第二章 飛思卡爾單片機簡介

Freescale系列單片機簡介

前言 目前世界上的單片機或者微控制器的種類繁多，單片機供應商也有很多，例如Freescale、ATMEL、NXP、ST、Microchip、Infineon、TI、NEC等，其中Freescale（飛思卡爾）公司的8位、16位和32位單片機性能穩(wěn)定、品種齊全，針對不同的應用領(lǐng)域可以選擇不同性能、型號的單片機。本章著重介紹Freescale公司的MC9S12系列(HCS12簡稱S12系列)16位單片機的概況，并和HCS12X系列16位雙核單片機進行簡單比較，最后給出HCS12系列單片機最小系統(tǒng)中各部分的設(shè)計方案。2.1HCS12系列單片機概述2.1.1HCS12系列單片機的命名規(guī)則①表示質(zhì)量認定狀態(tài)。MC表示完全合格產(chǎn)品，XC表示初始產(chǎn)品，PC表示預測試產(chǎn)品。②表示存儲器類型。無表示片內(nèi)帶ROM或者片內(nèi)沒有程序存儲器，7表示片內(nèi)帶EPROM或一次可編程ROM（OTPROM），8表示片內(nèi)帶EEPROM，9表示片內(nèi)帶Flash存儲器。③表示內(nèi)核類型。S12表示16位單片機，S08表示8位單片機。④表示系列。DG表示為D系列產(chǎn)品。⑤表示存儲空間大小及版本。128表示128KB的Flash存儲空間，B為Flash版本。⑥表示工作溫度范圍。無表示工作溫度范圍是0℃～70℃，C表示工作溫度范圍是40℃～85℃，V表示工作溫度范圍是40℃～105℃，M表示工作溫度范圍是40℃～125℃。⑦表示封裝形式。FU表示80引腳QFP封裝，PV表示112引腳LQFP封裝。⑧表示無鉛標志。E表示芯片生產(chǎn)過程無鉛。2.1HCS12系列單片機概述2.1.2MC9S12A系列單片機簡介2.1HCS12系列單片機概述2.1.2MC9S12B系列單片機簡介2.1HCS12系列單片機概述2.1.2MC9S12D系列單片機簡介2.1HCS12系列單片機概述2.1.2HCS12系列單片機簡介2.2HCS12X系列單片機概述2.2.1HCS12X系列單片機主要特點

Freescale公司于2005年推出HCS12X系列單片機（也稱為MCU），該系列是HCS12系列的增強型產(chǎn)品，基于S12CPU內(nèi)核，可以達到25MHz的HCS12的2～5倍的性能。S12X系列增加了172條指令，可以執(zhí)行32位運算，總線頻率最高可達40MHz，并且改進了中斷處理能力。

2.2HCS12X系列單片機概述S12X系列單片機采用復雜指令集計算機（CISC）架構(gòu)，集成了中斷控制器，具有豐富的尋址方式。中斷有7個優(yōu)先級，并且內(nèi)核支持優(yōu)先級的的調(diào)度，最多可以有117個中斷源。2.2HCS12X系列單片機概述 S12X系列單片機的最大特點是增加了一個并行處理的外圍協(xié)處理器XGATE模塊，它是一個獨立于主處理器（S12XD）的可編程RISC內(nèi)核。XGATE可作為一個高效的DMA控制器使用，能夠自主地實現(xiàn)外設(shè)與RAM之間的高速數(shù)據(jù)傳輸，并在數(shù)據(jù)傳送過程中靈活進行數(shù)據(jù)處理；XGATE也可作為一個單獨的算法單元完成運算功能，如通信協(xié)議的實現(xiàn)；XGATE還可作為虛擬外設(shè)使用，如使用通用I/O口模擬串行通信口功能，或?qū)唵蔚耐庠O(shè)通過軟件包裝實現(xiàn)功能強大的個性化外設(shè)功能等。集成XGATE的目的就是在日益復雜的嵌入式系統(tǒng)中，減輕S12XD主處理器的負擔，以增強系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐能力和應用功能設(shè)計的靈活性。2.2HCS12X系列單片機概述S12X系列單片機與S12系列單片機的主要區(qū)別2.2HCS12X系列單片機概述2.2.2XGATE協(xié)處理器與主處理器的關(guān)系 在S12X系列中，中斷控制器硬件產(chǎn)生的中斷可以選擇由XGATE或者S12XD主處理器來處理。XGATE對于任何中斷的處理都會減輕主處理器的中斷負荷，并且XGATE完全有能力響應整個中斷。

