单片机原理及应用-S12X单片机的结构与组成

S12X单片机的结构与组成2.1S12X单片机的主要功能与结构●S12X的核心

-16位S12XCPU@40Mhz总线速率，向上兼容S12指令集-增强指令集，指令队列，增强型索引寻址●中断控制管理模块（INT）

-支持7层嵌套中断，每层灵活的中断源分配；

-可编程优先级；非屏蔽外部中断(XIRQ)高优先级-支持部分外设和端口的唤醒中断-可编程的上升沿或下降沿触发●模块映射控制（MMC），运行监视调试（DBG）和单线背景调试模式（BDM）●时钟和复位发生器（CRG）-低噪声、低功耗皮尔斯振荡器，晶体频率多选-内部数字滤波、频率调制的锁相环（PLL）

-看门狗（COPwatchdog）

-实时中断

-时钟监视器-从STOP模式快速唤醒存储器选项（Memory）

-64/128/256KBFlashEEPROM，带ECC纠错 （S12XD可达512KB）

-4/8KBDataFlash（S12XD为EEPROM）

-4/8/12KBRAM（S12XD可达32KB）●16通道、12位模数转换器（ATD）：

-可配置8、10或12位模数转换器(ADC)-多路复用实现16通道模拟输入●1Mbps的CAN总线模块，兼容CAN2.0A/B-5个接收缓冲器，3个发送缓冲器●定时器模块（TIM）

-8个16位可编程输入捕捉或输出比较通道

-16位自由计数器，8位预分频功能

-16位脉冲累加器●周期中断定时器（PIT）-4个周期溢出定时器●8位8通道或16位4通道脉宽调制通道（PWM）

-每个通道的周期和占空比由编程决定

-各通道独立控制

-可编程时钟选择逻辑●通信接口

-异步串行通信接口（SCI）

-同步串行设备接口（SPI）

-芯片内连总线（I2C） （S12XD有，XS128无此模块，但可模拟）●片上电压调节器-线性电压调节-带低压中断（LVI）的低电压检测-上电复位与低电压复位●低电压唤醒定时器（API）●输入/输出端口（I/O）-可有多达91个通用输入输出端口-所有输入端口可配置上下拉电阻-所有输出端口可配置驱动能力●封装选择-LQFP112引脚、QFP80引脚、LQFP64引脚 （S12XD中为LQFP144引脚）●其它

-单电源，3.135V~5.5V宽工作电压范围-对应80MHz系统频率，CPU总线频率最高可达40MHz-温度性能：-40°C~125°C的宽温度范围2.2MC9S12DG128的结构2.3MC9S12XS128的引脚功能封装

PV:LQFP-112引脚

AA:QFP-80引脚

AE:LQFP-64引脚（薄）四方扁平封装表面贴焊引脚功能功能基本相同

80引脚部分功能无

(黑体部分)引脚功能描述

LQFP-112，参见表2-1，可分为3大类：1、系统功能类引脚

EXTAL、XTAL：振荡器引脚

RESET：外部复位引脚，低电平有效(内部上拉)TEST：厂家测试预留，须连至VssXFG：锁相环（PLL）的外部滤波器电容引脚

BKGD/TAGHI/MODC：背景调试/高字节执行标记/模式选择引脚(内部上拉)

2、电源类引脚

VDDX、VSSX：

外部电源和接地，用以I/O驱动，+5VVDDR、VSSR：外部电源和接地，用以I/O驱动及内部电压调节器，+5VVDD1、VSS1、VDD2、VSS2

：MCU核心的工作电源，2.5V，内部

VDDA、VSSA：电压调节器和模/数转换器的电源

VRH、VRL：模数转换器的参考电压输入

VDDPLL、VSSPLL：PLL的电源供给端，2.5V，来自内部电压调节器

VREGEN：片内5V->2.5V电压调节器的使能端，高有效()；如为低，则VDD1、VDD2、VDDPLL须外部供电3、I/O类引脚

共有92个，包括AD,A,B,E,H,J,K,M,P,S,T共11组端口，每组端口不仅可设定为普通的I/O端口，还可复用.

