32位精簡指令集架構(gòu)的AT91M42800A的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
關(guān)鍵詞：精簡指令集 AT91M42800A 單片機(jī)
１ 引言
目前，嵌入式產(chǎn)品逐步占領(lǐng)了ＰＣ市場，而其核心部分——處理器的性能則決定了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和性能。在３２位嵌入式處理器中， 由ＡＴＭＥＬ 公司生產(chǎn)的ＡＴ９１系列芯片之一ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ是基于ＡＲＭ７ＴＤＭＩ 處理器內(nèi)核的１６／３２位微控制器，它除具有ＡＲＭ處理器的低功耗、低成本、高性能等優(yōu)點(diǎn)外，還具有非常豐富的片內(nèi)資源，特別適合于嵌入式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)。
２ ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ 的基本特性
ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ采用３２位精簡指令集（ＲＩＳＣ）架構(gòu)，因此，它既支持１６位Ｔｈｕｍｂ指令集，又支持３２位的Ａｒｍ指令集。它采用三級流水線結(jié)構(gòu)，可在同一時(shí)間內(nèi)，一條指令在執(zhí)行，第二條指令在譯碼，第三條指令在取指，這樣，在每個(gè)周期都有一條指令在執(zhí)行，因此，指令執(zhí)行速度很快。ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ的基于先進(jìn)微控制器總線結(jié)構(gòu)（ＡＭＢＡ）的模塊化設(shè)計(jì)方法具有綜合、快速、高性能價(jià)格比的特點(diǎn)。該微控制器的內(nèi)部工作寄存器很多，非常適合實(shí)時(shí)控制應(yīng)用。其主要特點(diǎn)如下：
●內(nèi)核電壓和鎖相環(huán)電壓為２．７～３．６Ｖ， Ｉ／Ｏ口操作電壓為２．７～５．５Ｖ；
●內(nèi)部帶有８ｋＢ靜態(tài)ＲＡＭ；
●具有完全可編程外部總線接口（ＥＢＩ），且多達(dá)８個(gè)片選，尋址空間很大；
●內(nèi)含８通道外設(shè)數(shù)據(jù)控制器（ＰＤＣ）；
●帶有５４個(gè)可編程Ｉ／Ｏ口；
●內(nèi)含６通道１６位定時(shí)／計(jì)數(shù)器；
●具有２個(gè)通用串行異步接收／發(fā)送器（ＵＳＡＲＴ）和２個(gè)主／從ＳＰＩ接口；
●內(nèi)含３個(gè)系統(tǒng)定時(shí)器；
●時(shí)鐘可由３２７６８ Ｈｚ 晶體和內(nèi)部鎖相環(huán)（ＰＬＬ）電路產(chǎn)生，最高可編程至３３ＭＨｚ，也可由外部時(shí)鐘信號(hào)提供；
●內(nèi)置嵌入式在線仿真電路（Ｅｍｂｅｄｄｅｄ ＩＣＥ）?可通過ＪＴＡＧ口對ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ進(jìn)行測試。
３ 基本組成系統(tǒng)
由ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ構(gòu)成的最基本的系統(tǒng)至少應(yīng)包括以下幾個(gè)部分：
（１）程序存儲(chǔ)器（ＲＯＭ）
由于ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ 內(nèi)部沒有ＲＯＭ，因此，必須外擴(kuò)一片程序存儲(chǔ)器。應(yīng)當(dāng)注意的是：ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ的８位總線和１６位總線的ＦＬＡＳＨ接法不同，具體接法如圖１所示。
（２）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器?ＲＡＭ?
