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單片機開發

單片機復用設計技術


隨著集成電路的高速發展,集成電路的升級換代越來越快,早期經典MCS51系列產品已經退出市場,這與許多裝備要求的長期穩定供應形成矛盾。利用現有技術基礎,設計完成一款單片機產品,該產品能夠兼容大多數早期MCS51單片機產品,為各類裝備持續供應和維護提供了一種可借鑒手段。

一、單片機復用設計總體方案

MCS51架構來源于Intel,在Intel公司完成該單片機架構后,進行了架構公開,這樣就允許其它公司也利用MCS51架構設計單片機產品。在12時鐘架構的單片機產品系列中,應用最廣泛的就是Philips公司和Atmel公司的產品。

L89C51RD2采用0.18μmCMOS工藝設計制造,內部包含64KBflash和1KBRAM,其工作頻率最高可達40MHz,從性能上講,該款單片機產品具備兼容早期單片機的基礎。由于采用了0.18μm工藝平臺進行設計生產,該產品的生命周期更長。

L89C51RD2可直接替代Philips公司的P89C51RD2產品,并且質量等級更高。在L89C51RD2的基礎上開展設計技術研究,目標是能夠替代AT89S52系列單片機產品和P89V51RD2系列產品。下面列舉各個單片機的不同點,以便開展替代設計工作,如表1所示。

表 1 各個公司 MCS51 產品對比

二、單片機設計

L89C51RD2采用0.18μm工藝進行設計,其端口性能和頻率性能已經做了優化,實際性能已經達到和超越了P89C51RD2,可以對P89C51RD2完全替代,因此設計的主要目的是要同時兼容和替代P89V51RD2和AT89S52。

要想替代P89V51RD2,需要在兩個功能上進行設計,一個是SPI接口。這個接口在P1.4-P1.7端口復用,設計時不僅要在端口上增加電路,還需要在SFR區的D5H,AAH,86H,81H四個地址增加特殊功能寄存器,并且在中斷23H入口地址,增加SPI中斷向量,這部分功能是新增功能,通過verilog語言設計的電路來實現。另一個功能是上電后的ISP功能。L89C51RD2的ISP功能,是首先對PSEN置0,然后進行RESET復位,讓程序區進入FC00H的ISP里面。P89V51RD2的做法,是首先在上電復位時,先完成對FCF寄存器(B1H地址)的清零,然后改寄存器的啟動功能,保證在復位完成后,首先程序區進入和用戶程序區相重疊的Boot程序區。在這個8KB程序區,程序檢測串行口,如果發現串行口有“U”字符出現,即進入ISP狀態,執行ISP擦除和下載操作,如果沒有發現串口,則在400ms后退出Boot程序區,切換回用戶程序區,并從0000H地址開始執行用戶指令。這部分功能的設計,通過軟件來實現,首先定義L89C51RD2的Boot字節不為0,這樣上電以后,就直接從FC00H地址開始執行。此處設計400ms的校驗程序,然后根據端口是否出現“U”來判斷是否退出啟動下載程序。

要想替代AT89S51系列單片機,需要L89C51RD2增加SPI接口實現ISP的功能。AT89S52系列單片機的ISP編程接口,沒有選擇UART,而是直接復用了P1.5、P1.6、P1.7三個端口。在上電復位時,三個端口有ISP功能,可以接收編程允許命令,一旦編程允許命令被收到,器件就進入到ISP編程環境里,可以通過上位機控制串行編程器對器件編程。L89C51RD2為P89V51RD2新增的SPI功能,可以覆蓋這個SPI接口功能,只要保證此時的SPI功能不會出現中斷等信息,就能夠實現嵌入。嵌入以后,還要有專門的程序緩沖區和flash編程接口,以便對flash進行在系統編程。最終完成的設計框圖如圖1所示。

圖 1 SPI 接口 部分設計框圖

在完成各個模塊設計和整體設計后,還要完成選擇設計,即改進的L89C51RD2需要一個選擇功能,以便復用成不同的器件。這里面用到了flash的NVRb區。Flash的NVRb區專門為芯片設計者使用,一般不提供給用戶。在此程序區里面,可以存放出廠信息和初始化信息,也包括芯片選擇的信息。L89C51RD2在上電以后,會從NVRb區讀取三個字節作為初始化數據,這里面我們利用這個初始化數據,直接設定芯片選擇位,從而實現產品的軟件選擇和出廠選擇設定。芯片復用選擇的功能框圖如圖2所示。

圖 2 NVRB 區選擇功能框圖

三、單片機仿真及流片結果

設計完成后,通過數字平臺和混合信號平臺,對設計進行了仿真分析。在上電過程中,rst還保持高電平時,即讀取NVRb區內容,從而確定當前芯片采用的是哪種功能。仿真結果表明,通過flash的NVRb區讀取,器件先后執行了L89C51RD2的功能、P89V51RD2的功能和AT89S52的功能,證明器件復用的方法可行。

流片結果顯示,改進型L89C51RD2達到了預期設計指標,并且電路的工作頻率能夠達到高于AT89S52的水平。在用戶整機試用中,能夠實現對AT89S52等單片機電路的插拔替代,并且由于內部flash容量和RAM容量更大,對系統升級也有幫助。

總結

隨著集成電路的高速發展,集成電路產品的升級換代速度越來越快,這就對一些需要長期穩定供貨的場合提出了挑戰。為解決這個問題,在先進的集成電路工藝上,完成多款老產品的歸一化平臺設計,無疑為這個問題找到了一個圓滿的解決方案。

同時,隨著集成電路生產能力的提升,集成成本越來越低,同一個產品越來越傾向于同一平臺。但從市場角度看,卻要求產品能夠多樣化,層次化,所以集成電路復用設計技術的研究,不僅面向老產品的問題解決,也能夠對新產品的市場定位,起到重要的促進作用。

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