單片機原理及應用-S12X單片機的結構與組成

S12X單片機的結構與組成2.1S12X單片機的主要功能與結構●S12X的核心

-16位S12XCPU@40Mhz總線速率，向上兼容S12指令集-增強指令集，指令隊列，增強型索引尋址●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；非屏蔽外部中斷(XIRQ)高優(yōu)先級-支持部分外設和端口的喚醒中斷-可編程的上升沿或下降沿觸發(fā)●模塊映射控制（MMC），運行監(jiān)視調試（DBG）和單線背景調試模式（BDM）●時鐘和復位發(fā)生器（CRG）-低噪聲、低功耗皮爾斯振蕩器，晶體頻率多選-內部數字濾波、頻率調制的鎖相環(huán)（PLL）

-看門狗（COPwatchdog）

-實時中斷

-時鐘監(jiān)視器-從STOP模式快速喚醒存儲器選項（Memory）

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

-4/8KBDataFlash（S12XD為EEPROM）

-4/8/12KBRAM（S12XD可達32KB）●16通道、12位模數轉換器（ATD）：

-可配置8、10或12位模數轉換器(ADC)-多路復用實現16通道模擬輸入●1Mbps的CAN總線模塊，兼容CAN2.0A/B-5個接收緩沖器，3個發(fā)送緩沖器●定時器模塊（TIM）

-8個16位可編程輸入捕捉或輸出比較通道

-16位自由計數器，8位預分頻功能

-16位脈沖累加器●周期中斷定時器（PIT）-4個周期溢出定時器●8位8通道或16位4通道脈寬調制通道（PWM）

-每個通道的周期和占空比由編程決定

-各通道獨立控制

-可編程時鐘選擇邏輯●通信接口

-異步串行通信接口（SCI）

-同步串行設備接口（SPI）

-芯片內連總線（I2C） （S12XD有，XS128無此模塊，但可模擬）●片上電壓調節(jié)器-線性電壓調節(jié)-帶低壓中斷（LVI）的低電壓檢測-上電復位與低電壓復位●低電壓喚醒定時器（API）●輸入/輸出端口（I/O）-可有多達91個通用輸入輸出端口-所有輸入端口可配置上下拉電阻-所有輸出端口可配置驅動能力●封裝選擇-LQFP112引腳、QFP80引腳、LQFP64引腳 （S12XD中為LQFP144引腳）●其它

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

PV:LQFP-112引腳

AA:QFP-80引腳

AE:LQFP-64引腳（薄）四方扁平封裝表面貼焊引腳功能功能基本相同

80引腳部分功能無

(黑體部分)引腳功能描述

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

EXTAL、XTAL：振蕩器引腳

RESET：外部復位引腳，低電平有效(內部上拉)TEST：廠家測試預留，須連至VssXFG：鎖相環(huán)（PLL）的外部濾波器電容引腳

BKGD/TAGHI/MODC：背景調試/高字節(jié)執(zhí)行標記/模式選擇引腳(內部上拉)

2、電源類引腳

VDDX、VSSX：

外部電源和接地，用以I/O驅動，+5VVDDR、VSSR：外部電源和接地，用以I/O驅動及內部電壓調節(jié)器，+5VVDD1、VSS1、VDD2、VSS2

：MCU核心的工作電源，2.5V，內部

VDDA、VSSA：電壓調節(jié)器和模/數轉換器的電源

VRH、VRL：模數轉換器的參考電壓輸入

VDDPLL、VSSPLL：PLL的電源供給端，2.5V，來自內部電壓調節(jié)器

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

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

例如：AD端口可A/D轉換的模擬輸入，S端口可設置為SPI和SCI通訊接口，T端口可設置為增強型捕捉定時器的輸入，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)啟動控制口，用于開機時確定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模塊關聯作為通信接口M口：與ByteFlight、CAN模塊關聯作為通信接口P口：與PWM、SPI模塊關聯作為通信接口H口：與SPI模塊關聯作為通信接口J口：與CAN、IIC模塊關聯作為通信接口2.2運行模式多種運行模式滿足各種需要，是一個芯片能具有強靈活性和擴展性，8種：普通單片模式最終產品正常運行應用程序普通擴展寬模式、普通擴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)開發(fā)、調試特殊測試模式、特殊設備模式低功耗模式

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

芯片模式的配置

參見表2-3

復位信號的上升沿時，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）

又稱為背景調試模式(BackgroundDebugMode，BDM)注：引腳MODEB、MODEA在MCU復位時有下拉為低，所以，懸空時自動為單片模式；又：引腳BKGD有內部上拉，懸空時默認為高電平；所以，當插上BDM頭時，由BDM調試工具的相應引腳給BKGD提供低電平，使MCU進入特殊單片模式；若不插BDM頭，則進入普通單片模式。BDM接口電路

