單片機(jī)原理及應(yīng)用-S12X單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成

S12X單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成2.1S12X單片機(jī)的主要功能與結(jié)構(gòu)●S12X的核心

-16位S12XCPU@40Mhz總線(xiàn)速率，向上兼容S12指令集-增強(qiáng)指令集，指令隊(duì)列，增強(qiáng)型索引尋址●中斷控制管理模塊（INT）

-支持7層嵌套中斷，每層靈活的中斷源分配；

-可編程優(yōu)先級(jí)；非屏蔽外部中斷(XIRQ)高優(yōu)先級(jí)-支持部分外設(shè)和端口的喚醒中斷-可編程的上升沿或下降沿觸發(fā)●模塊映射控制（MMC），運(yùn)行監(jiān)視調(diào)試（DBG）和單線(xiàn)背景調(diào)試模式（BDM）●時(shí)鐘和復(fù)位發(fā)生器（CRG）-低噪聲、低功耗皮爾斯振蕩器，晶體頻率多選-內(nèi)部數(shù)字濾波、頻率調(diào)制的鎖相環(huán)（PLL）

-看門(mén)狗（COPwatchdog）

-實(shí)時(shí)中斷

-時(shí)鐘監(jiān)視器-從STOP模式快速喚醒存儲(chǔ)器選項(xiàng)（Memory）

-64/128/256KBFlashEEPROM，帶ECC糾錯(cuò) （S12XD可達(dá)512KB）

-4/8KBDataFlash（S12XD為EEPROM）

-4/8/12KBRAM（S12XD可達(dá)32KB）●16通道、12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ATD）：

-可配置8、10或12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)-多路復(fù)用實(shí)現(xiàn)16通道模擬輸入●1Mbps的CAN總線(xiàn)模塊，兼容CAN2.0A/B-5個(gè)接收緩沖器，3個(gè)發(fā)送緩沖器●定時(shí)器模塊（TIM）

-8個(gè)16位可編程輸入捕捉或輸出比較通道

-16位自由計(jì)數(shù)器，8位預(yù)分頻功能

-16位脈沖累加器●周期中斷定時(shí)器（PIT）-4個(gè)周期溢出定時(shí)器●8位8通道或16位4通道脈寬調(diào)制通道（PWM）

-每個(gè)通道的周期和占空比由編程決定

-各通道獨(dú)立控制

-可編程時(shí)鐘選擇邏輯●通信接口

-異步串行通信接口（SCI）

-同步串行設(shè)備接口（SPI）

-芯片內(nèi)連總線(xiàn)（I2C） （S12XD有，XS128無(wú)此模塊，但可模擬）●片上電壓調(diào)節(jié)器-線(xiàn)性電壓調(diào)節(jié)-帶低壓中斷（LVI）的低電壓檢測(cè)-上電復(fù)位與低電壓復(fù)位●低電壓?jiǎn)拘讯〞r(shí)器（API）●輸入/輸出端口（I/O）-可有多達(dá)91個(gè)通用輸入輸出端口-所有輸入端口可配置上下拉電阻-所有輸出端口可配置驅(qū)動(dòng)能力●封裝選擇-LQFP112引腳、QFP80引腳、LQFP64引腳 （S12XD中為L(zhǎng)QFP144引腳）●其它

-單電源，3.135V~5.5V寬工作電壓范圍-對(duì)應(yīng)80MHz系統(tǒng)頻率，CPU總線(xiàn)頻率最高可達(dá)40MHz-溫度性能：-40°C~125°C的寬溫度范圍2.2MC9S12DG128的結(jié)構(gòu)2.3MC9S12XS128的引腳功能封裝

PV:LQFP-112引腳

AA:QFP-80引腳

AE:LQFP-64引腳（?。┧姆奖馄椒庋b表面貼焊引腳功能功能基本相同

80引腳部分功能無(wú)

(黑體部分)引腳功能描述

LQFP-112，參見(jiàn)表2-1，可分為3大類(lèi)：1、系統(tǒng)功能類(lèi)引腳

EXTAL、XTAL：振蕩器引腳

RESET：外部復(fù)位引腳，低電平有效(內(nèi)部上拉)TEST：廠家測(cè)試預(yù)留，須連至VssXFG：鎖相環(huán)（PLL）的外部濾波器電容引腳

BKGD/TAGHI/MODC：背景調(diào)試/高字節(jié)執(zhí)行標(biāo)記/模式選擇引腳(內(nèi)部上拉)

