Motorola MC68HC11, mikrokontrolleri

• Kontrollerin yleisimmät tuotantomallit
• Eri toimintatilat
• I/O-ominaisuudet
• Ulkoisten muistien ja I/O-piirien liittäminen
• Sisäiset aputoiminnot
• CPU

MC68HC11, kutsumanimeltään HC11, on Motorolan 8-bittinen mikrokontrolleri. Suoritusteholtaan se kuuluu tehokkaampien 8-bittisten joukkoon, joskin CPU:n arkkitehtuurissa voidaan katsoa olevan toivomisen varaa, sillä sen juuret ulottuvat 1974 julkaistuun Motorolan ensimmäiseen mikroprosessoriin M6800.

CPU on vain pieni osa mikrokontrollerista. Mukana olevat muistit, I/O-ominaisuudet ja muut toiminnot ratkaisevat usein sopivan mikrokontrollerin valinnan. 68HC11-kontrollerista tuotetaan useita erilaisia malleja erilaisilla ominaisuuksilla varustettuna. Alla on esitettynä perusmallin "A8" rakenne.

Kontrollerin yleisimmät tuotantomallit

Huom. HC- ja 11-merkintöjen välissä voi esiintyä kontrolleriin sisällytettyä muistitekniikkaa kuvaava numero, esim. MC68HC711 sisältää maski-ROM-muistin sijasta EPROM-muistia, mutta kyseessä on silti HC11-perheen jäsen. EPROM-muistillisia prosessoreja valmistetaan myös ikkunattomissa koteloissa (ns. OTP = one-time programmable, kertakäyttöinen malli, jonka muistia ei voi tyhjentää).

Alla esitellyt A-, E-, D- ja F-sarjat muodostavat malliston perustan. Näiden lisäksi on saatavana suuri joukko muitakin malleja. Tarkempaa tietoa niistä löytyy Motorolan WWW-palvelimesta [http://freeware.aus.sps.mot.com/amcu/home.html].

A-sarja

MC68HC11A8 sisältää:

• 8 kilotavua ROM-muistia
• 256 tavua RAM-muistia
• 512 tavua EEPROM-muistia (ohjelmallisesti tavuittain purettavaa ja uudelleenohjelmoitavaa ROM-muistia)
• Asynkronisen sarjaliitännän (SCI, serial communications unit)
• Synkronisen sarjaliitännän, joka on tarkoitettu ulkoisten I/O-laitteiden liittämiseen (SPI, serial peripheral interface)
• Monipuolisen ajastinsysteemin
• Sisäisiä aputoimintoja, kuten vahtikoiran (COP watchdog)
• 8-kanavaisen 8-bittisen A/D-muuntimen
• 40 I/O-linjaa, joista osan käyttötarkoitus vaihtelee riippuen kontorollerin toimintatilasta
• MC68HC11 CPU:n, tietysti.

Muut A-sarjan prosessorit ovat A0 ja A1, joista edellisestä puuttuu sekä ROM että EEPROM ja jälkimmäisestä ROM-muisti (itse asiassa kumpikin kontrolleri on mallia A8, mutta EEPROM-pohjaisen config-rekisterin kautta on ko. ominaisuuksien käyttö estetty).

Kaikkia malleja (A0,A1,A8) voidaan käyttää siten, että prosessorista saadaan data- ja osoiteväylät ulos ja prosessori suorittaa ulkoiseen muistipiiriin talletettua ohjelmaa.

E-sarja

• RAM-muistia on 512 tavua (A-sarjassa vain 256 tavua)
• Ajastinsysteemiä on parannettu hieman.

E-sarjan perusmalli on E9, 12 kilotavun ROM-malli. E0 ja E1 vastaavat A0 ja A1-malleja ominaisuuksien eston osalta.

D-sarja

F1

• RAM-muistin määrää on kasvatettu yhteen kilotavuun
• Kontrolleriin sisältyy chip select-generaattori, jolta saadaan piirinvalintasignaalit kahdelle ulkoiselle muistipiirille (esim. ulkoinen RAM ja ROM), sekä kahdelle ulkoiselle I/O-laitteelle.
• Kontrollerista saadaan osoite- ja datalinja multipleksoimattomina ulos (muissa malleissa datalinjat ja 8 alinta osoitelinjaa on multipleksoitu, jolloin tarvitaan ulkoinen latch-piiri niiden erottamiseksi).
• I/O-linjoja on enemmän.