BDMBackgroundDebugMode

是Freescal自定義的，方便下載程序、在線調試、監(jiān)視等

BDM調試器

須另購或自制，通過USB接口接PC，插頭接目標板插頭引腳形式：BKGD1NC3NC52GND4RESET6VDD信號含義：BKGD接單線背景調試引腳GND接地VDD接電源RESET接目標機復位引腳2.3振蕩器和時鐘電路

內部集成振蕩電路，提供MCU工作的時鐘基本脈沖

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，因有內部上拉，復位默認1）

圖2-3中，RB、RS為保證起振，RB取1M，高頻率時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的總線時鐘頻率=晶振頻率的1/2

如晶振頻率為16MHz，則總線時鐘頻率為8MHzEXTALMCUXTALRBRSC3C4晶振圖2-3EXTALMCUXTAL懸空CMOS兼容的外部時鐘圖2-42.4MC9S12XS128單片機的最小系統(tǒng)設計注：實際電路圖繪制時，須使用工具軟件PROTEL(DXP)等包括：電源電路復位電路晶振電路BDM電路PLL電路2.5系統(tǒng)復位、運行監(jiān)視與時鐘選擇

1、復位功能S12MCU復位共有5種：

上電復位低電壓復位外部復位時鐘監(jiān)視復位（可選）看門狗復位（可選）2、系統(tǒng)運行監(jiān)視

兩種監(jiān)視手段，以保證系統(tǒng)的正確運行，提高可靠性:看門狗定時器（WDT）程序跑飛或異常時，使MCU復位時鐘監(jiān)視器（CM）時鐘異常時，使MCU復位

3.時鐘選擇

用來產生固定周期的硬件定時中斷。

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

2.6.0.MCU存儲器分類及特點寄存器。RAM

讀寫方便，保持經常修改的數據。掉電不能保護數據。靜態(tài)RAM,動態(tài)RAM;3.EEPROM

非易失存儲器。用于保持重要、修改少的數據。掉電保持。4.FLASH

固有不揮發(fā)性。不需要后備電源保持數據。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入數據。2.6.1存儲空間分配二.由邏輯地址向物理地址變換過程一.存儲器管理問題對基本64K空間進行分配各種存儲器地址安排如何避免沖突，發(fā)生沖突解決方法超過基本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保留擴展FLASH1M256K768K2M4M8M四.內存映射關系1.8M空間分配2.存儲區(qū)映射模塊原理MMC注意：GPAGE主要應用于讀取大型表格，關聯指令有限，不適合應用到程序中的操作（比如加減運算等）。專用全局指令關聯:3.存儲器8M空間的連續(xù)讀取GLDARGSTAR4.基本64K空間分配頁面分配空間定義：DFLASH:1KRAM:4KFLASH:16KS12XS128內存：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存儲器地址管理2KB寄存器空間4KB分頁RAM1KB數據閃存

$FF$FD$FC$FB$00$FD8KBRAM$FE$FF$FC$FB$FA$00最多255最多25416KB閃存16KB閃存16KBFLASH分頁閃存$FF$FE$FD$FC$FB$FA$00最多2541KB分頁數據閃存

$FE初始值：EPAGE=$FE RPAGE=$FD PPAGE=$FE2KB寄存器空間4K保留1KB數據閃存

$FF$FD$FC$FB$F8$FD8KBRAM$FE$FF16KB閃存16KB閃存16KB分頁閃存$FF$FE$FD$FC$FB$FA$F81KB分頁數據閃存

$FEXS128S實際地址分配關系

程序需要調用需要的頁面時，使用與頁面寄存器相關的指令將程序調入分頁WINDOW。集成：I/O寄存器、RAM、DFLASH、PFLASH統(tǒng)一編址：64KB($0000~$FFFF）。每存儲單元存8位信息I/O寄存器1KB，(分配2K空間）RAM8KB（沒有使用頁面擴展機制，實際存放在64K空間內，$2000-$3FFF共2個4K）DFLASH8KB（頁面擴展機制，共8頁，每頁1K頁面編號$FF、$FE$F8）FLASH128KB（頁面擴展機制，共8頁，每頁16K

頁面編號$FF、$FE$F8）

IO尋址采用的是統(tǒng)一尋址，非獨立IO尋址！

MC9S12XS128存儲器的組織結構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，CPU暫時停止執(zhí)行當前的程序(保護斷點)，轉向中斷服務程序；中斷處理完后返回原來的程序繼續(xù)運行(恢復斷點)。中斷是MCU的重要功能。

