第二章-S12微控制器體系結(jié)構

第二章S12微控制器體系結(jié)構1一、S12系列微控制器概述

Freescale公司是世界上最大的微控制器廠商之一，其產(chǎn)品特點是品種齊全、選擇余地大、新產(chǎn)品多，多年來一直雄居微控制器銷售總量的榜首。它開發(fā)了眾多的8位、16位和32位微控制器。Freescale微控制器的特點之一是在同樣的速度下所用的時鐘頻率較51系列微控制器低得多，因而使得高頻噪聲低，抗干擾能力強，更適合于工控領域及惡劣的汽車環(huán)境。21.S12系列微控制器S12系列微控制器是16位單片機，S12系列有HC12，S12及S12X系列。Freescal的MC9S12系列MCU是以高速CPU12內(nèi)核為基礎的微控制器系列，簡稱S12系列。典型的HC12總線頻率為8MHz，而典型的S12總線頻率為25MHz。HC12與S12指令完全兼容，故在很多場合統(tǒng)稱為HCS12系列微控制器。16位S12系列可以提供32～512KB的第3代FLASH嵌入式存儲器，采用0.25μm技術生產(chǎn)。第3代FLASH存儲器技術提供快速編程能力、靈活的時鐘保護和安全性，幫助客戶保護軟件編碼中的知識產(chǎn)權。另外，具有FLASH存儲器的Freescale微控制器的在線可編程功能，是專門為用戶在生產(chǎn)階段和遠程升級時可靈活編程而設計的。3S12系列具有低成本調(diào)試功能。S12系列微控制器具有單引腳接口的背景調(diào)試(BDM)方式。該方式為實時、無干擾、100％電路內(nèi)仿真，解決了傳統(tǒng)背插式仿真器在兼容性、仿真速度、電平和機械接口方面普遍存在的問題。S12的片內(nèi)RAM和EEPROM容量可達2～14KB。在串行接口方面，S12最多可支持5個CAN總線接口、1個I2C總線接口、2個SCI接口、3個SPI接口。HCSl2時鐘發(fā)生器模塊內(nèi)設鎖柑環(huán)(PLL)，內(nèi)部時鐘可軟件調(diào)節(jié)。Freescale公司的S12MCU系列是汽車電子市場中應用最廣泛的16位體系架構。2007年4月，基于S12的設備的年發(fā)貨量已超過1億臺?？蓴U展的S12系列可為開發(fā)人員提供多種適合他們應用需求的選擇，其片上FLASH存儲器容量可從32KB擴展到1MB，并能輕松遷移到更高性能的S12X系列。4S12系列微控制器主要有A、B、C、D、E、F、G、H、L等系列，分為下列幾大類：MC9S12A系列和B系列16位微控制器；帶CAN總線的MC9S12D系列16位微控制器；帶液晶驅(qū)動的MC9S12H系列和MC9S12L系列16位微控制器；低供電電壓的MC9S12E128和MC9S12E64系列16位微控制器；帶USB接口的MC9S12UF32系列16位微控制器；帶以太網(wǎng)接口的MC9S12NE系列16位微控制器。S12X系列是Freescale公司近期推出的高速、高性能微控制器。S12X系列基于S12的基礎結(jié)構，提供的性能高達現(xiàn)時S12系列的5倍。它提高了總線頻率，最高可達40MHz。52.Freescale半導體公司HCS12的命名規(guī)則MC9S12DGl28參加P1763.MC9S12DGl28概述

