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单片机开发

单片机复用设计技术


随着集成电路的高速发展,集成电路的升级换代越来越快,早期经典MCS51系列产品已经退出市场,这与许多装备要求的长期稳定供应形成矛盾。利用现有技术基础,设计完成一款单片机产品,该产品能够兼容大多数早期MCS51单片机产品,为各类装备持续供应和维护提供了一种可借鉴手段。

一、单片机复用设计总体方案

MCS51架构来源于Intel,在Intel公司完成该单片机架构后,进行了架构公开,这样就允许其它公司也利用MCS51架构设计单片机产品。在12时钟架构的单片机产品系列中,应用最广泛的就是Philips公司和Atmel公司的产品。

L89C51RD2采用0.18μmCMOS工艺设计制造,内部包含64KBflash和1KBRAM,其工作频率最高可达40MHz,从性能上讲,该款单片机产品具备兼容早期单片机的基础。由于采用了0.18μm工艺平台进行设计生产,该产品的生命周期更长。

L89C51RD2可直接替代Philips公司的P89C51RD2产品,并且质量等级更高。在L89C51RD2的基础上开展设计技术研究,目标是能够替代AT89S52系列单片机产品和P89V51RD2系列产品。下面列举各个单片机的不同点,以便开展替代设计工作,如表1所示。

表 1 各个公司 MCS51 产品对比

二、单片机设计

L89C51RD2采用0.18μm工艺进行设计,其端口性能和频率性能已经做了优化,实际性能已经达到和超越了P89C51RD2,可以对P89C51RD2完全替代,因此设计的主要目的是要同时兼容和替代P89V51RD2和AT89S52。

要想替代P89V51RD2,需要在两个功能上进行设计,一个是SPI接口。这个接口在P1.4-P1.7端口复用,设计时不仅要在端口上增加电路,还需要在SFR区的D5H,AAH,86H,81H四个地址增加特殊功能寄存器,并且在中断23H入口地址,增加SPI中断向量,这部分功能是新增功能,通过verilog语言设计的电路来实现。另一个功能是上电后的ISP功能。L89C51RD2的ISP功能,是首先对PSEN置0,然后进行RESET复位,让程序区进入FC00H的ISP里面。P89V51RD2的做法,是首先在上电复位时,先完成对FCF寄存器(B1H地址)的清零,然后改寄存器的启动功能,保证在复位完成后,首先程序区进入和用户程序区相重叠的Boot程序区。在这个8KB程序区,程序检测串行口,如果发现串行口有“U”字符出现,即进入ISP状态,执行ISP擦除和下载操作,如果没有发现串口,则在400ms后退出Boot程序区,切换回用户程序区,并从0000H地址开始执行用户指令。这部分功能的设计,通过软件来实现,首先定义L89C51RD2的Boot字节不为0,这样上电以后,就直接从FC00H地址开始执行。此处设计400ms的校验程序,然后根据端口是否出现“U”来判断是否退出启动下载程序。

要想替代AT89S51系列单片机,需要L89C51RD2增加SPI接口实现ISP的功能。AT89S52系列单片机的ISP编程接口,没有选择UART,而是直接复用了P1.5、P1.6、P1.7三个端口。在上电复位时,三个端口有ISP功能,可以接收编程允许命令,一旦编程允许命令被收到,器件就进入到ISP编程环境里,可以通过上位机控制串行编程器对器件编程。L89C51RD2为P89V51RD2新增的SPI功能,可以覆盖这个SPI接口功能,只要保证此时的SPI功能不会出现中断等信息,就能够实现嵌入。嵌入以后,还要有专门的程序缓冲区和flash编程接口,以便对flash进行在系统编程。最终完成的设计框图如图1所示。

图 1 SPI 接口 部分设计框图

在完成各个模块设计和整体设计后,还要完成选择设计,即改进的L89C51RD2需要一个选择功能,以便复用成不同的器件。这里面用到了flash的NVRb区。Flash的NVRb区专门为芯片设计者使用,一般不提供给用户。在此程序区里面,可以存放出厂信息和初始化信息,也包括芯片选择的信息。L89C51RD2在上电以后,会从NVRb区读取三个字节作为初始化数据,这里面我们利用这个初始化数据,直接设定芯片选择位,从而实现产品的软件选择和出厂选择设定。芯片复用选择的功能框图如图2所示。

图 2 NVRB 区选择功能框图

三、单片机仿真及流片结果

设计完成后,通过数字平台和混合信号平台,对设计进行了仿真分析。在上电过程中,rst还保持高电平时,即读取NVRb区内容,从而确定当前芯片采用的是哪种功能。仿真结果表明,通过flash的NVRb区读取,器件先后执行了L89C51RD2的功能、P89V51RD2的功能和AT89S52的功能,证明器件复用的方法可行。

流片结果显示,改进型L89C51RD2达到了预期设计指标,并且电路的工作频率能够达到高于AT89S52的水平。在用户整机试用中,能够实现对AT89S52等单片机电路的插拔替代,并且由于内部flash容量和RAM容量更大,对系统升级也有帮助。

总结

随着集成电路的高速发展,集成电路产品的升级换代速度越来越快,这就对一些需要长期稳定供货的场合提出了挑战。为解决这个问题,在先进的集成电路工艺上,完成多款老产品的归一化平台设计,无疑为这个问题找到了一个圆满的解决方案。

同时,随着集成电路生产能力的提升,集成成本越来越低,同一个产品越来越倾向于同一平台。但从市场角度看,却要求产品能够多样化,层次化,所以集成电路复用设计技术的研究,不仅面向老产品的问题解决,也能够对新产品的市场定位,起到重要的促进作用。

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