S12MCU豐富的中斷源：多個普通中斷、多個特殊中斷。2.7.1S12的特殊中斷復位

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

上電復位和外部RESET復位中斷的向量地址：

$FFFE~$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，復位默認1。CCR的X位可設置一次,不能發(fā)生0到1的變化即不能關閉。

地址$FF10~$FFF8為S12X的中斷向量表。每個向量(2個字節(jié))指向中斷服務程序的入口地址。外部中斷IRQ的向量地址：$FFF2~$FFF3中斷向量表：中斷優(yōu)先級：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I位可屏蔽中斷。偽中斷：$FF10,最底部。優(yōu)先級？？？？？？。系統(tǒng)中斷：$FF12IVBR=$FF:$FF10TO$FFFEIVBR=$EF:

$EF10TO$EFFE2.7.3中斷處理過程、優(yōu)先級與嵌套

不可屏蔽中斷高于可屏蔽中斷，可以被多級嵌套。不可屏蔽中斷的優(yōu)先級

由硬件規(guī)定，按以下次序遞減：上電復位或外部RESET引腳復位；時鐘監(jiān)視復位看門狗復位指令陷阱TRAP軟件中斷SWI外部中斷XIRQ可屏蔽中斷的優(yōu)先級系統(tǒng)復位后，小于等于$FF12的中斷向量激活狀態(tài)。默認優(yōu)先級為1級，可以重新設置；非屏蔽中斷、SYS中斷、偽中斷不能被屏蔽；當優(yōu)先級相等時，中斷向量地址高的中斷優(yōu)先級高；

2.7.3中斷處理過程、優(yōu)先級與嵌套

1.中斷處理的基本流程

(1)中斷請求及條件中斷源未被屏蔽，且中斷允許觸發(fā)器被置位。

(2)中斷響應一般在現行指令結束時檢測中斷請求，如中斷響應條件滿足就進入中斷響應周期，自動進行3件事：關中斷，即將CCR的I位置1，以屏蔽其它中斷干擾。保護斷點地址和標志寄存器CCR的內容壓入到堆棧，即現場保護。跳轉到中斷服務程序的入口地址，即將中斷向量地址的內容載入PC。(3)中斷處理程序完成中斷后要處理的功能。中斷服務程序通常放在不分頁FLASH區(qū)。(4)中斷返回中斷服務的最后一條指令必須是RTI，返回時自動將堆棧中的標志寄存器內容和斷點地址彈出，使程序回到中斷前的地址繼續(xù)運行原來的程序。2.中斷現場保護

MCU硬件自動將PC,IY,IX,D,CCD寄存器內容依次壓棧，同時清I位。4.中斷嵌套中斷向量地址：$FF00TO$FFFF，共16*8=128個.中斷請求配置地址寄存器INT_CFADDR:高4為可以寫入$0TO$F,共16個地址。例如：$E0對應選擇了8個中斷源

$FFE0,$FFE2,….$FFEE(TC7…TC0計時器）中斷請求配置數據寄存器INT_CFDATA0-7INT_CFADDR=$E0INT_CFDATA7設置TC7優(yōu)先級

. . . .INT_CFDATA0設置TC0優(yōu)先級【例】用中斷源IRQ產生中斷顯示LED跑馬燈。(在IRQ引腳和地之間加接一個按鍵，內部默認上。)

初始化設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中斷程序設計主程序中進行中斷初始化，并執(zhí)行占用時間較多的程序；中斷服務程序要求簡短、高效，條件苛刻時盡量使用匯編語言;

在整個源程序的末尾聲明中斷子程序的所對應的矢量地址，格式如例;

以上所有源程序會通過IDE集成開發(fā)環(huán)境自動進行編譯、鏈接、定位，形成可執(zhí)行機器代碼。程序說明：IRQ中斷觸發(fā)的LED跑馬燈,LED接B口， B口高4位輸出低電平時點亮.MY_EXTENDED_RAM:SECTIONFLAGEQU$2000MyCode:SECTION;codesectionmain:Entry:LDS#__SEG_END_SSTACKLDAA#$FFSTAADDRB;設置B口為輸出

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

CLI;開中斷

LDAA#$FFSTAAPORTB;先全熄滅

LDAA#$00STAAFLAG;送停止標志$00給FLAG

WAIT:CMPAFLAGBEQWAIT;FLAG為$00等待

SEC;C置1LDAA#$FESHIFT:STAAPORTB;亮1個燈

BSRDELAY;延時

ROLA;循環(huán)左移

BRCLRPTP,#$01,CANCEL