2、電源類(lèi)引腳

VDDX、VSSX：

外部電源和接地，用以I/O驅(qū)動(dòng)，+5VVDDR、VSSR：外部電源和接地，用以I/O驅(qū)動(dòng)及內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器，+5VVDD1、VSS1、VDD2、VSS2

：MCU核心的工作電源，2.5V，內(nèi)部

VDDA、VSSA：電壓調(diào)節(jié)器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的電源

VRH、VRL：模數(shù)轉(zhuǎn)換器的參考電壓輸入

VDDPLL、VSSPLL：PLL的電源供給端，2.5V，來(lái)自?xún)?nèi)部電壓調(diào)節(jié)器

VREGEN：片內(nèi)5V->2.5V電壓調(diào)節(jié)器的使能端，高有效()；如為低，則VDD1、VDD2、VDDPLL須外部供電3、I/O類(lèi)引腳

共有92個(gè)，包括AD,A,B,E,H,J,K,M,P,S,T共11組端口，每組端口不僅可設(shè)定為普通的I/O端口，還可復(fù)用.

例如：AD端口可A/D轉(zhuǎn)換的模擬輸入，S端口可設(shè)置為SPI和SCI通訊接口，T端口可設(shè)置為增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器的輸入，輸出接口等引腳功能描述

2、A口和B口

①

PAD口：PAD15~8,7~0模擬量輸入口

②

PA、PB、PK：通用I/O口（PA7-0,PB7-0，PK7-0)3、E口系統(tǒng)啟動(dòng)控制口，用于開(kāi)機(jī)時(shí)確定MCU的工作模式。通常使用缺省狀況，盡量不用于普通輸入/輸出。①EXTAL/XTAL:振蕩器引腳

②nRESET:上電復(fù)位端1、系統(tǒng)功能引腳3、H口、J口、M口、P口、S口和T口

這些端口都有第二種功能，在不使用第二種功能的時(shí)候，可以作為通用輸入/輸出口T口：接收輸入捕捉功能S口：SCI、SPI模塊關(guān)聯(lián)作為通信接口M口：與ByteFlight、CAN模塊關(guān)聯(lián)作為通信接口P口：與PWM、SPI模塊關(guān)聯(lián)作為通信接口H口：與SPI模塊關(guān)聯(lián)作為通信接口J口：與CAN、IIC模塊關(guān)聯(lián)作為通信接口2.2運(yùn)行模式多種運(yùn)行模式滿(mǎn)足各種需要，是一個(gè)芯片能具有強(qiáng)靈活性和擴(kuò)展性，8種：普通單片模式最終產(chǎn)品正常運(yùn)行應(yīng)用程序普通擴(kuò)展寬模式、普通擴(kuò)展窄模式仿真寬模式、仿真窄模式特殊單片模式BDM可用，用以系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、調(diào)試特殊測(cè)試模式、特殊設(shè)備模式低功耗模式

以上運(yùn)行模式均支持，3種：停止（Stop）、偽停止（Pseudo）與等待（Wait）

芯片模式的配置

參見(jiàn)表2-3

復(fù)位信號(hào)的上升沿時(shí)，由MODC、MODB、MODA決定并配合ROMCTL、ROMON

主要使用：普通單片模式：MODC(BKGD)=1MODB(PE6)=0MODA(PE5)=0特殊單片模式：MODC(BKGD)=0MODB(PE6)=0MODA(PE5)=0

特殊單片模式（SpecialSingleChip）

又稱(chēng)為背景調(diào)試模式(BackgroundDebugMode，BDM)注：引腳MODEB、MODEA在MCU復(fù)位時(shí)有下拉為低，所以，懸空時(shí)自動(dòng)為單片模式；又：引腳BKGD有內(nèi)部上拉，懸空時(shí)默認(rèn)為高電平；所以，當(dāng)插上BDM頭時(shí)，由BDM調(diào)試工具的相應(yīng)引腳給BKGD提供低電平，使MCU進(jìn)入特殊單片模式；若不插BDM頭，則進(jìn)入普通單片模式。BDM接口電路

BDMBackgroundDebugMode

是Freescal自定義的，方便下載程序、在線(xiàn)調(diào)試、監(jiān)視等

BDM調(diào)試器

須另購(gòu)或自制，通過(guò)USB接口接PC，插頭接目標(biāo)板插頭引腳形式：BKGD1NC3NC52GND4RESET6VDD信號(hào)含義：BKGD接單線(xiàn)背景調(diào)試引腳GND接地VDD接電源RESET接目標(biāo)機(jī)復(fù)位引腳2.3振蕩器和時(shí)鐘電路

