深入解析 Z80C30/Z85C30 CMOS SCC 串行通信控制器

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，串行通信控制器是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高效傳輸?shù)年P(guān)鍵組件。Zilog 公司的 Z80C30 和 Z85C30 CMOS SCC 串行通信控制器憑借其出色的性能和豐富的功能，在眾多應(yīng)用場景中得到了廣泛應(yīng)用。今天，我們就來深入探討一下這兩款控制器的特點(diǎn)、功能及應(yīng)用。

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一、產(chǎn)品概述

Z80C30 和 Z85C30 是 Zilog 公司推出的引腳和軟件兼容的 CMOS 成員，屬于 SCC 家族。它們是雙通道、多協(xié)議數(shù)據(jù)通信外設(shè)，能輕松與具有復(fù)用或非復(fù)用地址/數(shù)據(jù)總線的 CPU 進(jìn)行接口。這兩款控制器具有低功耗、高性能和出色的抗噪能力，適用于各種串行數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用。

1.1 主要特性

• 優(yōu)化設(shè)計(jì)：Z85C30 針對非復(fù)用總線微處理器進(jìn)行了優(yōu)化，而 Z80C30 則針對復(fù)用總線微處理器進(jìn)行了優(yōu)化。
• 雙獨(dú)立通道：擁有兩個(gè)獨(dú)立的 0 至 4.1 Mbps 全雙工通道，每個(gè)通道都有單獨(dú)的晶體振蕩器、波特率發(fā)生器（BRG）和數(shù)字鎖相環(huán)（DPLL），可實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘恢復(fù)。
• 多協(xié)議操作：支持多種協(xié)議，可通過程序控制實(shí)現(xiàn) NRZ、NRZI 或 FM 數(shù)據(jù)編碼。
• 異步和同步模式：具備異步模式（5 - 8 位字符，1、1.5 或 2 個(gè)停止位）和同步模式（內(nèi)部或外部字符同步，CRC 生成和校驗(yàn)）。
• SDLC/HDLC 模式：支持 SDLC/HDLC 模式，具有全面的幀級控制、自動(dòng)零插入和刪除等功能。
• 軟件中斷確認(rèn)：具備軟件中斷確認(rèn)功能，這是 NMOS 版本所沒有的。
• 本地回環(huán)和自動(dòng)回顯：支持本地回環(huán)和自動(dòng)回顯模式。
• 增強(qiáng)的 DMA 支持：提供增強(qiáng)的 DMA 支持，具有 10 x 19 位狀態(tài) FIFO 和 14 位字節(jié)計(jì)數(shù)器。

1.2 Z85C30 獨(dú)有特性

Z85C30 還具備一些獨(dú)有的特性，部分特性默認(rèn)開啟，部分特性（帶 * 標(biāo)記）默認(rèn)禁用，可通過 WR7 進(jìn)行編程啟用。

• 新的可編程寫寄存器：新增可編程寫寄存器 7 素?cái)?shù)（WR7），可啟用新功能。
• SDLC 模式改進(jìn)：改進(jìn)了對同步通信 SDLC 模式的支持，包括更輕松地發(fā)送連續(xù)幀、自動(dòng) SDLC 起始標(biāo)志傳輸?shù)取?/li>
• AC 時(shí)序改進(jìn)：縮短了訪問恢復(fù)時(shí)間，可編程 DTR/REQ 時(shí)序，消除了寫數(shù)據(jù)到 WR 下降沿的建立時(shí)間要求，減少了 INT 時(shí)序。
• 其他特性：具有擴(kuò)展讀取功能，可讀取寫寄存器的寫入值；在讀取時(shí)鎖存 RRO；RRO 的 D7 位和 RR10 的 D6 位現(xiàn)在有默認(rèn)復(fù)位值。

