內含CalmRISC CPU的８位單片機S3CK215及其應用

摘要：C3CK215是韓國三星公司生產(chǎn)的8-bit單片機芯片，它使用CamRISC CPU作為核心，同時(shí)整合了LCD控制驅動(dòng)器、放大器以及A/D、D/A轉換器等功能單元。文中介紹了S3CK215的結構特點(diǎn)，給出了S3CK215在校音器設計中的具體應用。 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(kāi)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控制驅動(dòng)器、放大器以及A/D、D/A轉換器等非常有用的功能單元(比如LCD控制驅動(dòng)器可以直接驅動(dòng)高達120個(gè)點(diǎn)的LCD顯示屏)。由于這些單元拓展了該單片機的功能，因此，使用該單片機設計電路時(shí)，只需附加簡(jiǎn)單的外部電路就可以構成一個(gè)完整的單片機系統，而且功耗低、體積小、系統可靠性高。此外，三星公司還為S3CK215的應用提供了一套有效的開(kāi)發(fā)工具和在線(xiàn)仿真器，從而方便了設計者基于S3CK215的軟硬件設計。 本文介紹了使用S3CK215設計的校音器電路。該校音器在采集到樂(lè )器所產(chǎn)生的聲音信號后，可計算出聲音頻率，同時(shí)顯示其與理想頻率的偏差，然后以此作為樂(lè )器調整的依據，使之發(fā)出標準聲音。 圖1 2　S3CK215介紹 圖1是S3CK215的內部結構模塊圖。從圖1可以看出，該單片機具有以下特點(diǎn)： ●使用CalmRISC作為中央處理單元; ●內含八位乘法器; ●具有深度達16級的硬件堆棧，每級寬度為16-bit; ●帶有LCD驅動(dòng)控制器; ●具有10-bit A/D轉換器和9-bit D/A轉換器; ●內含兩個(gè)運算放大器。 2.1 CalmRISC處理器 CalmRISC是三星公司新開(kāi)發(fā)的一種8-bit低功耗RISC微處理器，它滿(mǎn)足哈佛體系結構，具有獨立的程序存儲器和數據存儲器，其指令和數據可以通過(guò)各自的路徑同時(shí)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。 CalmRISC的內部結構包括一個(gè)8-bit ALU、16個(gè)通用寄存器、11個(gè)專(zhuān)用寄存器、16級硬件堆棧以及程序存儲器地址生成單元以及數據存儲器地址生成單元等。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(zhuān)用寄存器包括狀態(tài)寄存器、鏈接寄存器以及數據存儲器索引寄存器。CalmRISC中的16級硬件堆棧除了可以作為數據暫存空間外，還可以用來(lái)進(jìn)行低功耗堆棧操作。

CalmRISC具有三級流水線(xiàn)。圖2所示是Calm-RISC處理器的三級流水線(xiàn)示意圖。對CalmRISC的操作可采用寄存器-存儲器指令集方式。操作時(shí)首先取指令(IF)并將程序計數器(PC)指向指令地址，接著(zhù)將指令放入指令寄存器(IR)，然后進(jìn)行指令譯碼和數據存儲器讀取(ID/MEM)，同時(shí)執行指令和回寫(xiě)(EXE/WB)，最后由ALU來(lái)執行指令并將指令執行結果寫(xiě)入目標寄存器。 CalmRISC采用流水線(xiàn)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行完畢。實(shí)際上，大多數CalmRISC指令都是單字節指令，取指操作只需一個(gè)時(shí)鐘周期即可完成;但是 “CALL”和“JP”等跳轉指令是雙字節指令，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(guò)設置乘法器控制寄存器(MULCON)可支持8-bit符號數或無(wú)符號數的乘法運算，而且只需兩個(gè)時(shí)鐘周期即可輸出運算結果。它的組成包括操作數寄存器(MXINPMYINP)、結果寄存器(MRHMRL)和8-bit乘法運算器。調用乘法器實(shí)現乘法的程序段如下： 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 運算放大器 S3CK215中有兩個(gè)運算放大器，MIC放大器和濾波放大器，一個(gè)用于從輸入信號中濾除噪聲以提高信號的信噪比，另一個(gè)用于輸入信號的放大，以便進(jìn)行后續的信號處理。當然這些放大器可以根據用戶(hù)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轉換器 S3CK215內部整合了10-bit模數轉換器(A/D)和9-bit數模轉換器D/A。其中，A/D轉換器的轉換過(guò)程需要50個(gè)時(shí)鐘周期。模擬信號輸入端口是與I/O Port2(8-bit I/O端口)復用的，通過(guò)Port2的控制寄存器(P2CONHP2CONL)可確定Port2是否用于A(yíng)/D轉換器的模擬信號輸入，而通過(guò)A/D轉換器的控制寄存器(ADCON)可控制選擇器以確定Port2的哪一位作為A/D輸入端口。輸入信號的模擬電平值應在A(yíng)VREF和AVSS之間。 9-bit D/A轉換器的主體為R-2R陣列結構，它由R-2R陣列結構、D/A控制寄存器、D/A數據寄存器、D/A輸出端口等組成。 3　S3CK215在校音器中的應用 S3CK215單片機在校音器中的應用電路如圖4所示。由圖可見(jiàn)，使用S3CK215只需要設計簡(jiǎn)單的電路即可實(shí)現所需功能。首先通過(guò)MIC采集聲音模擬信號，并使用片內運算放大器進(jìn)行信號濾波和放大;接著(zhù)通過(guò)A/D轉換器得到數字信號并對數字信號進(jìn)行處理以得到聲音信號的頻率信息，同時(shí)將其轉換成對應的音名音階及音分值，最后通過(guò)片內LCD控制驅動(dòng)器將結果輸出到LCD進(jìn)行顯示。 此電路設計充分利用了S3CK215提供的片內特殊功能模塊，它可將以往需要在片外實(shí)現的信號放大及A/D轉換移到片內來(lái)實(shí)現，因而大大簡(jiǎn)化了電路的設計，提高了系統集成度，降低了功耗，同時(shí)也使系統更加穩定并利于維護。

圖5給出了該校音器的軟件設計流程圖。該軟件采用中斷來(lái)進(jìn)行數據采樣因而大大簡(jiǎn)化了程序設計。具體方法是在主程序初始化后，根據數據采樣率再設置定時(shí)器并由定時(shí)器產(chǎn)生內部中斷，接著(zhù)在中斷處理程序中讀取輸入端口以作為數據采樣值，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)行采樣數據的處理，最后將有效的處理結果在LCD上顯示輸出。 4　結束語(yǔ) 筆者用S3CK215模擬器實(shí)現的校音器系統經(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)現的校音器，比同類(lèi)產(chǎn)品更具有電路簡(jiǎn)單、功耗小、成本低的特點(diǎn)，具有一定的實(shí)用開(kāi)發(fā)價(jià)值。