Eri toimintatilat

• Expanded-tilassa CPU:n väylä saadaan kontrollerista ulos. Väylään voidaan liittää muisti- ja I/O-piirejä.
• Single chip-tilassa väylää ei saada kontrollerista ulos, vaan expanded-tilassa väylänä käytettävät linjat toimivat yleiskäyttöisinä I/O-linjoina.

Kummastakin toimintatilasta on vielä kaksi variaatiota, normaali- ja erikoistilat, joista edelliset on tarkoitettu sovelluksen normaalia suorittamista varten ja jälkimmäiset lähinnä laitteistotestien suorittamista varten. Haluttu variaatio valitaan kontrollerin ulkopuolelta MODB-valintasignaalilla.

Valittu toimintatila variaatioineen ratkaisee myös ohjelman suorituksen aloituspaikan seuraavasti:

• Normal Expanded-tilassa ohjelman suoritus alkaa muistiavaruuden loppuun, osoitteisiin 0xFFFE ja 0xFFFF talletetusta osoitteesta (reset-vektorin osoittamasta paikasta). Useimmiten tämä osoite sijaitsee ulkoisessa muistissa, mutta mikään ei estä sen lukemista kontrollerin sisäisestä ROM-muistista, jos sisäinen ROM on enabloitu.

• Normal single chip-tilassa ohjelman suoritus alkaa myös muistiavaruuden loppuun talletetusta osoitteesta. Tässä tapauksessa muistin on kuitenkin oltava kontrollerin sisäistä.

• Special Test-tilassa (=Special Expanded) ohjelman suoritus alkaa osoitteisiin 0xBFFE ja 0xBFFF talletetusta osoitteesta, joka useimmiten sijaitsee ulkoisessa muistissa.

• Special bootstrap-tilassa (=Special single chip) kotrolleri ottaa käyttöön pienen ROM-muistin, johon on talletettu bootstrap-ohjelma ja aloittaa sen suorituksen. Tämä ohjelma ottaa vastaan asynkronisesta sarjaliitännästä tavuja, jotka se tallettaa kontrollerin RAM-muistiin ja hyppää lopuksi sen alkuun.

  Tämän toimintatilan avulla on mahdollista rakentaa laite, joka käyttää kontrolleria single chip-tilassa siten, ettei ohjelman tallettamiseen tarvita erillistä ohjelmointilaitetta. Sen sijaan RAM-muistiin ensimmäiseksi ladattavana ohjelmana voidaan käyttää ohjelmaa, jolla ohjelmoidaan varsinainen ohjelma esim. kontrollerin EEPROM-muistiin.

Edellä kuvattujen, kontrollerin ulkopuolelta valittavien toimintatilojen lisäksi HC11:ssa on muutamia kiinteästi ohjelmoitavia tilavalintoja (mm. onko sisäinen EEPROM käytössä), joiden valinnat on talletettu EEPROM-tyyppiseen konfiguraatiorekisteriin. Kontrolleriin sisältyy myös lukuisia tilavalintoja, jotka ovat ohjelmallisesti asetettavissa, mutta nollautuvat aina käynnistyksen yhteydessä. Yleensä ne liittyvät eri alijärjestelmien toiminnan ohjaamiseen.

I/O-ominaisuudet

Pääsääntöisesti kaikkien I/O-linjojen kohdalla voidaan valita, käytetäänkö linjaa yleiskäyttöisenä I/O-linjana (jolloin tila on luettavissa tai kirjoitettavissa suoraan) vai alijärjestelmän ohjaamana. Osalla linjoista on linjan suunta (in/out) määrättävissä ohjelmallisesti, osalla se on määrätty kiinteästi olemaan vain toinen näistä.

Seuraavassa esitellään lyhyesti tärkeimmät alijärjestelmät.

Ajastin

68HC11:n ajastin eroaa näistä perinteisistä toteutuksista oleellisesti. Se perustuu yhteen vapaasti juoksevaan, 16-bittiseen laskuriin, sekä viiteen vertailu- ja kolmeen kaappausrekisteriin (E- ja F-malleissa voidaan käyttää myös neljä+neljä -moodia). Ajastimen käyttäminen vaatii tyypillisesti jatkuvaa ohjelmallista tukea keskeytyksien kautta, mutta toisaalta mahdollistaa asioita, joiden tekeminen perinteisellä laskuritoteutuksella olisi mahdotonta.