二、引腳描述

2.1 通用引腳

Z85C30 和 Z80C30 有一些通用引腳，這些引腳在不同模式下具有不同的功能。

• CTSA、CTSB：清除發(fā)送（輸入，低電平有效），可用于自動(dòng)啟用功能或作為通用輸入。
• DCDA、DCDB：數(shù)據(jù)載波檢測（輸入，低電平有效），可作為接收器啟用或通用輸入。
• DTR/REQA、DTR/REQB：數(shù)據(jù)終端就緒/請求（輸出，低電平有效），可作為通用輸出或 DMA 控制器的請求線。
• IEI、IEO：中斷使能輸入/輸出，用于形成中斷菊花鏈。
• INT：中斷請求（輸出，開漏，低電平有效）。
• INTACK：中斷確認(rèn)（輸入，低電平有效）。
• PCLK：時(shí)鐘輸入，用于同步內(nèi)部信號(hào)。
• RxDA、RxDB：接收數(shù)據(jù)輸入。
• RTxCA、RTxCB：接收/發(fā)送時(shí)鐘輸入，可配置多種工作模式。
• RTSA、RTSB：請求發(fā)送（輸出，低電平有效）。
• SYNCA、SYNCB：同步（輸入或輸出，低電平有效），可作為輸入、輸出或晶體振蕩器電路的一部分。
• TxDA、TxDB：發(fā)送數(shù)據(jù)輸出。
• TRxCA、TRxCB：發(fā)送/接收時(shí)鐘（輸入或輸出，低電平有效），可配置多種工作模式。
• W/REQA、W/REQB：等待/請求（輸出，開漏或驅(qū)動(dòng)高/低電平），可作為 DMA 控制器的請求線或等待線。

2.2 特定引腳

• Z85C30 特定引腳：A/B 用于選擇通道，CE 為芯片使能，D7 - D0 為數(shù)據(jù)總線，D/C 用于選擇數(shù)據(jù)或控制信息，RD 為讀信號(hào)，WR 為寫信號(hào)。
• Z80C30 特定引腳：AD7 - AD0 為地址/數(shù)據(jù)總線，AS 為地址選通，CS0、CS1 為片選信號(hào)，DS 為數(shù)據(jù)選通，R/W 用于指定讀寫操作。

三、功能描述

3.1 I/O 接口能力

系統(tǒng)與 SCC 設(shè)備之間的通信通過其寄存器組完成。SCC 有十六個(gè)寫寄存器（WR）和八個(gè)讀寄存器（RR），通過這些寄存器可以進(jìn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制信息的讀寫操作。數(shù)據(jù)傳輸方式有三種：輪詢、中斷（向量和非向量）以及 CPU/DMA 塊傳輸。

• 輪詢：所有中斷禁用，CPU 定期讀取狀態(tài)寄存器，根據(jù)寄存器內(nèi)容決定是否進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
• 中斷：支持向量和嵌套中斷，通過 INTACK 信號(hào)實(shí)現(xiàn)中斷確認(rèn)。每個(gè)中斷源有三個(gè)相關(guān)位：中斷待決（IP）、服務(wù)中中斷（IUS）和中斷使能（IE）。有三種類型的中斷：發(fā)送、接收和外部/狀態(tài)中斷。
• CPU/DMA 塊傳輸：提供塊傳輸模式，可使用 WAIT/REQUEST 輸出與 WR1 中的等待/請求位配合，實(shí)現(xiàn) CPU 塊傳輸功能和 DMA 控制器的數(shù)據(jù)傳輸。

3.2 SCC 數(shù)據(jù)通信能力

• 異步模式：每個(gè)通道可獨(dú)立發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，字符長度為 5 - 8 位，可選擇奇偶校驗(yàn)，發(fā)送器可提供 1、1.5 或 2 個(gè)停止位，并可提供中斷輸出。接收器具有瞬態(tài)脈沖抑制機(jī)制，可檢測并緩沖幀錯(cuò)誤和溢出錯(cuò)誤。
• 同步模式：支持字節(jié)和位導(dǎo)向的同步通信，可使用 6 位或 8 位同步字符（單同步）、12 位或 16 位同步模式（雙同步）或外部同步信號(hào)進(jìn)行字符同步。支持 CRC - 16 和 CCITT 錯(cuò)誤檢查多項(xiàng)式，可預(yù)設(shè) CRC 生成器和校驗(yàn)器為全 1 或全 0。
• SDLC 模式：支持 SDLC 和 HDLC 等同步位導(dǎo)向協(xié)議，自動(dòng)執(zhí)行標(biāo)志發(fā)送、零插入和 CRC 生成。接收器可自動(dòng)在幀的起始標(biāo)志處實(shí)現(xiàn)同步，并可根據(jù)地址進(jìn)行幀過濾。
• SDLC 循環(huán)模式：支持 SDLC 循環(huán)模式，作為輔助站可監(jiān)聽并轉(zhuǎn)發(fā)消息，在特定時(shí)間發(fā)送自己的消息。

3.3 波特率發(fā)生器和數(shù)字鎖相環(huán)

