超高速微控制器硬件增強(qiáng)串口功能

本應(yīng)用筆記介紹了達(dá)拉斯半導(dǎo)體DS89C430和DS89C450超高速微控制器的全新串行端口特性。增加時(shí)鐘倍頻器允許用戶選擇原始頻率四分之一的晶體，以產(chǎn)生相同的波特率并降低EMI。

概述

與每個(gè)指令周期至少需要8051個(gè)時(shí)鐘的原始12架構(gòu)相比，超高速微控制器具有先進(jìn)的8051內(nèi)核架構(gòu)，能夠在短短一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行指令。為了補(bǔ)充高性能內(nèi)核，標(biāo)準(zhǔn)8051片上外設(shè)中集成了新的硬件功能。其中兩個(gè)新功能，時(shí)鐘乘法器和可選的高速時(shí)鐘到定時(shí)器，可以直接影響串行端口的波特率生成。本文檔的目的是解釋這兩個(gè)新功能與串行端口波特率生成之間的交互。

串行端口模式

DS89C430串行端口提供四種基本工作模式。模式 0 允許使用源自系統(tǒng)時(shí)鐘的波特時(shí)鐘對(duì) 8 位數(shù)據(jù)進(jìn)行半雙工同步通信。模式 1 允許 8 位數(shù)據(jù)與源自定時(shí)器 1 或定時(shí)器 2 的波特時(shí)鐘進(jìn)行全雙工異步通信。模式 3 與模式 1 的不同之處在于支持 9 位數(shù)據(jù)傳輸和接收。模式2同樣提供9位數(shù)據(jù)通信，但其波特時(shí)鐘直接來自振蕩器頻率。為了支持模式 1、2 和 3 異步通信，起始位始終位于數(shù)據(jù)之前，停止位始終位于數(shù)據(jù)之后。每種串行端口模式的完整詳細(xì)信息可在超高速微控制器用戶指南中找到。

時(shí)鐘乘法器

超高速微控制器集成了片上時(shí)鐘倍頻器，可在降低外部晶體時(shí)鐘頻率的情況下提供更高的性能。乘法器可以配置為生成雙倍 （2X） 或四倍 （4X） 的內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘，由 2X/4X 特殊功能寄存器位 （PMR.3） 控制。請(qǐng)注意，由此產(chǎn)生的2倍或4倍乘法系統(tǒng)時(shí)鐘仍不能超過數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的最大工作頻率。有關(guān)乘法器的完整詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱超高速微控制器用戶指南。

一旦時(shí)鐘乘法器輸出被選為內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘（CD1：0 = 00b），從系統(tǒng)時(shí)鐘派生的某些串行端口波特率時(shí)鐘（不再等于外部振蕩器頻率）將發(fā)生變化。圖 1 突出顯示了使用 2X 或 4X 乘法系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)可能受影響的串行端口時(shí)鐘。串行模式 0 波特率始終不同，串行模式 2 波特率永遠(yuǎn)不會(huì)不同，串行模式 1、3 波特率可能不同，具體取決于所使用的定時(shí)器和/或定時(shí)器輸入時(shí)鐘選擇。如圖1所示，表1表示哪些串行端口模式受時(shí)鐘乘法器的影響。附錄 A 包含使用 2X 或 4X 時(shí)鐘乘法器模式時(shí)執(zhí)行波特率計(jì)算的詳細(xì)公式。

圖1.串行端口時(shí)鐘受時(shí)鐘乘法器輸出選擇的影響 （CD1：0 = 00b）。

優(yōu)點(diǎn)：更快的波特率，更低的EMI

使用時(shí)鐘乘法器時(shí)，應(yīng)用優(yōu)勢(shì)可能很大。一個(gè)原始頻率四分之一的外部晶體時(shí)鐘可用于產(chǎn)生與以前相同的串行模式 0 和（定時(shí)器 1 生成）模式 1、3 波特率，但 EMI 大大降低?；蛘?，當(dāng)內(nèi)部乘以 2 倍或 4 倍時(shí)，相同的外部晶體現(xiàn)在可以生成高達(dá)四倍的波特率！

高速輸入時(shí)鐘至定時(shí)器

為了使片上定時(shí)器對(duì)應(yīng)用最有用，每個(gè)定時(shí)器都應(yīng)能夠以相當(dāng)于最小指令周期的速率跟蹤時(shí)間。對(duì)于以 8051 個(gè)振蕩器時(shí)鐘執(zhí)行指令的原始 12 架構(gòu)，定時(shí)器以振蕩器頻率除以 12 速率計(jì)時(shí)。當(dāng)達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司推出其高速微控制器時(shí)，該微控制器縮短了四個(gè)振蕩器時(shí)鐘的機(jī)器周期，為每個(gè)定時(shí)器提供了一個(gè)可選擇的振蕩器頻率除以4個(gè)輸入時(shí)鐘控制。當(dāng)高速微控制器系列中添加時(shí)鐘乘法器功能時(shí)，可選擇的4分頻被修改為系統(tǒng)時(shí)鐘的函數(shù)，而不是振蕩器時(shí)鐘?，F(xiàn)在，超高速微控制器具有單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行功能。同樣，每個(gè)片上定時(shí)器都進(jìn)行了升級(jí)，集成了可選系統(tǒng)時(shí)鐘除以1個(gè)輸入。