內(nèi)部集成振蕩電路，提供MCU工作的時(shí)鐘基本脈沖

XTAL振蕩器的輸出引腳

EXTAL振蕩器的輸入引腳

兩種接法：（XCLKS(PE7)=1時(shí)，因有內(nèi)部上拉，復(fù)位默認(rèn)1）

圖2-3中，RB、RS為保證起振，RB取1M，高頻率時(shí)RS取小或短接濾波電容C3、C4取22pF

圖2-4中，一般為外接有源晶振

S12的總線(xiàn)時(shí)鐘頻率=晶振頻率的1/2

如晶振頻率為16MHz，則總線(xiàn)時(shí)鐘頻率為8MHzEXTALMCUXTALRBRSC3C4晶振圖2-3EXTALMCUXTAL懸空CMOS兼容的外部時(shí)鐘圖2-42.4MC9S12XS128單片機(jī)的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)注：實(shí)際電路圖繪制時(shí)，須使用工具軟件PROTEL(DXP)等包括：電源電路復(fù)位電路晶振電路BDM電路PLL電路2.5系統(tǒng)復(fù)位、運(yùn)行監(jiān)視與時(shí)鐘選擇

1、復(fù)位功能S12MCU復(fù)位共有5種：

上電復(fù)位低電壓復(fù)位外部復(fù)位時(shí)鐘監(jiān)視復(fù)位（可選）看門(mén)狗復(fù)位（可選）2、系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)視

兩種監(jiān)視手段，以保證系統(tǒng)的正確運(yùn)行，提高可靠性:看門(mén)狗定時(shí)器（WDT）程序跑飛或異常時(shí)，使MCU復(fù)位時(shí)鐘監(jiān)視器（CM）時(shí)鐘異常時(shí)，使MCU復(fù)位

3.時(shí)鐘選擇

用來(lái)產(chǎn)生固定周期的硬件定時(shí)中斷。

10RH-1T=晶振周期ⅹ2ⅹ2ⅹ(RL+1)其中：RH=RTICTL6~4,RL=RTICTL3~0相關(guān)寄存器詳細(xì)情況（略）2.6存儲(chǔ)器

2.6.0.MCU存儲(chǔ)器分類(lèi)及特點(diǎn)寄存器。RAM

讀寫(xiě)方便，保持經(jīng)常修改的數(shù)據(jù)。掉電不能保護(hù)數(shù)據(jù)。靜態(tài)RAM,動(dòng)態(tài)RAM;3.EEPROM

非易失存儲(chǔ)器。用于保持重要、修改少的數(shù)據(jù)。掉電保持。4.FLASH

固有不揮發(fā)性。不需要后備電源保持?jǐn)?shù)據(jù)。易更新性。成本低、密度高、可靠性好。僅在特殊模式下才可能寫(xiě)入數(shù)據(jù)。2.6.1存儲(chǔ)空間分配二.由邏輯地址向物理地址變換過(guò)程一.存儲(chǔ)器管理問(wèn)題對(duì)基本64K空間進(jìn)行分配各種存儲(chǔ)器地址安排如何避免沖突，發(fā)生沖突解決方法超過(guò)基本64K空間解決辦法$00_0000,$00_07FF$00_0800,$0F_FFFF$10_0000,$13_FFFF$14_0000,$1F_FFFF$20_0000,$3F_FFFF$40_0000,$7F_FFFF2K寄存器RAMDFLASH保留擴(kuò)展FLASH1M256K768K2M4M8M四.內(nèi)存映射關(guān)系1.8M空間分配2.存儲(chǔ)區(qū)映射模塊原理MMC注意：GPAGE主要應(yīng)用于讀取大型表格，關(guān)聯(lián)指令有限，不適合應(yīng)用到程序中的操作（比如加減運(yùn)算等）。專(zhuān)用全局指令關(guān)聯(lián):3.存儲(chǔ)器8M空間的連續(xù)讀取GLDARGSTAR4.基本64K空間分配頁(yè)面分配空間定義：DFLASH:1KRAM:4KFLASH:16KS12XS128內(nèi)存：DFLASH:8K=8×1KRAM:8K<12KFLASH:128K=8×16K12K2K16K2K5.邏輯地址映射4K16K1K邏輯空間256×1K=256K256×4K=1M256×16K=4MCPU16位地址6.單片模式空間分配2.6.2存儲(chǔ)器地址管理2KB寄存器空間4KB分頁(yè)RAM1KB數(shù)據(jù)閃存

$FF$FD$FC$FB$00$FD8KBRAM$FE$FF$FC$FB$FA$00最多255最多25416KB閃存16KB閃存16KBFLASH分頁(yè)閃存$FF$FE$FD$FC$FB$FA$00最多2541KB分頁(yè)數(shù)據(jù)閃存