Ajastimen sydän, vapaasti juokseva laskuri, nollataan kontrollerin käynnistyessä. Sen jälkeen sen arvoon ei voi ohjelmasta käsin vaikuttaa. Laskurin arvoa kasvatetaan yhdellä prosessorin kellon mukaisesti (1,4,8 tai 16 kellojakson välein - laskuria ohjaa ohjelmoitava esijakaja).

Ajastimella saadaan tuotettua keskeytyksiä ja/tai ulkoisia tapahtumia, esim. pulsseja, siihen sisältyvien vertailurekisterien avulla. Tapahtuma suoritetaan, kun rekisterin ja laskurin arvot ovat samoja. Tapahtumaa seuraava keskeys käynnistää tyypillisesti ohjelman, joka lukee vertailurekisterin, lisää siihen sopivan määrän ja tallettaa takaisin seuraavaa vertailua varten.

Kaappausrekisterien toiminta on päinvastainen: Ulkoisen tapahtuman seurauksena laskurin arvo kopioidaan rekisteriin ja aktivoidaan keskeytys. Keskeytyspalvelu saa siten tietoonsa tarkan hetken, jolloin tapahtuma rekisteröitiin (keskeytyksen käsittelyyn menevästä ajasta huolimatta).

Ajastimeen sisältyy myös kolme sivutoimintoa:

• Pulssilaskuri (pulse accumulator) on 8-bittinen laskuri, joka vastaa osittain perinteisiä kontrollerien laskuritoteutuksia. Sillä voidaan laskea pulssien määrää tai mitata niiden pituutta.
• Periodinen keskeytys on tarkoitettu lähinnä säännölliseksi reaaliaikapalvelujen aktivointimenetelmäksi
• Watchdog mahdollistaa koko kontrollerin resetoinnin, ellei sen vaatimia tarkistusoperaatioita suoriteta säännöllisesti (kaksi kirjoitusoperaatiota sen kontrollirekisteriin tyypillisesti enintään 15ms..2s kuluessa edellisestä kirjoituksesta).

SCI, asynkroninen sarjaportti

SCI ei sisällä mitään ns. hienoja ominaisuuksia, kuten FIFO-puskureita lähetystä ja vastaanottoa varten. Sen sijaan se tarjoaa ominaisuksia, joista voi olla enemmänkin hyötyä sulautetuissa järjestelmissä: SCI tukee esimerkiksi yksinkertaisen kontrolleriverkon (bus, kaikki lähettäjät ja vastaanottajat kytketty toisiinsa) rakentamista 9-bittisen tiedonsiirron avulla. Käytännössä tämä tarkoittaa, että vastaanotto voidaan sammuttaa, kunnes vastaanotetaan tavu, jonka 9. bitti on asetettu herättämään kaikki vastaanottajat. Tavu voi silloin sisältää esim. seuraavan vastaanottajan osoitteen.

SPI, synkroninen sarjaportti

Suoraan SPI-liitäntään sopivia I/O- ja muistipiirejä on saatavissa. Esim. useat A/D- ja D/A-muuntimet soveltuvat liitettäviksi siihen. Liitäntää voidaan käyttää myös normaalien siirtorekisterien kanssa I/O liitäntöjen laajentamiseen. SPI-liitännän avulla on myös toteutettu pieniä kontrolleriverkkoja.

A/D-muunnin

CPU

Rekisterit

• Kaksi 8-bittistä akkua (A ja B), joita voidaan käyttää yhtenä 16-bittisenä akkuna (D, jossa A on enitenmerkitsevä osa)
• Kaksi 16-bittistä indeksirekisteriä (X ja Y)
• 16-bittisen pino-osoittimen (SP)
• 16-bittisen ohjelmalaskurin (PC)
• 8-bittisen lippurerkisterin (CCR, jossa liput C (carry), V (overflow), Z (zero), N (negative), I (I interrupt mask), H (half-carry), X (X interrupt mask) ja S (stop disable))

Osoitusmuodot

Osoitusmuodot ovat:

• Immediate (IMM), jossa käskyn tarvitsema argumentti löytyy käskyä seuraavasta muistipaikasta, esim.

