Микроконтроллеры фирмы NEC

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 I
²C (знак + в колонке I
²C) 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.

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).

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 (8×8 бит или 4×16 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 256×8 бит до 2048×8 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 I
²C. 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.

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.

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.

Литература

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