CKMOD （0h） SFR 中包含的 T1MH、T2MH 和 T96MH 位分別使系統(tǒng)時(shí)鐘除以 1 個(gè)輸入到定時(shí)器 0、定時(shí)器 1 和定時(shí)器 2。啟用定時(shí)器的高速系統(tǒng)時(shí)鐘輸入 （TxMH = 1） 將自動(dòng)覆蓋系統(tǒng)時(shí)鐘除以 4 個(gè)輸入 （TxM = 1） 設(shè)置。新的系統(tǒng)時(shí)鐘除以 1 個(gè)定時(shí)器輸入，如系統(tǒng)時(shí)鐘除以 4 個(gè)輸入，在使用定時(shí)器1時(shí)會(huì)影響波特率的產(chǎn)生。圖2突出顯示了可能受選擇定時(shí)器1高速時(shí)鐘輸入影響的串行端口時(shí)鐘。

圖2.串行端口時(shí)鐘受高速定時(shí)器1輸入（T1MH = 1）選擇的影響。

優(yōu)點(diǎn)：波特率更快，波特率分辨率更高

相對(duì)于串行端口操作，除以1個(gè)輸入時(shí)鐘功能可轉(zhuǎn)化為兩個(gè)用戶優(yōu)勢(shì)。首先，在系統(tǒng)時(shí)鐘頻率相同的情況下，使用定時(shí)器1時(shí)，現(xiàn)在可以為串行模式3和1生成四倍的波特率。其次，時(shí)鐘定時(shí)器1的速度更快，可實(shí)現(xiàn)更高的波特率分辨率，從而可能減少與應(yīng)用已使用的波特率相關(guān)的誤差，或者使新的波特率在應(yīng)用使用的可接受誤差范圍內(nèi)。

例如，假設(shè)用戶當(dāng)前有一個(gè)以 20MHz 系統(tǒng)時(shí)鐘頻率運(yùn)行的達(dá)拉斯高速微控制器應(yīng)用程序。該應(yīng)用程序使用其中一個(gè)串行端口與PC進(jìn)行RS232通信，并要求兩者之間的波特率不匹配<3%。如果使用定時(shí)器1（在8位自動(dòng)重新加載模式下）生成波特率，下面的表2給出了Dallas高速微控制器與新型超高速微控制器的“良好”波特率樣本。不可接受的波特率（不匹配> 3%）已用灰色陰影顯示。表3對(duì)25MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率進(jìn)行了相同的“良好”波特率比較?？梢郧宄乜吹剑瑔⒂酶咚俣〞r(shí)器1輸入時(shí)鐘可提供更精細(xì)的波特率分辨率。附錄 A 包含利用定時(shí)器1 （T1MH = 1） 的系統(tǒng)時(shí)鐘輸入時(shí)執(zhí)行波特率計(jì)算的詳細(xì)公式。

應(yīng)用示例 #1

SPI 模式 （1，1） 接口，使用同步串行模式 0

雖然可以通過“位敲擊”端口引腳與SPI?器件接口，但使用同步串行模式0可減少軟件開銷并實(shí)現(xiàn)更快的通信速度。同步串行工作模式在 TXD 引腳上提供移位時(shí)鐘，并在移位時(shí)鐘 （TXD） 的每個(gè)上升沿處在 RXD 引腳上寫入/讀取串行數(shù)據(jù)。由于 TXD 處于高電平狀態(tài)，因此同步串行模式與 CPOL = 1、CPHA = 1 SPI 模式緊密對(duì)齊。由于同步串行模式不需要每個(gè)位的 3 樣本多數(shù)投票方案（如異步串行模式），因此它能夠比任何其他串行模式更快地實(shí)現(xiàn)波特率。下圖顯示了DS89C430微控制器與SPI模式（1，1）兼容EEPROM器件之間的接口。

圖3.SPI兼容外設(shè)的串行端口接口示例。

串行端口 0 首先置于模式 0，并配置為產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘除以 4 波特時(shí)鐘。根據(jù)所連接的SPI外設(shè)的時(shí)序限制，可能需要選擇降低的系統(tǒng)時(shí)鐘或系統(tǒng)時(shí)鐘除以12波特時(shí)鐘。在外部，TXD引腳（P3.1）提供串行時(shí)鐘并連接到EEPROM的SCK輸入。RXD 引腳 （P3.0） 通過連接到 EEPROM 的 SI 輸入和 SO 輸出來處理所有 SPI 數(shù)據(jù)事務(wù)。使用共享 SI/SO 配置的能力將取決于連接的 SPI 外設(shè)的 I/O 時(shí)序。第三個(gè)微控制器端口引腳未鏈接到片上串行端口硬件，用作SPI外設(shè)芯片選擇輸入。在本例中，端口引腳P3.2將連接到EEPROM/CS輸入，并由軟件手動(dòng)置位和取消置位。由于串行端口首先通信LSB，而SPI外設(shè)希望首先通信MSB，因此在大多數(shù)情況下使用查找表進(jìn)行字節(jié)轉(zhuǎn)換。

