210芯片的程序設計有如下幾個(gè)特點(diǎn)。
（1）匯編過(guò)程可以使用宏定義頭文件（Head File）
ET44M210芯片中的各知識產(chǎn)權IP的功能選擇是通過(guò)寄存器內容設置來(lái)完成的。知識產(chǎn)權功能設置寄存器多達數百個(gè)，為了使用方便，設計廠(chǎng)商為每個(gè)寄存器以及相應的位制定了一個(gè)特定的名稱(chēng)。在為這些名稱(chēng)建立了相應的名稱(chēng)-地址宏定義以后，用戶(hù)在設置豁口內容時(shí)就不再需要使用地址，只需要直接使用寄存器及其相應的位的名稱(chēng)就可以了。所有關(guān)于寄存器及其位的名稱(chēng)-地址宏定義都被放入一個(gè)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(lèi)似C語(yǔ)言中所使用的頭文件，這樣做不僅為程序設計帶來(lái)了極大的方便，同時(shí)也使程序設計實(shí)現了統一和規范。廠(chǎng)商提供的包含所有寄存器名稱(chēng)宏定義的頭文件是ET44M210_REG.H。
（2）智能模塊采用統一的中斷工作方式
ET44M210芯片提供了多種特色知識產(chǎn)權，如USB通信接口、無(wú)線(xiàn)調制解調器WM等，還提供了許多流行的知識產(chǎn)權，如ADC、SPI、PWM等，所有這些知識產(chǎn)權的響應都是通過(guò)中斷工作方式來(lái)實(shí)現的。ET44M210將ROM存儲器的0x10～0xA8的區域作為20個(gè)中斷響應入口，在使用時(shí)通過(guò)對有關(guān)的中斷控制寄存器的設置控制優(yōu)先級，這樣很方便地就可以實(shí)現多知識產(chǎn)權工作的協(xié)調和統一。
（3）可重用知識產(chǎn)權模塊程序IPP
由于ET44M210芯片在設計時(shí)采用了IP核可重用設計和規范化的接口，因此對于同一系列的不同芯片，知識產(chǎn)權應用程序可以重用。用戶(hù)只需要對功能模塊的數據接口進(jìn)行安排，無(wú)需從頭開(kāi)始，可以極大地提高程序設計效率。
圖4
（4）支持C高級語(yǔ)言編程
ET_USBICE仿真軟件提供C高級語(yǔ)言編譯器，支持使用臺灣義隆電子系統有限公司所定義的C語(yǔ)言標準編寫(xiě)源程序。
結語(yǔ)
8位嵌入式微處理器芯片正在向SoC化發(fā)展，通過(guò)設計重用和硬、軟件協(xié)同設計的方法達到高效率。ET44M210芯片正是這種SoC化發(fā)展的一個(gè)范例。該芯片具有多個(gè)知識產(chǎn)權，最為突出的是有1個(gè)符合USB1.1協(xié)議標準的USB集線(xiàn)器和1個(gè)2.4GHz的高頻無(wú)線(xiàn)調制解調器。ET44M210采用獨特的“仿真+實(shí)驗模塊”開(kāi)發(fā)方式，價(jià)格低、性能好，可以完全達到硬件在線(xiàn)仿真器ICE的功能。在程序設計中采用匯編宏定義頭文件和可得用知識產(chǎn)權，使得嵌入系統應用程序的開(kāi)發(fā)變得簡(jiǎn)單、方便和快捷。
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