2.2HCS12X系列單片機概述2.2.3XGATE的基本特性XGATE協(xié)處理器結(jié)構(gòu)2.2HCS12X系列單片機概述2.2.3XGATE的基本特性（１）精簡指令集內(nèi)核XGATE是一個16位的精簡指令集內(nèi)核。內(nèi)核擁有8個16位通用寄存器R0～R7，1個程序計數(shù)器PC，1個4位的條件碼寄存器CCR。其中R0恒為0，可用于對變量的快速清零或置位。R1和R7有額外用途：XGATE響應中斷時，硬件將中斷向量表中對應通道的1個16位字裝載到R1（通常用做數(shù)據(jù)指針），將棧指針裝載到R7，如圖所示。

2.2HCS12X系列單片機概述2.2.3XGATE的基本特性（2）XGATE指令集XGATE共有72條獨立的指令，指令時鐘最高可達100MHz。XGATE的時鐘速度總是主處理器總線速度的2倍。XGATE的大部分指令是對通用寄存器的操作，為單周期指令。訪問存儲器的指令為雙周期指令。跳轉(zhuǎn)指令視條件而定可能為1或2個周期指令。XGATE有一些特殊的比特提取及插入的單周期指令，特別適用于串行通信協(xié)議使用。2.2HCS12X系列單片機概述2.2.3XGATE的基本特性（3）XGATE訪問空間S12X的全局存儲空間共有8MB，XGATE可以訪問其中片內(nèi)的64KB空間。這64KB空間包括2KB的片上外設(shè)寄存器，30KB的片上閃存和最大32KB的片內(nèi)RAM。注意XGATE不能訪問EEPROM空間或片外資源。XGATE的訪問空間完全限制在主處理器內(nèi)部訪問空間范圍內(nèi)。地址仲裁的規(guī)則是主處理器的優(yōu)先級總高于XGATE，如圖所示。2.2HCS12X系列單片機概述2.2.3XGATE的基本特性（4）XGATE事件驅(qū)動線程XGATE的代碼執(zhí)行是由事件驅(qū)動的，這里的事件就是指中斷。所謂事件驅(qū)動就是指由中斷來觸發(fā)XGATE運行。沒有中斷時，XGATE不執(zhí)行任何指令，從而也沒有功耗?？梢奨GATE的代碼就是一組中斷服務程序，沒有主程序或空閑時的循環(huán)程序。XGATE的中斷服務程序也稱做線程。2.2HCS12X系列單片機概述2.2.3XGATE的基本特性（5）互斥信號量主處理器與XGATE之間常用的通信方式是共享資源。由于這兩個內(nèi)核可以獨立異步的訪問內(nèi)存及片上外設(shè)，就會產(chǎn)生數(shù)據(jù)完整性問題。為了保證共享數(shù)據(jù)的完整性，XGATE集成了8個硬件互斥信號量（Semaphore）。用戶可以通過硬件信號量來同步兩個內(nèi)核對共享數(shù)據(jù)的訪問。信號量有3種狀態(tài)：釋放、主處理器鎖定和XGATE鎖定。每個內(nèi)核在訪問共享資源前，應當首先鎖定相應的信號量；在訪問結(jié)束后應當釋放相應的信號量。2.2HCS12X系列單片機概述2.2.4典型S12X系列單片機簡介（1）MC9S12XA、MC9S12XB和MC9S12XD系列這三個系列的單片機是以低成本和低功耗為目的設(shè)計的，具有良好的電磁兼容性和高效的代碼執(zhí)行效率。MC9S12XA系列主要包括MC9S12XA256和MC9S12XA512兩種型號的單片機，其中MC9S12XA512包含外部總線接口EBI，模塊映像控制MMC功能，中斷控制器INT，用于監(jiān)控HCS12XCPU和XGATE總線活動的調(diào)試模塊DBG和背景調(diào)試模式BDM功能，具有2個A/D模塊，每個為12通道10位分辨率，具有4個獨立暫停期限的定時器PIT，暫停期限可以在1～224總線時鐘周期之間選擇，同時還有CRG模塊，具有低噪聲/低功耗皮爾斯（Pierce）振蕩器、PLL、COP監(jiān)視器、實時中斷、時鐘監(jiān)控器等功能。MC9S12XB系列目前主要包括MC9S12XB128和MC9S12XB256兩種型號的單片機。它們的總線頻率均為33MHz，該系列單片機與MC9S12XD系列單片機完全兼容，相比于S12XD系列而言，S12XB系列單片機精簡了一些功能，并通過降低總線速率來減少成本。2.2HCS12X系列單片機概述2.2.4典型S12X系列單片機簡介（2）MC9S12XE系列MC9S12XE系列單片機與MC9S12XD系列單片機完全兼容，同時提高了系統(tǒng)的集成功能。MC9S12XE系列單片機工作頻率為50MHz，工作電壓為3.3～5.5V，包括一個存儲器保護單元（MPU），用于防止軟件執(zhí)行過程中的系統(tǒng)錯誤。此外XGATE也得到了加強，頻率可以達到100MHz，同時與其他單片機上的XGATE模塊也是兼容的。