如果設(shè)計(jì)的系統(tǒng)比較復(fù)雜，數(shù)據(jù)比較多，當(dāng)單片機(jī)內(nèi)部８ｋＢ ＳＲＡＭ不能滿足要求時(shí)，還要外擴(kuò)一片數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ能夠支持兩種“寫”方式，但對８位數(shù)據(jù)總線和１６位數(shù)據(jù)總線的操作也是不同的，因此，對于不同的存儲(chǔ)器，其接法不同。對于８位總線的存儲(chǔ)器，只需接Ｄ０～Ｄ７，將Ｄ８～Ｄ１５懸空，并將其地址線對接，而單片機(jī)的ＮＷＥ／ＮＷＲ０接到存儲(chǔ)器的ＮＷＥ上。對于１６位總線的存儲(chǔ)器，則將其數(shù)據(jù)線對接，Ａ１～Ａ１７接存儲(chǔ)器的Ａ０～Ａ１６，并將其ＮＷＥ／ＮＷＲ０接存儲(chǔ)器的ＮＷＥ，ＮＵＢ／ＮＷＲ１接存儲(chǔ)器的ＮＵＢ，ＮＬＢ／Ａ０接存儲(chǔ)器的ＮＬＢ。外擴(kuò)的ＲＡＭ 的接法與外擴(kuò)ＦＬＡＳＨ的接法類似。
（３）時(shí)鐘發(fā)生電路
ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ的時(shí)鐘既可以外接晶體，也可外接時(shí)鐘信號(hào)。當(dāng)外接晶體時(shí)，由于其內(nèi)帶振蕩電路，因此，外接３２．７６８ ｋＨｚ 的晶體后，可產(chǎn)生慢時(shí)鐘（ＳＬＣＫ）。由于ＳＬＣＫ頻率低，所以系統(tǒng)的功耗也很低。若想提高系統(tǒng)的工作頻率，則可通過ＰＬＬＡ或ＰＬＬＢ對其倍頻，以達(dá)到所要求的工作頻率。如果所需頻率不能通過ＰＬＬ倍頻得到，則可由外接時(shí)鐘信號(hào)來提供。當(dāng)外接時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，可直接把時(shí)鐘信號(hào)接到ＸＩＮ引腳上，ＸＯＵＴ引腳懸空。
（４）顯示電路
顯示電路可采用數(shù)碼管顯示或液晶顯示，由于液晶顯示的功耗低，故常采用這種顯示方式。該設(shè)計(jì)選用的液晶顯示模塊為ＬＣＭ１０３。
（５）電源及復(fù)位電路
ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ內(nèi)部帶有看門狗（ＷａｔｃｈＤｏｇ）電路，也可以外加ＷａｔｃｈＤｏｇ電路。本文中的例子采用的就是外加ＷａｔｃｈＤｏｇ電路的接法，所選用的器件是ＭＡＸＩＭ公司生產(chǎn)的ＭＡＸ６３１６ＬＵＫ２９ＣＹ。
４ 典型應(yīng)用
由于單片機(jī)ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ具有低功耗、高性能、片內(nèi)資源豐富、尋址空間大等優(yōu)點(diǎn)，所以適合現(xiàn)場總線產(chǎn)品的開發(fā)，其簡要硬件原理圖如圖２所示。圖中只給出主要器件的主要引腳接法，電源電路及其它引腳限于篇幅圖中未畫，讀者在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中可自行設(shè)定。
圖2 現(xiàn)場總線開發(fā)實(shí)例
５ 存儲(chǔ)器空間分配
在本設(shè)計(jì)中，由于ＡＲＭ７ＴＤＭＩ處理器的地址空間非常大（可達(dá)４Ｇ字節(jié)）。因此，在重映射前，可將地址最低的４ＭＢ分配給內(nèi)部存儲(chǔ)器，最高的４Ｍ 分配給內(nèi)部外設(shè)，其余中間的地址空間（從０ｘ００４０００００到０ｘＦＦＦＣＦＦＦＦ）留給外部擴(kuò)展的設(shè)備，這部分設(shè)備可由ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ 的八個(gè)片選來選擇。筆者選擇的ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ開發(fā)環(huán)境為ＡＤＳ１．１，由于在實(shí)際的嵌入式系統(tǒng)中，ＡＤＳ１．