MC9S12DG128是Freescale公司推出的S12系列微控制器中的一款增強型16位微控制器。其集成度高，片內(nèi)資源豐富，接口模塊包括SPI、SCI、I2C、A／D、PWM等。它不僅在汽車電子、工業(yè)控制、中高檔機電產(chǎn)品等應用領域具有廣泛的用途，而且在FLASH存儲控制及加密方面也有很強的功能。MC9S12DG128微控制器采用增強型16位S12CPU，片內(nèi)總線時鐘頻率最高可達25MHz；片內(nèi)資源包括8KBRAM、128KBFLASH、2KBEEPROM；SCl、SPI、PWM串行接口模塊；PWM模塊可設置成4路8位或2路16位，可寬范圍選擇邏輯時鐘頻率；它還提供2個8路10位精度A／D轉(zhuǎn)換器、控制器局域網(wǎng)模塊CAN和增強型捕捉定時器，并支持背景調(diào)試模式(BDM)。74.MC9S12DG128系列微控制器的性能特點S12的核心：16位S12CPU：20位ALU，指令隊列，增強型索引尋址；多種外部總線接口(MEBl)；模塊映射控制機制(MMC)；中斷控制(1NT)；斷點(BKP)；背景調(diào)試模塊(BDM)。CRG時鐘和復位發(fā)生器：鎖相環(huán)(PLL)；看門狗(COPwatchdog)；實時中斷(RTl)；時鐘監(jiān)視器(CM)。帶中斷功能的8位和4位端口：可編程的上升沿或下降沿觸發(fā)。存儲器：128KBFLASH；2KBEEPROM；8KBRAM。82個8通道模／數(shù)轉(zhuǎn)換器：10位精度；外部觸發(fā)轉(zhuǎn)變功能。3個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；4個獨立的中斷通道，分別是發(fā)送中斷、接收中斷、錯誤中斷和喚醒中斷；低通濾波器喚醒功能。增強型捕捉定時器：16位計數(shù)器，7位預分頻功能；8個可編程輸入捕捉或輸出比較通道；4個8位或2個16位脈沖累加器。8個PWM通道：每個通道的周期和占空比由程序決定；8位8通道或16位4通道；各通道獨立控制；脈沖在周期內(nèi)中心對稱或左對齊輸出；可編程時鐘選擇邏輯；緊急事件關斷輸入；可作為中斷輸入。9串行口：2個異步串行通信接口(SCl)；2個同步串行設備接口(SPl)；Byteflight模塊。I2C總線：兼容I2C總線標準；多主I2C總線模塊。LQFP—112和QFP—80封裝選擇：5V輸入和帶驅(qū)動能力I／O；5VA／D轉(zhuǎn)換器輸入；50MHz系統(tǒng)頻率(相當于25MHz總線頻率)；單線背景調(diào)試模塊；片上硬件斷點。105.MC9S12DG128微控制器的運行模式1）單片運行模式普通單片模式和特殊單片模式（背景調(diào)試模式）2）擴展運行模式窄模式（8位外部數(shù)據(jù)總線）和寬模式（16位外部數(shù)據(jù)總線）3）其他運行模式測試模式、外設模塊測試模式等116、MC9S12DG128內(nèi)部結(jié)構簡圖、引腳圖及引腳功能MC9S12DGl28系統(tǒng)結(jié)構大致可分為MCU核心與MCU外設兩部分，對應下圖中的左、右半邊。(1)MCU核心該部分包括MCU的3種存儲器(FLASH、RAM、EEPROM)；多電壓調(diào)整器，包括數(shù)字電路和模擬電路電源電壓；具有單線背景調(diào)試接口(BDM)和運行監(jiān)視功能的增強S12CPU；程序存儲器的頁面模式控制；具有中斷識別、讀／寫控制、工作模式等控制功能的系統(tǒng)綜合模塊(SIM)；可用于系統(tǒng)擴展的分時復用總線端口，其中A口、B口可作為外擴存儲器或接口電路時的分時復用地址／數(shù)據(jù)總線，E口的部分口可作為控制總線。(2)MCU外設S12外設部分包括：A／D轉(zhuǎn)換器，增強型定時與捕捉模塊(ECT)，串行接口SPI、I2C。CAN、Byteflight等接口。

