32位精简指令集架构的AT91M42800A的设计与应用
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关键词：精简指令集 AT91M42800A 单片机
１ 引言
目前，嵌入式产品逐步占领了ＰＣ市场，而其核心部分——处理器的性能则决定了产品的设计和性能。在３２位嵌入式处理器中， 由ＡＴＭＥＬ 公司生产的ＡＴ９１系列芯片之一ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ是基于ＡＲＭ７ＴＤＭＩ 处理器内核的１６／３２位微控制器，它除具有ＡＲＭ处理器的低功耗、低成本、高性能等优点外，还具有非常丰富的片内资源，特别适合于嵌入式产品的设计开发。
２ ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ 的基本特性
ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ采用３２位精简指令集（ＲＩＳＣ）架构，因此，它既支持１６位Ｔｈｕｍｂ指令集，又支持３２位的Ａｒｍ指令集。它采用三级流水线结构，可在同一时间内，一条指令在执行，第二条指令在译码，第三条指令在取指，这样，在每个周期都有一条指令在执行，因此，指令执行速度很快。ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ的基于先进微控制器总线结构（ＡＭＢＡ）的模块化设计方法具有综合、快速、高性能价格比的特点。该微控制器的内部工作寄存器很多，非常适合实时控制应用。其主要特点如下：
●内核电压和锁相环电压为２．７～３．６Ｖ， Ｉ／Ｏ口操作电压为２．７～５．５Ｖ；
●内部带有８ｋＢ静态ＲＡＭ；
●具有完全可编程外部总线接口（ＥＢＩ），且多达８个片选，寻址空间很大；
●内含８通道外设数据控制器（ＰＤＣ）；
●带有５４个可编程Ｉ／Ｏ口；
●内含６通道１６位定时／计数器；
●具有２个通用串行异步接收／发送器（ＵＳＡＲＴ）和２个主／从ＳＰＩ接口；
●内含３个系统定时器；
●时钟可由３２７６８ Ｈｚ 晶体和内部锁相环（ＰＬＬ）电路产生，最高可编程至３３ＭＨｚ，也可由外部时钟信号提供；
●内置嵌入式在线仿真电路（Ｅｍｂｅｄｄｅｄ ＩＣＥ）?可通过ＪＴＡＧ口对ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ进行测试。
３ 基本组成系统
由ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ构成的最基本的系统至少应包括以下几个部分：
（１）程序存储器（ＲＯＭ）
由于ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ 内部没有ＲＯＭ，因此，必须外扩一片程序存储器。应当注意的是：ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ的８位总线和１６位总线的ＦＬＡＳＨ接法不同，具体接法如图１所示。
（２）数据存储器?ＲＡＭ?
如果设计的系统比较复杂，数据比较多，当单片机内部８ｋＢ ＳＲＡＭ不能满足要求时，还要外扩一片数据存储器。ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ能够支持两种“写”方式，但对８位数据总线和１６位数据总线的操作也是不同的，因此，对于不同的存储器，其接法不同。对于８位总线的存储器，只需接Ｄ０～Ｄ７，将Ｄ８～Ｄ１５悬空，并将其地址线对接，而单片机的ＮＷＥ／ＮＷＲ０接到存储器的ＮＷＥ上。对于１６位总线的存储器，则将其数据线对接，Ａ１～Ａ１７接存储器的Ａ０～Ａ１６，并将其ＮＷＥ／ＮＷＲ０接存储器的ＮＷＥ，ＮＵＢ／ＮＷＲ１接存储器的ＮＵＢ，ＮＬＢ／Ａ０接存储器的ＮＬＢ。外扩的ＲＡＭ 的接法与外扩ＦＬＡＳＨ的接法类似。
（３）时钟发生电路
ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ的时钟既可以外接晶体，也可外接时钟信号。当外接晶体时，由于其内带振荡电路，因此，外接３２．７６８ ｋＨｚ 的晶体后，可产生慢时钟（ＳＬＣＫ）。由于ＳＬＣＫ频率低，所以系统的功耗也很低。若想提高系统的工作频率，则可通过ＰＬＬＡ或ＰＬＬＢ对其倍频，以达到所要求的工作频率。如果所需频率不能通过ＰＬＬ倍频得到，则可由外接时钟信号来提供。当外接时钟信号时，可直接把时钟信号接到ＸＩＮ引脚上，ＸＯＵＴ引脚悬空。
（４）显示电路
显示电路可采用数码管显示或液晶显示，由于液晶显示的功耗低，故常采用这种显示方式。该设计选用的液晶显示模块为ＬＣＭ１０３。
（５）电源及复位电路
ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ内部带有看门狗（ＷａｔｃｈＤｏｇ）电路，也可以外加ＷａｔｃｈＤｏｇ电路。本文中的例子采用的就是外加ＷａｔｃｈＤｏｇ电路的接法，所选用的器件是ＭＡＸＩＭ公司生产的ＭＡＸ６３１６ＬＵＫ２９ＣＹ。
４ 典型应用
由于单片机ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ具有低功耗、高性能、片内资源丰富、寻址空间大等优点，所以适合现场总线产品的开发，其简要硬件原理图如图２所示。图中只给出主要器件的主要引脚接法，电源电路及其它引脚限于篇幅图中未画，读者在实际的设计过程中可自行设定。
图2 现场总线开发实例
５ 存储器空间分配
在本设计中，由于ＡＲＭ７ＴＤＭＩ处理器的地址空间非常大（可达４Ｇ字节）。因此，在重映射前，可将地址最低的４ＭＢ分配给内部存储器，最高的４Ｍ 分配给内部外设，其余中间的地址空间（从０ｘ００４０００００到０ｘＦＦＦＣＦＦＦＦ）留给外部扩展的设备，这部分设备可由ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ 的八个片选来选择。笔者选择的ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ开发环境为ＡＤＳ１．１，由于在实际的嵌入式系统中，ＡＤＳ１．１提供的缺省存储器映射不能满足要求，而用户的目标硬件有多个存储器设备，且位于不同的位置，如上例中，ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ的四个片选分别给了外扩ＦＬＡＳＨ、外扩的ＲＡＭ、以及ＦＢ３０５０的内部寄存器片选和存储器片选，因此需要通过Ｓｃａｔ-ｔｅｒ 文本文件来指定一段代码或数据在加载和运行时在存储器的不同位置，这个文本文件在命令行中由－ｓｃａｔｔｅｒ开关指定。在ａｒｍ ｌｉｎｋｅｒ菜单的ｏｕｔｐｕｔ 子菜单下有ｌｉｎｋ ｔｙｐｅ一项。ｌｉｎｋ ｔｙｐｅ 选项中，只要选择 ｓｃａｔｔｅｒ，并指定ｓｃａｔｔｅｒ．ｓｃｆ 文件的存储位置就可以了。在下面的例子中，ＦＬＡＳＨ中的代码和数据存储在０ｘ０４００００００起始的、长度为３２ｋＢ的地址空间中。
由于Ｓｔａｒｔ． ｓ：汇编引导程序代码在执行重映射后，中断向量表将存放在内部ＲＡＭ中，其地址范围为０ｘ００００００００到０ｘ００００００１８，因此，用于存放数据的实际地址是从０ｘ００００００２０开始的。存放在外扩ＲＡＭ中的代码放在ｅｘｔ＿ｒａｍ．ｃ中，以下类似。上例的ｓｃａｔｔｅｒ 文本文件代码如下：
ＦＬＡＳＨ ０ｘ０４００００００ ０ｘ８０００
{
ＦＬＡＳＨ ０ｘ０４００００００ ０ｘ８０００
{
Ｓｔａｒｔ．ｏ (Ｒｅｓｅｔ, ＋Ｆｉｒｓｔ)
＊ (＋ＲＯ)
}
ＲＡＭ ＯＮ ＣＨＩＰ ０ｘ００２０ ０ｘ２０００
{
＊(＋ＲＷ,＋ＺＩ)
}
ＲＡＭ ＯＦＦ ＣＨＩＰ ０ｘ８００００００ ０ｘ４００００
{
ｅｘｔ ｒａｍ．ｏ(＋ＲＷ,＋ＺＩ)
}
ＦＢ３０５０ ＳＥＮＤ ０ｘ３０００００００ ０ｘ００ｆｆ
{
ｓｅｎｄｂｕｆ．ｏ(＋ＲＷ,＋ＺＩ)
}
ＦＢ３０５０ ＲＥＣＥＩＶＥ ０ｘ３０００４０００ ０ｘ００ｆｆ
{
ｒｅｃｅｉｖｅ ｂｕｆ．ｏ?＋ＲＷ?＋ＺＩ?
}
}
６ 调试要点
在设计调试过程中，ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ还有几个特殊的引脚需要特别注意。
ＢＭＳ：此引脚用来选择引导存储器的数据宽度，如果引导存储器是８位的，应将其上拉，而如果为１６位则要下拉。
ＮＴＲＩ：此引脚用来选择三态模式。如果要进入三态模式，应使ＮＴＲＩ引脚在ＮＲＳＴ上升沿到来之前保持１０个慢时钟周期的低电平，否则，则应将ＮＴＲＩ上拉。
ＮＷＡＩＴ：此引脚在调试ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ时，应将其上拉，否则，系统将进入等待状态。
ＭＯＤＥ０、ＭＯＤＥ１：这两个引脚用来选择ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ的４种操作模式，当模式改变时，必须进行复位才能有效。其设置方法如表１所列。
表1 操作模式设置
| MODE0 | MODE1 | 操 作 模 式 |
| 0 | 0 | 通用模式（时钟由片上振荡电路产生） |
| 0 | 1 | 边界扫描模式 |
| 1 | 0 | 通用模式（时钟由外时钟信号通过XIN引脚） |
| 1 | 1 | 保留 |
７ 结束语
ＡＴ９１Ｍ４２８００Ａ是一款处理能力非常强、性能价格比非常高的嵌入式微控制器，它具有３２位处理器的处理能力，但却只有１６位处理器的价格。它丰富的片上资源和强大的扩展能力为嵌入式系统的开发设计提供了很大灵活性。
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