１提供的缺省存儲(chǔ)器映射不能滿足要求，而用戶的目標(biāo)硬件有多個(gè)存儲(chǔ)器設(shè)備，且位于不同的位置，如上例中，ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ的四個(gè)片選分別給了外擴(kuò)ＦＬＡＳＨ、外擴(kuò)的ＲＡＭ、以及ＦＢ３０５０的內(nèi)部寄存器片選和存儲(chǔ)器片選，因此需要通過Ｓｃａｔ-ｔｅｒ 文本文件來指定一段代碼或數(shù)據(jù)在加載和運(yùn)行時(shí)在存儲(chǔ)器的不同位置，這個(gè)文本文件在命令行中由－ｓｃａｔｔｅｒ開關(guān)指定。在ａｒｍ ｌｉｎｋｅｒ菜單的ｏｕｔｐｕｔ 子菜單下有ｌｉｎｋ ｔｙｐｅ一項(xiàng)。ｌｉｎｋ ｔｙｐｅ 選項(xiàng)中，只要選擇 ｓｃａｔｔｅｒ，并指定ｓｃａｔｔｅｒ．ｓｃｆ 文件的存儲(chǔ)位置就可以了。在下面的例子中，ＦＬＡＳＨ中的代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在０ｘ０４００００００起始的、長度為３２ｋＢ的地址空間中。
由于Ｓｔａｒｔ． ｓ：匯編引導(dǎo)程序代碼在執(zhí)行重映射后，中斷向量表將存放在內(nèi)部ＲＡＭ中，其地址范圍為０ｘ００００００００到０ｘ００００００１８，因此，用于存放數(shù)據(jù)的實(shí)際地址是從０ｘ００００００２０開始的。存放在外擴(kuò)ＲＡＭ中的代碼放在ｅｘｔ＿ｒａｍ．ｃ中，以下類似。上例的ｓｃａｔｔｅｒ 文本文件代碼如下：
ＦＬＡＳＨ ０ｘ０４００００００ ０ｘ８０００
{
ＦＬＡＳＨ ０ｘ０４００００００ ０ｘ８０００
{
Ｓｔａｒｔ．ｏ (Ｒｅｓｅｔ, ＋Ｆｉｒｓｔ)
＊ (＋ＲＯ)
}
ＲＡＭ ＯＮ ＣＨＩＰ ０ｘ００２０ ０ｘ２０００
{
＊(＋ＲＷ,＋ＺＩ)
}
ＲＡＭ ＯＦＦ ＣＨＩＰ ０ｘ８００００００ ０ｘ４００００
{
ｅｘｔ ｒａｍ．ｏ(＋ＲＷ,＋ＺＩ)
}
ＦＢ３０５０ ＳＥＮＤ ０ｘ３０００００００ ０ｘ００ｆｆ
{
ｓｅｎｄｂｕｆ．ｏ(＋ＲＷ,＋ＺＩ)
}
ＦＢ３０５０ ＲＥＣＥＩＶＥ ０ｘ３０００４０００ ０ｘ００ｆｆ
{
ｒｅｃｅｉｖｅ ｂｕｆ．ｏ?＋ＲＷ?＋ＺＩ?
}
}
６ 調(diào)試要點(diǎn)
在設(shè)計(jì)調(diào)試過程中，ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ還有幾個(gè)特殊的引腳需要特別注意。
ＢＭＳ：此引腳用來選擇引導(dǎo)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寬度，如果引導(dǎo)存儲(chǔ)器是８位的，應(yīng)將其上拉，而如果為１６位則要下拉。
ＮＴＲＩ：此引腳用來選擇三態(tài)模式。如果要進(jìn)入三態(tài)模式，應(yīng)使ＮＴＲＩ引腳在ＮＲＳＴ上升沿到來之前保持１０個(gè)慢時(shí)鐘周期的低電平，否則，則應(yīng)將ＮＴＲＩ上拉。
ＮＷＡＩＴ：此引腳在調(diào)試ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ?xí)r，應(yīng)將其上拉，否則，系統(tǒng)將進(jìn)入等待狀態(tài)。
ＭＯＤＥ０、ＭＯＤＥ１：這兩個(gè)引腳用來選擇ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ的４種操作模式，當(dāng)模式改變時(shí)，必須進(jìn)行復(fù)位才能有效。其設(shè)置方法如表１所列。
表1 操作模式設(shè)置
| MODE0 | MODE1 | 操 作 模 式 |
| 0 | 0 | 通用模式（時(shí)鐘由片上振蕩電路產(chǎn)生） |
| 0 | 1 | 邊界掃描模式 |
| 1 | 0 | 通用模式（時(shí)鐘由外時(shí)鐘信號(hào)通過XIN引腳） |
| 1 | 1 | 保留 |
７ 結(jié)束語
ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ是一款處理能力非常強(qiáng)、性能價(jià)格比非常高的嵌入式微控制器，它具有３２位處理器的處理能力，但卻只有１６位處理器的價(jià)格。它豐富的片上資源和強(qiáng)大的擴(kuò)展能力為嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)提供了很大靈活性。
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