Микроконтроллеры фирмы NEC. Часть 1.

    Микроконтроллер фирмы NEC имеет стандартную структуру. Он содержит процессор, внутреннее постоянное запоминающее устройство для хранения программы (по терминологии NEC — IROM), внутреннее оперативное запоминающее устройство для хранения данных (IRAM) и набор периферийных устройств.

    В группу периферийных устройств входят параллельные порты ввода/вывода, каналы последовательного интерфейса, таймеры и таймеры-счетчики, контроллер прерываний. Кроме того, многие микроконтроллеры имеют многоканальные аналого-цифровые преобразователи (ADC), цифро-аналоговые преобразователи (DAC), цифровые компараторы, дополнительные запоминающие устройства, широтно-импульсные модуляторы (PWM), устройства для подключения электролюминесцентных и жидкокристаллических индикаторов и другие устройства.

    Множество выпускаемых фирмой NEC микроконтроллеров делится на семейства. Семейства делятся на серии. В состав серии входят микроконтроллеры нескольких типов. Семейства различаются возрастом разработки, разрядностью данных (4, 8, 16 бит), быстродействием, энергопотреблением и рядом других характеристик. Серии в пределах семейства различаются, в основном, составом и параметрами периферийных устройств. Микроконтроллеры разных типов в пределах серии различаются, главным образом, составом и емкостью запоминающих устройств.

    В табл. 1 перечислены наименования семейств, указано число серий и суммарное число типов МК в семействе, приведена структура обозначения типа и серии МК в семействе и указана разрядность микроконтроллеров. Таблица составлена по данным на конец 1997 года.

Таблица 1

    Микроконтроллеры фирмы NEC выпускаются с IROM масочного типа. При этом практически в каждую серию входит МК с программируемой памятью (UVEPROM или Flash), имеющей, как правило, наибольший для данной серии объем. При отсутствии в корпусе микросхемы окна возможно лишь однократное программирование памяти (OTPROM). Память типа Flash (с электрическим стиранием записи) допускает многократное перепрограммирование.

    В обозначение типа микроконтроллера с программируемой памятью после номера семейства вводится буква Р (EPROM) или F (Flash). Например, mPD75PZZZ или mPD78 F9ZZZ. Кроме того, в обозначение типа МК после последней цифры (Z) могут входить одна или несколько букв, обозначающих модификацию исходной серии. Например, mPD75 PZZZB.

    Семейства 7500, 78AD, 78K/1 и 78K/2 относятся к числу «старых» и в настоящее время не получили развития. В семейство 17К входят микроконтроллеры, предназначенные для работы в специальной аппаратуре (аудио, видео, пейджеры и др.). Далее в статье рассматриваются микроконтроллеры широкого применения новых и новейших развивающихся семейств, к числу которых относятся семейства 75X и 75XL (4 бита), 78K/0 и 78K/0S (8 бит) и 78K/3 и 78K/4 (16 бит).

1. Четырехразрядные микроконтроллеры (семейства 75X и 75 XL)

    Четырехразрядные микроконтроллеры фирмы NEC по особенностям их структуры, влияющим на выбор МК для работы в конкретной аппаратуре, могут быть отнесены к одной из четырех групп:

1. микроконтроллеры общего назначения без АЦП (General Purpose, GP);
2. микроконтроллеры общего назначения с АЦП (GPADC);
3. микроконтроллеры с выводами для подключения электролюминесцентных индикаторов (Fluorescent Indicator Panel, FIP);
4. микроконтроллеры с выводами для подключения жидкокристаллических индикаторов (Liquid-Crystal Display, LCD).

    Микроконтроллеры семейства 75XL представляют собой усовершенствованную версию микроконтроллеров семейства 75X. Они отличаются повышенным быстродействием, пониженным энергопотреблением и некоторыми другими параметрами.

    В табл. 2 указаны серии и типы микроконтроллеров семейств 75X (ZZZ) и 75XL (ZZZZ), отмечена принадлежность к одной из названных выше групп, указано число типов МК в серии, отмечены отличительные особенности микроконтроллеров разных серий и указано минимальное число выводов корпуса микросхемы.