2.2HCS12X系列單片機概述2.2.4典型S12X系列單片機簡介（3）MC9S12XF系列MC9S12XF系列單片機除了包括其他一些S12X的共有功能外，還具有1個符合FlexRay協(xié)議V2.1的FlexRay控制器，F(xiàn)lexRay技術(shù)的引入使其網(wǎng)絡(luò)性能得到大幅提升，F(xiàn)lexRay網(wǎng)絡(luò)可用于車身、底盤和安全等領(lǐng)域應用。該系列目前主要包括MC9S12XFE128和MC9S12XFR128兩種型號的單片機，工作頻率可以達到38MHz。2.2HCS12X系列單片機概述2.2.4典型S12X系列單片機簡介（4）MC9S12XS系列MC9S12XS系列單片機是高性能MC9S12XE系列單片機的經(jīng)濟性、高效性產(chǎn)品的補充，帶有一套為汽車車身和乘客舒適度應用而優(yōu)化設(shè)計的改進型片上外圍設(shè)備、存儲器等模塊，可應用于汽車座椅控制模塊、空調(diào)控制模塊、各種車身控制模塊等的設(shè)計應用。2.3MC9S12DG128簡介2.3.1MC9S12DG128性能概述MC9S12DG128只是HCS12家族中的一個成員。該器件包括大量的片上存儲器和外部I/O。MC9S12DG128是一個16位器件，由16位中央處理單元（HCS12CPU）、128KBFlash、8KBRAM、2KBEEPROM組成片內(nèi)存儲器。同時還包括2個異步串行通信接口（SCI）、2個串行外設(shè)接口（SPI）和一個8通道輸入捕捉/輸出比較（IC/OC）增強型捕捉定時器（ECT）、2個8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）和一個8通道PWM。MC9S12DG128還包括29個獨立的數(shù)字I/O口（A、B、K和E），20個獨立的數(shù)字I/O口具有中斷和喚醒功能。另外還具有2個CAN2.0A/B標準兼容模塊（MSCAN12）和一個I2C總線。MC9S12DG128具有內(nèi)部16位數(shù)據(jù)通道，外部總線可以按照8位數(shù)據(jù)總線窄模式操作，所以可以和8位數(shù)據(jù)總線的存儲器連接，以降低成本。PLL電路允許根據(jù)系統(tǒng)需求調(diào)整電源功耗及性能。2.3MC9S12DG128簡介2.3.1MC9S12DG128性能概述MC9S12DG128主要特性包括：16位HCS12CPU；內(nèi)部存儲器：128KBFlash；8KBRAM；2KBEEPROM；外圍設(shè)備：2個增強型串行通信接口（SCI）；2個串行外設(shè)接口（SPI）；2個MSCAN模塊；I2C總線接口；2個8通道10位A/D；8通道16位增強型捕捉定時器（ECT）；8通道8位或4通道16位PWM。2.3MC9S12DG128簡介2.3.2MC9S12DG128內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳MC9S12DG128內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖2.3MC9S12DG128簡介2.3.2MC9S12DG128內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳MC9S12DG128LQFP112封裝引腳圖2.3MC9S12DG128簡介2.3.2MC9S12DG128內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳MC9S12DG128QFP80封裝引腳圖2.3MC9S12DG128簡介2.3.3MC9S12DG128引腳功能1．XTAL和EXTAL（47、46）——振蕩器引腳XTAL和EXTAL分別是晶體驅(qū)動輸出和外部時鐘輸入引腳。EXTAL引腳既可以接晶振，也可以接COMS兼容的時鐘信號，驅(qū)動內(nèi)部時鐘發(fā)生電路，器件中所有的時鐘信號都來自該引腳輸入的時鐘。XTAL引腳為晶體驅(qū)動輸出，當EXTAL引腳外接時鐘時，該引腳懸空。時鐘電路的幾種接法如圖2.8、圖2.9和圖2.10所示。PE7（NOACC/XCLKS）外部振蕩電路方式選擇2.3MC9S12DG128簡介2.3.3MC9S12DG128引腳功能2．XFC（44）——PLL環(huán)路濾波器引腳