已經(jīng)創(chuàng)建了兩個(gè)例程，XRAM_store 和 XRAM_recall，并且完全按照它們的名字簡單地執(zhí)行。XRAM_store例程將內(nèi)部1kB SRAM的電流內(nèi)容寫入指定的1kB范圍的EEPROM，而XRAM_recall將指定的1kB范圍的EEPROM讀取到DS89C430片內(nèi)SRAM中。此代碼僅用作示例，可輕松調(diào)整為訪問微控制器或EEPROM存儲(chǔ)器的不同地址范圍，以較小或較大的塊。

應(yīng)用示例 #2

使用異步串行模式 485 的 RS-3 網(wǎng)絡(luò)

異步串行端口模式以與普遍接受的RS-232協(xié)議兼容的格式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。超高速微控制器以其最大系統(tǒng)時(shí)鐘頻率（33MHz）運(yùn)行時(shí)，并使用系統(tǒng)時(shí)鐘定時(shí)器輸入（T1MH = 1），可以實(shí)現(xiàn)超過2Mbaud的異步波特率。（超高速微控制器包含一個(gè)表格，顯示每種串行模式的最特率）。遺憾的是，為了符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)的物理要求，RS-232發(fā)送器必須提供±5V的最小輸出電壓擺幅，但不能超過30V/μs的壓擺率。這些限制通常將RS-232兼容通信限制在較慢的波特率和較短的線路長度下。但是，當(dāng)需要更高的傳輸速率時(shí)，與RS-232標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的限制不應(yīng)妨礙異步串行模式的使用。首先，ADI公司目前提供RS-232“兼容”（不兼容）收發(fā)器，能夠進(jìn)行兆波特?操作。有關(guān)MegaBaud RS-232兼容收發(fā)器的詳細(xì)信息，請(qǐng)?jiān)L問ADI公司網(wǎng)站（www.analog.com）。其次，多個(gè)微控制器和/或其他異步串行設(shè)備之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接允許創(chuàng)建能夠以更快的波特率進(jìn)行通信的用戶定義網(wǎng)絡(luò)。此外，還有物理層協(xié)議（例如RS-422和RS-485）支持更遠(yuǎn)距離的高速異步串行通信。

圖4.使用硬件串行端口接口的RS-485網(wǎng)絡(luò)示例。

上圖顯示了（485）個(gè)DS3C89微控制器之間的RS-430網(wǎng)絡(luò)接口。異步串行模式使用 TXD 引腳進(jìn)行傳輸，使用 RXD 引腳進(jìn)行接收。這些引腳直接連接到RS-485收發(fā)器的DI（數(shù)據(jù)輸入）和RO（接收輸出）引腳。第三個(gè)微控制器端口引腳P1.4連接到DE（數(shù)據(jù)使能）和/RE（接收使能），并將用作半雙工收發(fā)器的方向控制。網(wǎng)絡(luò)使用主/從架構(gòu)（1個(gè)主站，2個(gè)從站），其中每個(gè)從設(shè)備都有自己唯一的地址，在總線上傳輸之前必須首先由主設(shè)備尋址。所有器件均以 22.1184MHz 系統(tǒng)時(shí)鐘頻率運(yùn)行，并使用定時(shí)器 1 產(chǎn)生 1.38M 波特率。生成此波特率所需的設(shè)置可在圖后的表4中找到。

代碼示例：主代碼

主器件初始化為發(fā)送器，并驅(qū)動(dòng)其收發(fā)器的DE（/RE引腳）至邏輯高電平。發(fā)送從地址后，主機(jī)將收發(fā)器置于接收模式。從機(jī)接收到兩個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后，主機(jī)將收發(fā)器返回到其發(fā)送模式。如果在一定時(shí)間內(nèi)未從尋址從站接收到兩個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，則主站使用 13 位定時(shí)器0 超時(shí)。在對(duì)另一個(gè)從站尋址之前，主站將從地址和接收的數(shù)據(jù)字節(jié)（或指示未收到響應(yīng)）發(fā)送到串行端口0。

代碼示例（續(xù)）：從站#1，#2代碼

從器件最初配置為接收器，驅(qū)動(dòng)其各自收發(fā)器的DE、低電平RE引腳至邏輯低電平。兩個(gè)從屬微控制器都使用多處理器通信模式，以便將網(wǎng)絡(luò)上的地址傳輸與數(shù)據(jù)傳輸區(qū)分開來。尋址時(shí)，從設(shè)備成為發(fā)射器，并通過發(fā)送兩個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)來響應(yīng)主設(shè)備。發(fā)送這些字節(jié)后，從站將收發(fā)器返回到接收模式，并開始監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的地址。

審核編輯：郭婷