例如：AD端口可A/D转换的模拟输入，S端口可设置为SPI和SCI通讯接口，T端口可设置为增强型捕捉定时器的输入，输出接口等引脚功能描述

2、A口和B口

①

PAD口：PAD15~8,7~0模拟量输入口

②

PA、PB、PK：通用I/O口（PA7-0,PB7-0，PK7-0)3、E口系统启动控制口，用于开机时确定MCU的工作模式。通常使用缺省状况，尽量不用于普通输入/输出。①EXTAL/XTAL:振荡器引脚

②nRESET:上电复位端1、系统功能引脚3、H口、J口、M口、P口、S口和T口

这些端口都有第二种功能，在不使用第二种功能的时候，可以作为通用输入/输出口T口：接收输入捕捉功能S口：SCI、SPI模块关联作为通信接口M口：与ByteFlight、CAN模块关联作为通信接口P口：与PWM、SPI模块关联作为通信接口H口：与SPI模块关联作为通信接口J口：与CAN、IIC模块关联作为通信接口2.2运行模式多种运行模式满足各种需要，是一个芯片能具有强灵活性和扩展性，8种：普通单片模式最终产品正常运行应用程序普通扩展宽模式、普通扩展窄模式仿真宽模式、仿真窄模式特殊单片模式BDM可用，用以系统开发、调试特殊测试模式、特殊设备模式低功耗模式

以上运行模式均支持，3种：停止（Stop）、伪停止（Pseudo）与等待（Wait）

芯片模式的配置

参见表2-3

复位信号的上升沿时，由MODC、MODB、MODA决定并配合ROMCTL、ROMON

主要使用：普通单片模式：MODC(BKGD)=1MODB(PE6)=0MODA(PE5)=0特殊单片模式：MODC(BKGD)=0MODB(PE6)=0MODA(PE5)=0

特殊单片模式（SpecialSingleChip）

又称为背景调试模式(BackgroundDebugMode，BDM)注：引脚MODEB、MODEA在MCU复位时有下拉为低，所以，悬空时自动为单片模式；又：引脚BKGD有内部上拉，悬空时默认为高电平；所以，当插上BDM头时，由BDM调试工具的相应引脚给BKGD提供低电平，使MCU进入特殊单片模式；若不插BDM头，则进入普通单片模式。BDM接口电路

BDMBackgroundDebugMode

是Freescal自定义的，方便下载程序、在线调试、监视等

BDM调试器

须另购或自制，通过USB接口接PC，插头接目标板插头引脚形式：BKGD1NC3NC52GND4RESET6VDD信号含义：BKGD接单线背景调试引脚GND接地VDD接电源RESET接目标机复位引脚2.3振荡器和时钟电路

内部集成振荡电路，提供MCU工作的时钟基本脉冲

XTAL振荡器的输出引脚

EXTAL振荡器的输入引脚

两种接法：（XCLKS(PE7)=1时，因有内部上拉，复位默认1）

图2-3中，RB、RS为保证起振，RB取1M，高频率时RS取小或短接滤波电容C3、C4取22pF

图2-4中，一般为外接有源晶振

S12的总线时钟频率=晶振频率的1/2

如晶振频率为16MHz，则总线时钟频率为8MHzEXTALMCUXTALRBRSC3C4晶振图2-3EXTALMCUXTAL悬空CMOS兼容的外部时钟图2-42.4MC9S12XS128单片机的最小系统设计注：实际电路图绘制时，须使用工具软件PROTEL(DXP)等包括：电源电路复位电路晶振电路BDM电路PLL电路2.5系统复位、运行监视与时钟选择