PLL環(huán)路濾波器連接電路如圖2.11所示，PLL要求3個元件的無源濾波器連接到XFC引腳上。濾波器器件值因應用而異，計算濾波器的公式可以參見用戶指南，也可以簡單地使用Freescale公司提供的PLL濾波器計算器來計算。2.3MC9S12DG128簡介2.3.3MC9S12DG128引腳功能3．RESET（42）——外部復位引腳

低電平有效的雙向控制信號。該引腳做輸入時，將其拉低，可將MCU初始化成默認狀態(tài)；如果時鐘監(jiān)視器或者COP看門狗檢測到內(nèi)部故障，該引腳作為開漏輸出引腳對外指示這種狀態(tài)。復位究竟是內(nèi)部還是外部引起，是可以判別的。內(nèi)部復位首先將該引腳拉低并保持131～134個系統(tǒng)時鐘周期然后釋放該引腳，經(jīng)過64個系統(tǒng)時鐘周期后采樣該引腳電平，如果該引腳回到高電平，說明復位是由時鐘監(jiān)視器或者COP看門狗電路引起，CPU獲得時鐘監(jiān)視器或COP看門狗的復位向量；如果該引腳仍然保持低電平，就確定為外部復位，CPU獲得外部復位向量。2.3MC9S12DG128簡介2.3.3MC9S12DG128引腳功能為了保證時鐘監(jiān)視器或者COP看門狗復位向量能夠被復位邏輯所識別，復位引腳上升到3.25V的時間必須小于64個系統(tǒng)時鐘周期和11us，所以為了避免對復位信號的誤判發(fā)生，S12的復位電路不要使用簡單的RC復位電路。另外在HCS12D系列上沒有低電壓復位（LowVoltageReset，LVR）支持，推薦使用外部LVR電路確保當器件電源VDD下降到4.5V以下時處于復位狀態(tài)。2.3MC9S12DG128簡介2.3.3MC9S12DG128引腳功能4．BKGD（23）——背景調(diào)試引腳