12MC9S12DG128的系統(tǒng)結(jié)構圖13引腳封裝MC9S12DGl28有LQFP—112和QFP—8Q兩種封裝形式。采用QFP—80封裝的微控制器沒有引出用于擴展的端口，只引出了一個8路A／D接口。本書主要介紹采用LQFP—112封裝的MC9S12DGl28。MC9S12DGl28引腳分布圖如下圖所示。14MC9S12DGl28引腳分布圖15I/O接口，即輸入輸出接口，是微控制器同外界進行交互的重要通道。這些接口千變?nèi)f化，種類繁多，有顯而易見的人機交互接口，如操縱桿、鍵盤、顯示器；也有無人介入的接口，如網(wǎng)絡接口、機器設備接口。

通用I/O：（GPIO(GeneralPurposeI/O），是I/O的最基本形式，它是一組輸入或輸出引腳，有時也稱為并行I/O(parallelI/O)。二、S12I/O接口簡述與I/O寄存器16輸入引腳有三種不同的連接方式：帶上拉電阻的連接、帶下拉電阻的連接和“懸空”連接。VCCK2R4R3VCCK3R5I3I2MCUK1R1I1VCCR2上拉電阻R2下拉電阻R4I3懸空狀態(tài)17輸出引腳的基本接法作為通用輸出引腳，MCU內(nèi)部程序向該引腳輸出高電平或低電平來驅(qū)動器件工作，即開關量輸出。如圖4-2所示。其中O1引腳是發(fā)光二極管LED的驅(qū)動引腳，當O1引腳輸出高電平時，LED不亮；當O1引腳輸出低電平時，LED點亮。O2引腳接蜂鳴器驅(qū)動電路，當O2腳輸出高電平時，蜂鳴器響；O2腳輸出低電平時，蜂鳴器不響。這里只是原理性說明。

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MC9S12DG128的I/O端口MC9S12DG128有10組普通端口，分別是A口、B口、E口、H口、J口、K口、M口、P口、S口和T口。它們中的大部分具有雙功能。19A口A口的8根引腳與鍵盤中斷模塊的引腳復用，這里只討論A口作為普通I/O口的功能。（1）A口的寄存器

A口作為普通I/O口時，具有三個寄存器，它們是：A口數(shù)據(jù)方向寄存器（DDRA）、A口數(shù)據(jù)寄存器（PORTA）、A口上拉電阻允許寄存器（PUCR）。①A口數(shù)據(jù)方向寄存器（DataDirectionRegisterA，DDRA）

A口數(shù)據(jù)方向寄存器（DDRA）的地址是：$0002，DDRA的第7～0位分別記為DDRA7～DDRA0，這些位分別控制著A口引腳PTA7～PTA0是輸入還是輸出，若DDRAx=0，則引腳PTAx為輸入，若DDRAx=1，則引腳PTAx為輸出。復位時DDRA為$00。記憶要點：數(shù)據(jù)方向寄存器的一位：0—定義輸入，1—定義輸出20讀寫B(tài)it7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2BitlBit0ReadWritePORTA7PORTA6PORTA5PORTA4PORTA3PORTA2PORTAlPORTA0DDRA寄存器PORTA寄存器21②A口數(shù)據(jù)寄存器（PortADataRegister，PORTA）A口數(shù)據(jù)寄存器（PORTA）的地址是：$0000，PORTA的第7～0位分別記為PORTA7～PORTA0。若A口的某一引腳PORTAx被定義成輸出，程序使A口數(shù)據(jù)寄存器PORTA的相應位PORTAx＝0，則引腳PORTAx輸出“低電平”；程序使PORTAx＝1，則引腳PORTAx輸出“高電平”。若A口的某一引腳PORTAx被定義成輸入，程序通過讀取A口數(shù)據(jù)寄存器PORTA，獲得輸入情況，0表示輸入為“低電平”，1表示輸入為“高電平”。記憶要點：輸出時：數(shù)據(jù)寄存器的一位：0—輸出低電平1—輸出高電平輸入時：數(shù)據(jù)寄存器的一位：0—代表外部輸入低電平1—代表外部輸入高電平22③A口上拉電阻允許寄存器（PullUpControlRegister，PUCR）A口、B口、E口、K口都有上拉電阻，它們公用一個控制寄存器（PUCR）。記憶要點：在引腳被定義成輸入時，可通過上拉電阻允許寄存器定義有無內(nèi)部上拉電阻：0—沒有內(nèi)部上拉電阻1—有內(nèi)部上拉電阻23I/O口邏輯電路框圖