Таблица 2

    Система команд микроконтроллеров разных типов и серий содержит разное число команд (от 61 у серии 402 до 143 у МК типов 517, 518 и некоторых других). При этом обеспечивается программная совместимость снизу вверх. По командам выполняются операции с битами, нибблами (4 бита) и байтами. В микроконтроллерах некоторых типов и серий с байтами выполняются только операции пересылки.

    Цикл команды при неизменной частоте кварцевого резонатора может иметь разную, устанавливаемую по выбору длительность. В табл. 3 указаны максимальное значение тактовой частоты (FOSC MAX) и устанавливаемые при этом по выбору значения длительности цикла команд Т ЦК.

Таблица 3

    Кроме основной системы синхронизации (main clock) микроконтроллеры имеют вспомогательную систему (subclock) с тактовой частотой 32 КГц и длительностью цикла команды 122 мкс. Переход на работу с пониженным быстродействием на этапе выполнения программы, где это допустимо, позволяет существенно уменьшить ток потребления МК. Кроме того, МК по команде программы может быть переведен в режим холостого хода (HALT mode), в котором процессор остановлен, но работают периферийные устройства, или в режим пониженного энергопотребления (STOP mode), когда остановлен генератор тактового сигнала. В первом случае ток потребления уменьшается в 5-10 раз, а во втором — снижается до десятых или сотых долей мкА.

    Память микроконтроллера содержит:

• один или четыре регистровых банка с изменяемой по выбору структурой (восемь четырехразрядных регистров или четыре восьмиразрядных);
• постоянное запоминающее устройство (ЗУ) для хранения программы (IROM) емкостью от 2Kх8 бит до 32Kх8 бит:
• оперативное ЗУ для хранения данных емкостью от 320х4 бит до 1024х4 бит.

    Кроме того, у микроконтроллеров некоторых серий имеется дополнительное ЗУ с электрическим стиранием и сохранением записи данных при отключении питания (EEPROM) емкостью от 16х4 бит до 1024х4 бит.

    Параллельные порты имеют разное число линий ввода/вывода (от 13 до 64), при этом используются выводы разных типов (КМОП вход, КМОП вход/выход, NМОП вход/выход с высоким уровнем сигнала от 9...13 В). У микроконтроллеров группы FIP имеются также высоковольтные РМОП выходы. Многие выходы допускают непосредственное подключение светодиодов. Некоторые выводы по командам программы могут переводиться из режима работы с тремя состояниями в режим работы с двумя состояниями (programmable pull up, maskable pull down).

    Контроллер прерывания векторного типа принимает запросы прерывания от внешних и внутренних источников, при этом общее число запросов может быть от трех до восьми.

    В состав периферийных устройств микроконтроллеров всех семейств входят от одного до пяти таймеров и таймеров-счетчиков разных типов (таймер/счетчик событий, таймер-датчик времени, сторожевой таймер и др.). При этом некоторые таймеры допускают каскадное соединение. В некоторых сериях таймеры имеют внешние выходы, которые могут использоваться для формирования синхронизирующих и тональных (звуковых) сигналов.

    Микроконтроллеры всех типов (кроме серии 402) имеют канал последовательного интерфейса, который по выбору может работать по стандартному последовательному протоколу фирмы NEC (CSI) с использованием двухпроводной (SBI) или трехпроводной (IОE) линии связи. Трехпроводный протокол IOE представляет собой вариант стандартного протокола SРI. Двухпроводный протокол SBI не совпадает со стандартным двухпроводным протоколом I2C.

    Микроконтроллеры, входящие в группы FIP и LCD, имеют в составе периферийных устройств контроллеры FIP и LCD соответственно, которые формируют сигналы выбора знакомест и сегментные сигналы для индикаторных панелей.

    Аналого-цифровые преобразователи (ADC) содержат восемь каналов преобразования (кроме серии 402) с формированием восьмиразрядного двоичного кода.

    В состав периферийных устройств некоторых микроконтроллеров входят четырехканальные четырехразрядные цифровые компараторы.

    Широтно-импульсный модулятор строится на базе 14 разрядного таймера.

    Для питания микроконтроллеров используются источники с напряжением 1,8–5,5 В и током потребления от 1 до 5 мА в зависимости от выбранного быстродействия работы МК.