BKGD采用自定協(xié)議接收串行的背景調(diào)試命令，并發(fā)送命令執(zhí)行結(jié)果，進行實時在線調(diào)試。Freescale定義的標準BDM調(diào)試插頭如圖2.12所示。2.3MC9S12DG128簡介2.3.3MC9S12DG128引腳功能5．MODA、MODB、MODC——模式選擇輸入引腳這三個引腳在單片機復位期間的狀態(tài)決定了其運行模式。在復位期間，MODA、MODB具有內(nèi)部下拉。6．IRQ/PE1（55）——可屏蔽中斷請求可屏蔽外部中斷輸入引腳，可以用于從STOP或WAIT模式喚醒單片機?？梢酝ㄟ^程序選擇該引腳是否和中斷邏輯連接，以及選擇下降沿還是低電平觸發(fā)。復位后，IRQ默認為低電平觸發(fā)方式，同時在CCR寄存器中的I位為1，IRQ中斷被屏蔽，可以通過軟件清除或者置位CCR寄存器中的I位來使能或禁止所有可屏蔽中斷。2.3MC9S12DG128簡介2.3.3MC9S12DG128引腳功能7．XIRQ/PE0（56）——不可屏蔽中斷請求不可屏蔽外部中斷輸入引腳，可用于在STOP或WAIT模式下喚醒單片機。在復位階段，CCR寄存器中的X位為1，不可屏蔽中斷被屏蔽。當系統(tǒng)初始化后，可以通過程序清除CCR寄存器中的X位，使能不可屏蔽中斷。注意，X位一旦被清零，就不能再通過軟件的方式置1。不可屏蔽中斷經(jīng)常用于處理系統(tǒng)掉電或者硬件故障等特殊應用要求。2.3MC9S12DG128簡介2.3.3MC9S12DG128引腳功能8．電源相關(guān)引腳2.4MC9S12DG128的運行模式2.4MC9S12DG128的運行模式2.4.1普通運行模式普通模式共分三種，都是應用系統(tǒng)開發(fā)結(jié)束后的最終運行模式，它們都支持背景調(diào)試模式（BDM），但對于某些操作必須首先將BDM使能，然后再激活后才能通過BDM命令進行調(diào)試。

1．普通單芯片模式該模式無外部總線，端口A、端口B和端口E被設(shè)置成通用I/O接口。端口E的兩個引腳PE1和PE0僅能工作在內(nèi)部上拉的輸入方式，其他22個引腳均可設(shè)置為輸入或輸出，不過復位后它們均被默認設(shè)置為高阻輸入方式，另外復位后，端口E的上拉有效，端口A和端口B的上拉被禁止。

2．普通寬擴展模式端口A和端口B為外部地址和數(shù)據(jù)總線，其中A15～A8和D15～D8分時使用端口A的8個引腳，A7～A0和D7～D0分時使用端口B的8個引腳。R/W等總線控制信號復位后默認有效。

3．普通窄擴展模式端口A和端口B為16位外部地址總線，其中端口A輸出高8位（A15～A8），其中端口B輸出低8位（A7～A0），8位外部數(shù)據(jù)總線D7～D0與高8位地址線分時復用端口A的8個引腳。2.4MC9S12DG128的運行模式2.4.2特殊運行模式特殊模式主要用于系統(tǒng)開發(fā)和器件測試。

1．特殊單芯片模式該模式可用于強制MCU激活BDM，以允許通過BKGD引腳進行系統(tǒng)調(diào)試。在該模式下，MCU不像在其他模式下那樣取中斷向量，然后執(zhí)行應用程序代碼等，而是以激活的BDM固件接收來自BKGD引腳的串行命令，并控制CPU的運行。該模式下沒有外部總線，MCU作為一個獨立器件運行，所有程序和數(shù)據(jù)存儲空間均位于片內(nèi)，外部接口均可作為通用I/O。