下圖給出了A口作為普通I/O使用時，一個外部引腳的相應內(nèi)部邏輯電路框圖。24C語言編程示例DDRA=0xFF;//設置端口A為輸出PORTA=0x0F;25三、S12存儲器模型

1.MC9S12DG128存儲器的組織

MC9S12DG128采用普林斯頓總線結(jié)構，程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器和I／O端口為統(tǒng)一編址方式，總的地址空間為64KB，內(nèi)部集成外設(例如SPI、PWM等)的管理接口(相應的寄存器)，也占用地址空間，因此實際可用的程序和數(shù)據(jù)空間不足64KB。這些存儲器和內(nèi)部集成模塊的地址分配并不是固定不變的，用戶自己可以重新分配，這就需要了解有關地址空間映射方面的內(nèi)容。地址空間映射并不是每種微控制器都采用的地址分配方式，建議初學者不要輕易改動默認的映射空間，應直接采用默認地址映射空間。262.存儲器地址分配

在64KB標準地址空間中，MC9S12DGl28安排了內(nèi)部寄存器、RAM、EEPROM和FLASH／ROM等資源，占據(jù)空間分別為1KB、8KB、2KB和128KB，每個存儲單元對應一個地址，共有64K個地址，用4位十六進制數(shù)表示，即地址為$0000—$FFFF。微控制器內(nèi)部不同的存儲器占用不同的存儲空間，也就是說，不同的地址范圍，它們均占據(jù)特定的地址空間，如下圖所示。復位后的地址應為：$0000～$03FF：1KB寄存器空間；$0000～S1FFF：8KBRAM；$0000～$07FF：2KBEEPROM(不可見)。27MC9S12DG128復位后的地址分配圖

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推薦的MC9S12DG128地址分配圖29寄存器,RAM,EEPROM可以通過設置INITRG,INITRM,INITEE來重新分配他們的位置。這些寄存器只能寫一次，建議在初始化分配寄存器，RAM，EEPROM的位置。對每個INITxx賦值后，在其指令后需插入一空指令NOP。如果映射出現(xiàn)地址重疊時，S12MCU內(nèi)部的優(yōu)先級控制邏輯會自動屏蔽級別較低的資源，保留級別最高的資源。寄存器具有最高優(yōu)先級，與其重疊的RAM和EEPROM此時無效。存儲器的優(yōu)先級如下表所列。優(yōu)先級資源優(yōu)先級資源1(最高)BDMROM(ROM已激活)4EEPROM2寄存器區(qū)5FIASH3RAM6(最低)外部擴展存儲器303RAM地址映射

MC9S12DG128的RAM區(qū)大小為8KB，復位默認首地址為$0000，運行時可重新映射到任何8KB邊界處。映射是通過修改RAM映射寄存器INITRM中的高5位二進制位來實現(xiàn)的。RAM映射寄存器INITRM(1)復位后RAM區(qū)從$0000開始，但可以被映射到64K字節(jié)空間內(nèi)的任何8K字節(jié)塊內(nèi)。比如從$0000-$1FFF,$2000-$3FFF。(2)RAM15-13用來決定RAM區(qū)映射到哪個8K的字節(jié)塊中。RAM12-11不起作用讀寫B(tài)it7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0ReadWriteRAM15RAM14RAM13RAM12RAM1100RAMHAL31(3)RAMHAL：內(nèi)部RAM對齊方式位。0RAM地址與映射空間地址低對齊，最小為為0000；1RAM地址與映射空間地址高對齊，最大為$FFFF。就是說，RAMHAL用來決定8KRAM是放在8K的后8K區(qū)域還是前8K區(qū)域。324.寄存器地址映射