  	LDAA	#2	; Lataa akkuun A luku 2
  	

• Extended (EXT), jossa käskyn tarvitsema argumentti löytyy käskyä seuraavan osoitteen osoittamasta muistipaikasta, esim.

  	STAA	$F000	; Talleta akun A sisältö 
  			; osoitteeseen F000 (hex)
  	

• Direct (DIR), jossa käskyn tarvitsema argumentti löytyy käskyä seuraavan osoitteen osoittamasta muistipaikasta. Käskyyn liittyvän osoitteen pituus on 8 bittiä, ylimmät kahdeksan ovat aina 0. Esim.

  	LDAA	$C0	; Lataa akun A sisältö 
  			; osoitteesta 00C0 (hex)
  	

  (Huom. käytettävästä assembler-kääntäjästä riippuu, miten direct- ja extended-muodot eroitetaan toisistaan. Osa kääntäjistä päättää automaattisesti, osalle pitää erikseen ilmoittaa direct-muodon käyttämisestä. Näillä osoitusmuodoilla ei ole muuta eroa kuin että direct-osoitusta käyttävä käsky on lyhyempi ja nopeampi suorittaa)

• Indexed (INDX, INDY), jossa käskyn tarvitsema argumentti löytyy muistipaikasta, jonka osoite saadaan lisäämällä indeksirekisterin sisältöön 8-bittinen etumerkitön vakio. Esim.

  	ADDA	12,X	; A = A + mem[X+12]
  	SUBB	0,Y	; B = B - mem[Y+0]
  	

  Huom. Jokainen käsky, jossa käytetään Y-indeksirekisteriä, on yhden tavun vastaavaa X-rekisteriä käyttävää käskyä suurempi sekä hieman hitaampi suorittaa. Kannattaa siis käyttää X-rekisteriä aina kun se on mahdollista.

• Inherent (INH), jossa käsky ei tarvitse erillisiä argumentteja (kaikki tarvittava tieto sisältyy käskykoodiin). Esim.

  	INX		; X = X + 1
  	PSHA		; "push A": mem[SP] = A; SP = SP - 1
  	

• Relative (REL) on osoitusmuoto, jota ehdolliset hyppykäskyt käyttävät. Siinä käskyyn liittyy 8-bittinen etumerkillinen vakio, jota käytettään hypyn kohdeosoitteen laskentaan.

  	BMI	LBL1	; hyppää osoitteeseen LBL1, jos 
  			; edellisen laskutoimituksen
  			; tulos negatiivinen (MI = minus)
  	

  Relative-muotoa käyttävät myös BRA (ehdoton lyhyt hyppy) ja BSR (ehdoton, lyhyt aliohjelmakutsu).

Käskykanta

• Yhtä operandia (muistipaikka tai akku) käsittelevät käskyt (Inherent, Indexed tai Extended-osoitus)
• Käskyt, jotka tarvitsevat kaksi operandia (muistipaikka ja rekisteri) (Immediate, Indexed, Direct tai Extended-osoitus)
• Käskyt, joissa tieto operandeista liittyy aina kiinteästi käskykoodiin (aina Inherent-osoitus)
• Suhteelliset hyppykäskyt (relative-osoitus)
• Muut suorituskohtaan vaikuttavat käskyt (Inherent, Indexed tai Extended-osoitus)
• Bittienkäsittely ja -hyppykäskyt (Immediate, Direct ja relative-osoitus, jopa kaikki samassa käskyssä)

Tässä esitetty jako on vain yksi mahdollinen. Motorolan julkaisema kirjallisuus ei yleensä jaa käskyjä ollenkaan, vaan esittää kaikki käskyt aakkosjärjestyksessä.

Keskeytysten käsittely

• tallettaa kaikki rekisterit pinoon
• hakee keskeytysvektorin ja lataa sen ohjelmalaskuriin
• asettaa keskeytystä vastaavan estobitin (I tai X) CCR-rekisterissä, jos ko. keskeytys on estettävissä

Keskeytyksestä palaaminen tapahtuu RTI-käskyllä, joka lataa kaikki rekisterit pinosta.

[versio 1.5, 1996/03/10 20:08:32] [Lähetä palautetta Laurille]

Copyright © 1996 Lauri Aarnio. All Rights Reserved.