微控制器入門: 周邊裝置電路系統

LET′S TRY“嵌入式系統編程”: 6之2

我們接下來繼續說明所有內嵌系統學員皆必須精通的基本技術概念。上一期課程說明基本的微控制器概念,本期課程則將探討執行微處理器所需的硬體(周邊連接裝置電路系統);在下一期課程中我們將瞭解實際微控制器的運作方式。

「發電機」- 電源電路系統

MCU: 「硬體的大腦」

上一期課程說明了微控制器(MCU)的基本結構與運作,現在我們即將探討支援微處理器運作所需的硬體(周邊連接裝置電路系統)。這次將特別針對新世代通用MCU-瑞薩RL78系列(RL78/G14)所使用的硬體提供說明。

MCU跟數位電路中使用的眾多元件一樣,都需要透過電源供應驅動,因此MCU必須連接外部電池或其他適用電源。圖1為64-pin RL78系列(RL78/G14)晶片上的接腳排列。接腳13/14(VSS/EVSS0)及接腳15/16(VDD/EVDD0)為電源接腳,連接方式如下:

  • 接腳13(VSS)及接腳14(EVSS0)連接GND(接地)。
  • 接腳15(VDD)及接腳16(EVDD0)連接電源供應器正極。

RL78系列(RL78/G14)資料表(硬體手冊)說明電源電壓(VDD)必須介於1.6至5.5 V之間,也就是說只要供應此範圍內的任一電壓值,便能使MCU開始運轉;此電壓範圍又稱為操作電壓,在某些硬體手冊中也稱為建議之操作電壓。

图1:“RL78族(RL78/G14)”(64引脚)的引脚连接图

圖1:64-pin RL78/G14 MCU(RL78系列)的接腳排列圖

圖2則是64-pin RL78系列(RL78/G14)MCU的實際電源連接配置範例。

  • 接腳15連接至旁路電容器C1。當電流尖脈衝導致電壓下降時,此旁路可避免電路發生故障;標準的旁路電容器為電流容量介於0.01至0.1µF的陶瓷電容器。
  • 電源供應器電壓透過內部穩壓器降低至用於驅動MCU內部電路系統的電壓值-1.8 V或2.1 V,穩壓器本身則是另外由接腳12的電容器C2達到穩定。

图2:“RL78族(RL78/G14)”(64引脚)的电源电路连接实例

圖2:64-Pin RL78系列(RL78/G14)MCU的電源電路系統

「導體」- 振盪器

就如基礎數位電路的第三期就如 課程所述,序列電路的運作與時脈(CK)訊號的升緣或降緣同步。MCU包含序列電路因此需有CK訊號。此外部時脈訊號是由連接MCU的外部振盪器所提供。

圖3:振盪器電路系統扮演的角色

圖3:振盪器電路系統扮演的角色

圖3即連接RL78系列(RL78/G14)MCU的外部振盪器範例。值得注意的是水晶振盪器是連接至接腳X1及X2。MCU包含兩個與外部時脈訊號共同運作的內部時脈振盪器。

  • 主要時脈驅動CPU。
  • 次要時脈通常結合周邊連接裝置電路使用,或作為即時時脈使用。

由於RL78系列(RL78/G14)使用高精準度的晶片振盪器(準確度在1%以內)驅動其完善的周邊連接裝置電路系統,因此不需外部時脈即可運作;由內部時脈驅動的MCU設計成本較低。

然而,即便使用晶片振盪器,如需達到更高的精確度及減少溫度所產生的變異-例如用於控制鐘錶等裝置的MCU-仍需使用外部水晶振盪器。.

「警報時脈」- 重設電路

啟動MCU電源後需經過一小段時間,內部電路系統才會趨於穩定。在這段期間內CPU未必能正常執行,所幸只要在MCU的重設接腳上導入重設訊號便可解決此一問題;將訊號設為啟用(LOW)便可使MCU重設。

在電源供應器及時脈訊號穩定前,導入重設輸入接腳的訊號必須保持在LOW的狀態;此接腳必須由內部連接至需經一 段時間才能達到穩定的電路系統。圖4說明如何使用開機重設電路(RC電路)達成此一狀態。
導入的電源流經此電路電阻,導致部分初始電流留入電容器,因此電壓會逐漸上升至重設接腳;上升的電壓達到預定義等級後便會解除重設。

圖4:簡易的重設電路與波形

圖4:簡易的重設電路與波形

如上圖所示,開機重設電路旁設有一手動重設電路;使用者可隨時扳動手動電路的重設開關以重設MCU。

在通用MCU上重設訊號必須在預定義的間隔時間內維持LOW狀態。在MCU的硬體手冊或資料表中可找到此間隔時間說明。使用者必須根據該間隔時間設定開機重設電路電阻器(R)及電容器(C)的數值。
瑞薩RL78系列(RL78/G14)使用專用的內部開機重設電路系統處理重設,相當便捷。當電源輸入上升至MCU的操作電壓時,MCU便會自動解除重設狀態。

CPU重設

重設會導致CPU重新初始化程式計數器的數值(程式計數器為儲存下一個CPU執行指令位址的暫存器)。重新初始化時,程式計數器(PC)將會保留第一個欲執行程式的開始位址;取得此開始位址的方式有二:使用靜態啟動定址或向量重設定址。

  • 在靜態啟動定址模式中,MCU會啟動同一固定位址的程式執行。該位址隨每個MCU機型不同而異。例如:若PC值為0,則程式執行將會由位址0的指令開始。。
  • 在向量重設模式中,CPU是透過讀取儲存在ROM固定位址(稱為重設向量)的指標數值啟動。具體而言,CPU取得指標數值並加以解碼,然後將解碼後的數值置於程式計數器;此方法看似比前述的靜態啟動複雜,但卻具備一大優勢-使用者可任意變更初始程式位址。

*本文內容於2015年3月30日更新 。

在MCU連載說明的第三期中,我們將探討MCU開發環境並進行實際的MCU操作試驗。我們期待各位踴躍持續參與。