MC9S12DG128的寄存器區(qū)大小為1KB，復位默認首地址為$0000，運行時可重新映射到64KB地址空間中的前32KB中任何2KB邊界處（即地址必須是2K的整數(shù)倍），但實際使用的是前512字節(jié)。映射是通過修改寄存器區(qū)映射寄存器INITRG中4個二進制位來實現(xiàn)的。

讀寫B(tài)it7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0ReadWrite0REG14REG13REG12REG11000寄存器映射寄存器INITRG33REG14～REG11：寄存器區(qū)定位控制位。該位指定寄存器區(qū)16位首地址的第11～14位。最小為$0000，最大為$7FFF。例如，INITRG寄存器中寫入二進制數(shù)01100000時，對應的寄存器映射位置為$6000。345EEPROM地址映射EEPROM存儲器可用來存放MCU系統(tǒng)中不需要頻繁擦寫的重要參數(shù)，例如時間、初始化參數(shù)、配置及數(shù)據(jù)表格、產(chǎn)品版本號等，是一種非常重要的硬件資源。與FLASH相同，EEPROM也按字(16位)方式組織，可按字節(jié)、字方式進行讀訪問。MC9S12DG128內(nèi)部集成了2KB的EEPROM，復位默認首地址為$0000，運行時可重新映射到任何2KB邊界處。映射是通過修改EEPROM映射寄存器INITEE中的前5個二進制位來實現(xiàn)的，最后一位EEON控制EEPROM是否激活。

35EE15～EE11：內(nèi)部EEPROM定位控制位。指定EEPROM區(qū)16位首地址的最高5位。在普通模式下只允許寫入一次，特殊模式下可任意進行寫操作。EEON：EEPROM使能位。該位決定是否允許對EEPROM讀操作，但不影響編程、擦除操作以及對EEPROM控制寄存器的訪問。在單芯片模式下，該位恒為1；在擴展及外設模式下，該位允許寫操作。0EEPROM關閉；1EEPROM使能。讀寫B(tài)it7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0ReadWriteEE15EE14EE13EE12EE1100EEONEEPROM映射寄存器INITEE36MC9S12DGl28的EEPROM具有如下特性：2KB空間；最小擦除單位為4字節(jié)；命令執(zhí)行完畢或命令緩沖區(qū)為空時，產(chǎn)生中斷；快速塊(Section)擦除和字寫入操作；靈活的保護機制，防止意外寫入和擦除；單電源供電擦寫。對EEPROM的寫入、擦除、保護和檢驗均通過寄存器實現(xiàn)。376.FLASH存儲器的組織

S12MCU的FLASH采用16位二進制格式，可按字節(jié)或字方式訪問。字節(jié)和規(guī)則字的訪問占用一個總線周期，非規(guī)則字訪問需2個總線周期。S12MCU在單片模式下，復位后，F(xiàn)LASH為激活狀態(tài)，默認地址為$4000一$FFFF，CPU從地址$FFFE取得程序的入口地址，然后開始引導過程。S12MCU可對FLASH設置硬件保護功能，以保護內(nèi)部數(shù)據(jù)免遭意外擦除。MC9S12DG128使用多個寄存器來管理FLASH，以實現(xiàn)對FLASH的管理、編程、檢測與保護等。387.FLASH地址映射及綜合控制寄存器MC9S12DGl28微控制器具有128KB的FLASH，其復位默認首地址為$4000，即64KB空間的高半部分，運行時可重新映射到低半部分，即$0000。$4000--$FFFF為FLASH存儲器空間，分成3個16KB空間。最高16KB空間的后256字節(jié)，即$FF00～$FFFF是中斷向量表空間。映射通過寄存器MISC實現(xiàn)，其最低位ROMON控制FLASH是否激活。以下是FLASH地址映射及綜合控制寄存器MISC39FLASH地址映射及綜合控制寄存器MISCEXSTRl、EXSTR0：外部總線周期延長控制位。在單芯片模式和外設模式下，這兩位無意義。

ROMHM：FLASH映射控制位。該位決定片內(nèi)FLASH的位置。單芯片模式下，該位復位后為1。若ROMON＝0(參看下面ROMON部分)，該位無意義。0FLASH定位于$0000～$7FFF；