$FE初始值：EPAGE=$FE RPAGE=$FD PPAGE=$FE2KB寄存器空間4K保留1KB數(shù)據(jù)閃存

$FF$FD$FC$FB$F8$FD8KBRAM$FE$FF16KB閃存16KB閃存16KB分頁(yè)閃存$FF$FE$FD$FC$FB$FA$F81KB分頁(yè)數(shù)據(jù)閃存

$FEXS128S實(shí)際地址分配關(guān)系

程序需要調(diào)用需要的頁(yè)面時(shí)，使用與頁(yè)面寄存器相關(guān)的指令將程序調(diào)入分頁(yè)WINDOW。集成：I/O寄存器、RAM、DFLASH、PFLASH統(tǒng)一編址：64KB($0000~$FFFF）。每存儲(chǔ)單元存8位信息I/O寄存器1KB，(分配2K空間）RAM8KB（沒(méi)有使用頁(yè)面擴(kuò)展機(jī)制，實(shí)際存放在64K空間內(nèi)，$2000-$3FFF共2個(gè)4K）DFLASH8KB（頁(yè)面擴(kuò)展機(jī)制，共8頁(yè)，每頁(yè)1K頁(yè)面編號(hào)$FF、$FE$F8）FLASH128KB（頁(yè)面擴(kuò)展機(jī)制，共8頁(yè)，每頁(yè)16K

頁(yè)面編號(hào)$FF、$FE$F8）

IO尋址采用的是統(tǒng)一尋址，非獨(dú)立IO尋址！

MC9S12XS128存儲(chǔ)器的組織結(jié)構(gòu)2.7中斷系統(tǒng)2.7.1中斷系統(tǒng)概述

中斷概念：指某外部事件或異常發(fā)生時(shí)，CPU暫時(shí)停止執(zhí)行當(dāng)前的程序(保護(hù)斷點(diǎn))，轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序；中斷處理完后返回原來(lái)的程序繼續(xù)運(yùn)行(恢復(fù)斷點(diǎn))。中斷是MCU的重要功能。

S12MCU豐富的中斷源：多個(gè)普通中斷、多個(gè)特殊中斷。2.7.1S12的特殊中斷復(fù)位

5種情況可以觸發(fā)復(fù)位中斷（不可屏蔽中斷）：上電復(fù)位(低電壓）外部(RESET)復(fù)位非法尋址復(fù)位看門(mén)狗定時(shí)器溢出復(fù)位設(shè)置COPCTL寄存器(CR[2:0]非零)時(shí)鐘監(jiān)視失效復(fù)位設(shè)置PLLCTL寄存器(CME=1，SCME=1)

上電復(fù)位和外部RESET復(fù)位中斷的向量地址：

$FFFE~$FFFF2.7.2S12XS的中斷不可屏蔽中斷：非法指令中斷TRAP

軟件中斷SWI

外部中斷XIRQ

系統(tǒng)中斷SYS

偽中斷可屏蔽中斷(I位可屏蔽中斷)IRQ、RTI、TIME、SCI、SPI、CAN等功能部件。CCR的X、I位0=允許中斷；1=屏蔽中斷，復(fù)位默認(rèn)1。CCR的X位可設(shè)置一次,不能發(fā)生0到1的變化即不能關(guān)閉。

地址$FF10~$FFF8為S12X的中斷向量表。每個(gè)向量(2個(gè)字節(jié))指向中斷服務(wù)程序的入口地址。外部中斷IRQ的向量地址：$FFF2~$FFF3中斷向量表：中斷優(yōu)先級(jí)：非I位可屏蔽＞

I位可屏蔽；非I位可屏蔽中斷可以中斷I位可屏蔽中斷，且IPL不變；例如：在中斷中加入SWI指令，可以中斷一個(gè)I位可屏蔽中斷。偽中斷：$FF10,最底部。優(yōu)先級(jí)？？？？？？。系統(tǒng)中斷：$FF12IVBR=$FF:$FF10TO$FFFEIVBR=$EF:

$EF10TO$EFFE2.7.3中斷處理過(guò)程、優(yōu)先級(jí)與嵌套

不可屏蔽中斷高于可屏蔽中斷，可以被多級(jí)嵌套。不可屏蔽中斷的優(yōu)先級(jí)