1、复位功能S12MCU复位共有5种：

上电复位低电压复位外部复位时钟监视复位（可选）看门狗复位（可选）2、系统运行监视

两种监视手段，以保证系统的正确运行，提高可靠性:看门狗定时器（WDT）程序跑飞或异常时，使MCU复位时钟监视器（CM）时钟异常时，使MCU复位

3.时钟选择

用来产生固定周期的硬件定时中断。

10RH-1T=晶振周期ⅹ2ⅹ2ⅹ(RL+1)其中：RH=RTICTL6~4,RL=RTICTL3~0相关寄存器详细情况（略）2.6存储器

2.6.0.MCU存储器分类及特点寄存器。RAM

读写方便，保持经常修改的数据。掉电不能保护数据。静态RAM,动态RAM;3.EEPROM

非易失存储器。用于保持重要、修改少的数据。掉电保持。4.FLASH

固有不挥发性。不需要后备电源保持数据。易更新性。成本低、密度高、可靠性好。仅在特殊模式下才可能写入数据。2.6.1存储空间分配二.由逻辑地址向物理地址变换过程一.存储器管理问题对基本64K空间进行分配各种存储器地址安排如何避免冲突，发生冲突解决方法超过基本64K空间解决办法$00_0000,$00_07FF$00_0800,$0F_FFFF$10_0000,$13_FFFF$14_0000,$1F_FFFF$20_0000,$3F_FFFF$40_0000,$7F_FFFF2K寄存器RAMDFLASH保留扩展FLASH1M256K768K2M4M8M四.内存映射关系1.8M空间分配2.存储区映射模块原理MMC注意：GPAGE主要应用于读取大型表格，关联指令有限，不适合应用到程序中的操作（比如加减运算等）。专用全局指令关联:3.存储器8M空间的连续读取GLDARGSTAR4.基本64K空间分配页面分配空间定义：DFLASH:1KRAM:4KFLASH:16KS12XS128内存：DFLASH:8K=8×1KRAM:8K<12KFLASH:128K=8×16K12K2K16K2K5.逻辑地址映射4K16K1K逻辑空间256×1K=256K256×4K=1M256×16K=4MCPU16位地址6.单片模式空间分配2.6.2存储器地址管理2KB寄存器空间4KB分页RAM1KB数据闪存

$FF$FD$FC$FB$00$FD8KBRAM$FE$FF$FC$FB$FA$00最多255最多25416KB闪存16KB闪存16KBFLASH分页闪存$FF$FE$FD$FC$FB$FA$00最多2541KB分页数据闪存

$FE初始值：EPAGE=$FE RPAGE=$FD PPAGE=$FE2KB寄存器空间4K保留1KB数据闪存

$FF$FD$FC$FB$F8$FD8KBRAM$FE$FF16KB闪存16KB闪存16KB分页闪存$FF$FE$FD$FC$FB$FA$F81KB分页数据闪存

$FEXS128S实际地址分配关系

程序需要调用需要的页面时，使用与页面寄存器相关的指令将程序调入分页WINDOW。集成：I/O寄存器、RAM、DFLASH、PFLASH统一编址：64KB($0000~$FFFF）。每存储单元存8位信息I/O寄存器1KB，(分配2K空间）RAM8KB（没有使用页面扩展机制，实际存放在64K空间内，$2000-$3FFF共2个4K）DFLASH8KB（页面扩展机制，共8页，每页1K页面编号$FF、$FE$F8）FLASH128KB（页面扩展机制，共8页，每页16K

页面编号$FF、$FE$F8）

IO寻址采用的是统一寻址，非独立IO寻址！

MC9S12XS128存储器的组织结构2.7中断系统2.7.1中断系统概述

中断概念：指某外部事件或异常发生时，CPU暂时停止执行当前的程序(保护断点)，转向中断服务程序；中断处理完后返回原来的程序继续运行(恢复断点)。中断是MCU的重要功能。

S12MCU丰富的中断源：多个普通中断、多个特殊中断。2.7.1S12的特殊中断复位

5种情况可以触发复位中断（不可屏蔽中断）：上电复位(低电压）外部(RESET)复位非法寻址复位看门狗定时器溢出复位设置COPCTL寄存器(CR[2:0]非零)时钟监视失效复位设置PLLCTL寄存器(CME=1，SCME=1)

上电复位和外部RESET复位中断的向量地址：

$FFFE~$FFFF2.7.2S12XS的中断不可屏蔽中断：非法指令中断TRAP

软件中断SWI

外部中断XIRQ

系统中断SYS

伪中断可屏蔽中断(I位可屏蔽中断)IRQ、RTI、TIME、SCI、SPI、CAN等功能部件。CCR的X、I位0=允许中断；1=屏蔽中断，复位默认1。CCR的X位可设置一次,不能发生0到1的变化即不能关闭。