1FLASH定位于$4000～$FFFF。

ROMON：FLASH使能位。擴展模式下，復位后ROMON為0；單芯片模式下，復位后ROMON為1。0FLASH關閉；1FLASH使能。讀寫B(tài)it7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0ReadWrite00EXSTR1EXSTR0ROMHMROMON408.FLASH存儲器的頁面管理S12系列MCU片內(nèi)支持多達256KB的程序存儲器和64KB的數(shù)據(jù)存儲器，顯然存儲空間超過了S12MCU可尋址的64KB空間，因此引入了頁面訪問機制，對于64KB以外的存儲區(qū)，應用專用指令CALL調(diào)用子程序，然后通過RTC指令返回。MC9S12DGl28內(nèi)部集成了128KBFLASH存儲器，并由PPAGE寄存器決定在當前訪問的是哪一頁，64KB以外的存儲區(qū)通過向PPAGE寄存器寫入頁面編號來實現(xiàn)。對于DGl28來說，128KBFLASH空間分為8個16KB的頁面，頁面編號為$38-$3F。CPU在64KB內(nèi)存的$8000～$BFFF段開了一個窗口，只能看到頁面寄存器的某一頁，$3F頁定位在$C000～$FFFF段，$3E頁定位在$4000～$7FFF段。另外6頁只能通過$8000～$BFFF窗口訪問。41FLASH存儲器的頁面管理PPAGE讀寫B(tài)it7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0ReadWrite00PIX5PIX4PIX3PIX2PIX1PIX0PIX0～PIX5：通過$8000～$BFFF窗口訪問的頁面號，可最多管理64個16KB存儲器頁，如下表所示。所有的128K的FLASH可以通過16K的PPAGE窗口來訪問，其中兩個16K的頁也可以通過固定地址（$4000-7FFF,$C000-FFFF）來訪問。$4000-$7FFF與$3E相對應，$C000-$FFFF與$3F相對應42PIX5PIX4PIX3PIX2PIX1PIX0訪問的頁面號00000016KB頁000000116KB頁100001016KB頁200001116KB頁3：：：：：：：11111016KB頁6011110116KB頁6111111016KB頁6211111116KB頁63存儲器的頁面管理注意：此表為$8000～$BFFF窗口訪問的頁面號與PPAGE寄存器PIX0～PIX5位對應表。43448.FLASH存儲器的擦寫保護

S12為了禁止局部FLASH的誤擦除，可以通過寫保護寄存器FPROT進行頁保護，其中$3E頁定位在$4000～$7FFF，$3F定位在$C000～$FFFF。改寫FPROT寄存器可以設定保護范圍：低端空間可為512B、1KB、2KB、4KB，高端空間可以是2KB、4KB、8KB、16KB。45

S12CPU內(nèi)部寄存器可以直接與ALU部件相連，具有數(shù)據(jù)傳送速度最快，數(shù)據(jù)更新最快的特點。這些寄存器有的直接參與操作，有的存放操作結(jié)果，有的提供結(jié)果的特征，S12CPU主要內(nèi)部寄存器如下圖所示。(1)累加器DS12CPU有2個8位累加器：累加器A和累加器B，累加器又可稱為數(shù)據(jù)寄存器，因此累加器A和累加器B又分別稱為寄存器A和寄存器B。寄存器A和寄存器B加起來可看成一個16位寄存器D，其高8位在寄存器A，低8位在寄存器B。實際上寄存器D和A、B指的是同一個寄存器，只是名字不同而已，D寄存器不受復位影響。四、S12CPU編程模型 46S12CPU內(nèi)部寄存器進位/借位標志C溢出標志V為0標志Z為負標志N累加器A和B變址寄存器X變址寄存器Y堆棧指針SP程序計數(shù)器PC程序狀態(tài)寄存器CCR或者16位的雙累加器DSXHINZVC707715000000015151515PCSPYXDBA中斷屏蔽位I半進位標志H非屏蔽中斷允許位X停止（ST