2．單片運行模式單片運行模式是MC9S12單片及最常用的一種運行模式。系統(tǒng)復位時，CPU檢測到MODA（PE5）和MODB（PE6）引腳為低電平時進入單片運行模式。單片運行模式又分為普通單片模式和特殊單片模式。普通單片模式是正常運行應用程序時應使用的模式，特殊單片模式是指BDM調(diào)試模式。進入特殊模式時，要求單片及復位時引腳MODC（BKGD）為低電平。通常，當單片及輸入引腳浮空時，CPU默認高電平，BKGD引腳上的低電平是由BDM調(diào)試工具的相應引腳提供的。故可以理解為，當插上BDM頭時，可進入特殊單片模式；當不插BDM頭時，自動進入普通單片模式。

3．擴展運行模式80引腳的單片機A、B、K口都沒有引出，故不能使用擴展運行模式。擴展運行模式又有普通運行模式和特殊運行模式之分，其區(qū)別是有些寄存器只能在特殊模式下讀寫。2.5MC9S12DG128的存儲器映射2.5.1基本內(nèi)存空間分配2.5MC9S12DG128的存儲器映射2.5.2內(nèi)存空間的擴展2.5MC9S12DG128的存儲器映射2.5.3相關(guān)寄存器CPU12的內(nèi)部寄存器、RAM、EEPROM可以通過設(shè)置INITRG、INITRM、INITEE來重新分配它們的位置。這些寄存器只能寫一次，建議在初始化時分配寄存器、RAM、EEPROM的位置。對每個INITxx賦值后，在其指令后需插入一空指令。如果映射有沖突，寄存器具有最高優(yōu)先級，與其重疊的RAM和EEPROM此時無效。存儲分配優(yōu)先級從高到低依次為：BDMROM（激活的情況下）、寄存器區(qū)、RAM、EEPROM、Flash和外部擴展存儲器。2.5MC9S12DG128的存儲器映射2.5.3相關(guān)寄存器1.內(nèi)部RAM位置初始化寄存器（INITRM

）讀：任何時刻。寫：普通模式和仿真模式下僅可以寫一次，特殊模式下任何時刻可寫操作。RAM15～RAM11：內(nèi)部RAM映射位置。RAM的映射是通過修改該寄存器中的5個二進制位來實現(xiàn)的。RAMHAL：RAM高地址對齊。0—表示RAM和內(nèi)部地址空間最低端對齊；1—表示RAM和內(nèi)部地址空間最高端對齊。因為MC9S12DG128內(nèi)部有8KB的RAM空間，映射區(qū)域8KB，所以RAMHAL位沒有意義，取0或1都可以。配置RAM空間用到RAM15～RAM13，復位后RAM默認位置在$0000～$1FFF，如果要將RAM空間定位到$2000~$3FFF，只要將RAM15～RAM13設(shè)置為001就可以了。2.5MC9S12DG128的存儲器映射2.5.3相關(guān)寄存器2.內(nèi)部寄存器位置初始化寄存器（INITRG

）讀：任何時刻。寫：普通模式和仿真模式下僅可以寫一次，特殊模式下任何時刻可寫操作。REG14～REG11：內(nèi)部寄存器映射位置。指定內(nèi)部寄存器區(qū)基地址的最高5位。MC9S12DG128內(nèi)部有1KB的寄存器空間，復位后默認首地址為$0000，運行時可以重新映射到系統(tǒng)地址空間前32KB的任何2KB空間邊界處，實際使用前面的1KB?？梢栽O(shè)置的最小基地址為$0000，最大基地址為$7FFF，而$0000～$00FF這256B是可以使用直接尋址方式的，所以寄存器默認的地址空間也從$0000開始。2.5MC9S12DG128的存儲器映射2.5.3相關(guān)寄存器3.內(nèi)部EEPROM位置初始化寄存器（INITEE）讀：任何時刻。寫：所有器件在任何時刻可以寫EEON位。大多數(shù)器件的E11～E15位能夠在任何模式下任何時刻寫入。對于某些器件，E11～E15位在普通模式和仿真模式下僅一次寫入；特殊模式下任何時刻可寫操作，具體權(quán)限請參考相應器件的用戶手冊。EE15