地址$FF10~$FFF8为S12X的中断向量表。每个向量(2个字节)指向中断服务程序的入口地址。外部中断IRQ的向量地址：$FFF2~$FFF3中断向量表：中断优先级：非I位可屏蔽＞

I位可屏蔽；非I位可屏蔽中断可以中断I位可屏蔽中断，且IPL不变；例如：在中断中加入SWI指令，可以中断一个I位可屏蔽中断。伪中断：$FF10,最底部。优先级？？？？？？。系统中断：$FF12IVBR=$FF:$FF10TO$FFFEIVBR=$EF:

$EF10TO$EFFE2.7.3中断处理过程、优先级与嵌套

不可屏蔽中断高于可屏蔽中断，可以被多级嵌套。不可屏蔽中断的优先级

由硬件规定，按以下次序递减：上电复位或外部RESET引脚复位；时钟监视复位看门狗复位指令陷阱TRAP软件中断SWI外部中断XIRQ可屏蔽中断的优先级系统复位后，小于等于$FF12的中断向量激活状态。默认优先级为1级，可以重新设置；非屏蔽中断、SYS中断、伪中断不能被屏蔽；当优先级相等时，中断向量地址高的中断优先级高；

2.7.3中断处理过程、优先级与嵌套

1.中断处理的基本流程

(1)中断请求及条件中断源未被屏蔽，且中断允许触发器被置位。

(2)中断响应一般在现行指令结束时检测中断请求，如中断响应条件满足就进入中断响应周期，自动进行3件事：关中断，即将CCR的I位置1，以屏蔽其它中断干扰。保护断点地址和标志寄存器CCR的内容压入到堆栈，即现场保护。跳转到中断服务程序的入口地址，即将中断向量地址的内容载入PC。(3)中断处理程序完成中断后要处理的功能。中断服务程序通常放在不分页FLASH区。(4)中断返回中断服务的最后一条指令必须是RTI，返回时自动将堆栈中的标志寄存器内容和断点地址弹出，使程序回到中断前的地址继续运行原来的程序。2.中断现场保护

MCU硬件自动将PC,IY,IX,D,CCD寄存器内容依次压栈，同时清I位。4.中断嵌套中断向量地址：$FF00TO$FFFF，共16*8=128个.中断请求配置地址寄存器INT_CFADDR:高4为可以写入$0TO$F,共16个地址。例如：$E0对应选择了8个中断源

$FFE0,$FFE2,….$FFEE(TC7…TC0计时器）中断请求配置数据寄存器INT_CFDATA0-7INT_CFADDR=$E0INT_CFDATA7设置TC7优先级

. . . .INT_CFDATA0设置TC0优先级【例】用中断源IRQ产生中断显示LED跑马灯。(在IRQ引脚和地之间加接一个按键，内部默认上。)

初始化设置外部中断控制寄存器INTCR。

IRQE：0=低电平触发，1=下降沿触发

IRQEN：0=禁止IRQ中断，1=使能Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0IRQEIRQEN0000007.3中断程序设计主程序中进行中断初始化，并执行占用时间较多的程序；中断服务程序要求简短、高效，条件苛刻时尽量使用汇编语言;

在整个源程序的末尾声明中断子程序的所对应的矢量地址，格式如例;

以上所有源程序会通过IDE集成开发环境自动进行编译、链接、定位，形成可执行机器代码。程序说明：IRQ中断触发的LED跑马灯,LED接B口， B口高4位输出低电平时点亮.MY_EXTENDED_RAM:SECTIONFLAGEQU$2000MyCode:SECTION;codesectionmain:Entry:LDS#__SEG_END_SSTACKLDAA#$FFSTAADDRB;设置B口为输出

LDAA#$C0STAAIRQCR;设置外部中断IRQ使能,;下降沿触发

CLI;开中断

LDAA#$FFSTAAPORTB;先全熄灭

LDAA#$00STAAFLAG;送停止标志$00给FLAG

WAIT:CMPAFLAGBEQWAIT;FLAG为$00等待

SEC;C置1LDAA#$FESHIFT:STAAPORTB;亮1个灯

BSRDELAY;延时

ROLA;循环左移

BRCLRPTP,#$01,CANCEL