由硬件規(guī)定，按以下次序遞減：上電復(fù)位或外部RESET引腳復(fù)位；時(shí)鐘監(jiān)視復(fù)位看門(mén)狗復(fù)位指令陷阱TRAP軟件中斷SWI外部中斷XIRQ可屏蔽中斷的優(yōu)先級(jí)系統(tǒng)復(fù)位后，小于等于$FF12的中斷向量激活狀態(tài)。默認(rèn)優(yōu)先級(jí)為1級(jí)，可以重新設(shè)置；非屏蔽中斷、SYS中斷、偽中斷不能被屏蔽；當(dāng)優(yōu)先級(jí)相等時(shí)，中斷向量地址高的中斷優(yōu)先級(jí)高；

2.7.3中斷處理過(guò)程、優(yōu)先級(jí)與嵌套

1.中斷處理的基本流程

(1)中斷請(qǐng)求及條件中斷源未被屏蔽，且中斷允許觸發(fā)器被置位。

(2)中斷響應(yīng)一般在現(xiàn)行指令結(jié)束時(shí)檢測(cè)中斷請(qǐng)求，如中斷響應(yīng)條件滿(mǎn)足就進(jìn)入中斷響應(yīng)周期，自動(dòng)進(jìn)行3件事：關(guān)中斷，即將CCR的I位置1，以屏蔽其它中斷干擾。保護(hù)斷點(diǎn)地址和標(biāo)志寄存器CCR的內(nèi)容壓入到堆棧，即現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)。跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序的入口地址，即將中斷向量地址的內(nèi)容載入PC。(3)中斷處理程序完成中斷后要處理的功能。中斷服務(wù)程序通常放在不分頁(yè)FLASH區(qū)。(4)中斷返回中斷服務(wù)的最后一條指令必須是RTI，返回時(shí)自動(dòng)將堆棧中的標(biāo)志寄存器內(nèi)容和斷點(diǎn)地址彈出，使程序回到中斷前的地址繼續(xù)運(yùn)行原來(lái)的程序。2.中斷現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)

MCU硬件自動(dòng)將PC,IY,IX,D,CCD寄存器內(nèi)容依次壓棧，同時(shí)清I位。4.中斷嵌套中斷向量地址：$FF00TO$FFFF，共16*8=128個(gè).中斷請(qǐng)求配置地址寄存器INT_CFADDR:高4為可以寫(xiě)入$0TO$F,共16個(gè)地址。例如：$E0對(duì)應(yīng)選擇了8個(gè)中斷源

$FFE0,$FFE2,….$FFEE(TC7…TC0計(jì)時(shí)器）中斷請(qǐng)求配置數(shù)據(jù)寄存器INT_CFDATA0-7INT_CFADDR=$E0INT_CFDATA7設(shè)置TC7優(yōu)先級(jí)

. . . .INT_CFDATA0設(shè)置TC0優(yōu)先級(jí)【例】用中斷源IRQ產(chǎn)生中斷顯示LED跑馬燈。(在IRQ引腳和地之間加接一個(gè)按鍵，內(nèi)部默認(rèn)上。)

初始化設(shè)置外部中斷控制寄存器INTCR。

IRQE：0=低電平觸發(fā)，1=下降沿觸發(fā)

IRQEN：0=禁止IRQ中斷，1=使能Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0IRQEIRQEN0000007.3中斷程序設(shè)計(jì)主程序中進(jìn)行中斷初始化，并執(zhí)行占用時(shí)間較多的程序；中斷服務(wù)程序要求簡(jiǎn)短、高效，條件苛刻時(shí)盡量使用匯編語(yǔ)言;

在整個(gè)源程序的末尾聲明中斷子程序的所對(duì)應(yīng)的矢量地址，格式如例;

以上所有源程序會(huì)通過(guò)IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境自動(dòng)進(jìn)行編譯、鏈接、定位，形成可執(zhí)行機(jī)器代碼。程序說(shuō)明：IRQ中斷觸發(fā)的LED跑馬燈,LED接B口， B口高4位輸出低電平時(shí)點(diǎn)亮.MY_EXTENDED_RAM:SECTIONFLAGEQU$2000MyCode:SECTION;codesectionmain:Entry:LDS#__SEG_END_SSTACKLDAA#$FFSTAADDRB;設(shè)置B口為輸出

LDAA#$C0STAAIRQCR;設(shè)置外部中斷IRQ使能,;下降沿觸發(fā)

CLI;開(kāi)中斷

LDAA#$FFSTAAPORTB;先全熄滅

LDAA#$00STAAFLAG;送停止標(biāo)志$00給FLAG

WAIT:CMPAFLAGBEQWAIT;FLAG為$00等待

SEC;C置1LDAA#$FESHIFT:STAAPORTB;亮1個(gè)燈

BSRDELAY;延時(shí)

ROLA;循環(huán)左移

BRCLRPTP,#$01,CANCEL