• 波特率發(fā)生器（BRG）：每個(gè)通道都有一個(gè)可編程的波特率發(fā)生器，由兩個(gè) 8 位時(shí)間常數(shù)寄存器、一個(gè) 16 位遞減計(jì)數(shù)器和一個(gè)輸出觸發(fā)器組成。輸出的 BRG 可作為發(fā)送時(shí)鐘、接收時(shí)鐘或兩者，其時(shí)間常數(shù)與波特率的關(guān)系為：[Time Constant =frac{ PCLK or RTxC Frequency }{2 (Baud Rate)( Clock Mode )}-2]
• 數(shù)字鎖相環(huán)（DPLL）：用于從 NRZI 或 FM 編碼的數(shù)據(jù)流中恢復(fù)時(shí)鐘信息，由一個(gè)標(biāo)稱頻率為數(shù)據(jù)速率 32（NRZI）或 16（FM）倍的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。

3.4 數(shù)據(jù)編碼和回顯功能

• 數(shù)據(jù)編碼：SCC 可通過四種不同方法對串行數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和解碼，包括 NRZ、NRZI、FM1 和 FM0。此外，還可通過 DPLL 在 FM 模式下對曼徹斯特?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行解碼。
• 自動(dòng)回顯和本地回環(huán)：支持自動(dòng)回顯功能，在異步、同步和 SDLC 模式下都可工作；本地回環(huán)模式將內(nèi)部發(fā)送數(shù)據(jù)連接到內(nèi)部接收數(shù)據(jù)，RxD 被忽略。

3.5 SDLC FIFO 幀狀態(tài) FIFO 增強(qiáng)

SCC 的 10 深 x 19 位寬狀態(tài) FIFO 可最大程度地提高接收高速連續(xù) SDLC 幀的能力。當(dāng)啟用時(shí)，DMA 可繼續(xù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)存，CPU 可稍后檢查消息。每個(gè) SDLC 幀的 14 位字節(jié)計(jì)數(shù)和 5 個(gè)狀態(tài)/錯(cuò)誤位存儲(chǔ)在 FIFO 中，可通過讀寄存器 6 和 7 訪問。

四、編程與設(shè)置

4.1 寄存器編程

• Z85C30：數(shù)據(jù)寄存器通過 D/C 引腳直接尋址，其他寄存器（除 WR0 和 RR0）的編程需要兩次寫操作，讀取需要一次寫和一次讀操作。
• Z80C30：所有 SCC 寄存器都可直接尋址，WR0B 中的命令控制如何解碼地址/數(shù)據(jù)總線上的地址。

4.2 系統(tǒng)設(shè)置

系統(tǒng)程序首先發(fā)出一系列命令來初始化基本操作模式，然后根據(jù)所選模式設(shè)置其他條件，如異步模式下的字符長度、時(shí)鐘速率、停止位和奇偶校驗(yàn)等，最后設(shè)置中斷模式并啟用接收器和發(fā)送器。

五、電氣特性

5.1 絕對最大額定值

• Vcc 電源電壓范圍：–0.3 V 至 +7.0 V
• 所有引腳相對于 GND 的電壓：–3 V 至 VCC + 0.3 V
• 工作環(huán)境溫度：見訂購信息章節(jié)
• 存儲(chǔ)溫度：–65° C 至 +150° C

5.2 標(biāo)準(zhǔn)測試條件

DC 特性和電容測量在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下進(jìn)行，所有電壓以 GND 為參考，正電流流入?yún)⒖家_。

5.3 電容和 DC/AC 特性

文檔還給出了輸入、輸出和雙向電容的參數(shù)，以及 Z80C30 和 Z85C30 設(shè)備的 DC 和 AC 特性參數(shù)，包括輸入輸出電壓、電流、時(shí)鐘周期等。

六、封裝與訂購信息

6.1 封裝

Z80C30 和 Z85C30 提供 40 引腳 DIP 封裝和 44 引腳 PLCC 封裝，文中給出了這兩種封裝的詳細(xì)尺寸圖。

6.2 訂購信息

提供了不同速度（8 MHz、10 MHz、16 MHz）下的訂購型號(hào)，同時(shí)介紹了部件編號(hào)后綴的含義，包括環(huán)境、溫度范圍、封裝和速度等信息。

七、總結(jié)

Z80C30 和 Z85C30 CMOS SCC 串行通信控制器以其豐富的功能、出色的性能和靈活的編程能力，為電子工程師在串行數(shù)據(jù)通信設(shè)計(jì)中提供了強(qiáng)大的工具。無論是在異步通信還是同步通信應(yīng)用中，它們都能滿足不同的需求。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景和系統(tǒng)要求，合理選擇和配置這兩款控制器，以實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？或者對這兩款控制器有什么其他的見解，歡迎在評論區(qū)分享交流。