Z86E61/Z86E63微控制器：性能、特性與應用全解析

在電子設計領域，微控制器是眾多項目的核心組件，其性能和特性直接影響著整個系統的表現。今天，我們就來深入探討Zilog公司的Z86E61/Z86E63微控制器，看看它有哪些獨特之處，以及如何在實際設計中發揮作用。

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一、產品概述

Z86E61/Z86E63微控制器屬于Z8?單芯片微控制器家族，擁有16K/32 KB的EPROM和236字節的通用RAM。它提供40引腳DIP、44引腳PLCC或44引腳LQFP封裝形式，是Z86C61/63的引腳兼容EPROM版本，其中44引腳版本還提供無ROM引腳選項。

這款微控制器具有快速執行、高效內存使用、復雜中斷處理、輸入/輸出位操作能力以及易于硬件/軟件系統擴展等優點。對于需要強大I/O功能的應用，它提供32個專用輸入輸出引腳，分為四個端口，每個端口包含八條線路，可在軟件控制下配置，提供定時、狀態信號、串行或并行I/O（帶或不帶握手）以及用于連接外部內存的地址/數據總線。

二、產品特性

（一）基本參數

• 位寬與封裝：8位CMOS微控制器，提供40引腳DIP、44引腳PLCC和44引腳LQFP三種封裝。
• 工作電壓與時鐘：工作電壓范圍為4.5 V至5.5 V，時鐘速度有16 MHz和20 MHz可選。
• 功耗：低功耗設計，最大功耗為275 mW。
• 待機模式：具備STOP和HALT兩種待機模式，可有效降低功耗。

（二）功能特性

• I/O功能：32個輸入/輸出線路，支持全雙工UART，所有數字輸入為TTL電平。
• 保護機制：高壓輸入具有高壓保護，具備RAM和EPROM保護功能。
• 內存配置：Z86E61配備16 KB EPROM，Z86E63配備32 KB EPROM；擁有256字節寄存器文件，包括236字節通用RAM、16字節控制和狀態寄存器以及4字節端口寄存器。
• 計數器/定時器：兩個可編程8位計數器/定時器，每個帶有6位可編程預分頻器。
• 中斷系統：提供六個向量優先級中斷，來自八個不同源。
• 振蕩器：片上振蕩器可接受晶體陶瓷諧振器、LC或外部時鐘驅動。

三、引腳功能與配置

（一）引腳信號

Z86E61/Z86E63微控制器提供多種封裝樣式、編程模式和引腳配置。在標準模式和EPROM編程模式下，40引腳PDIP、44引腳PLCC和44引腳LQFP封裝的引腳信號和配置有所不同。主要引腳信號包括：

• XTAL2/XTAL1：晶體振蕩器時鐘輸出/輸入引腳。
• RESET：復位引腳，低電平有效。
• R/W：讀寫信號，寫操作時為低電平。
• DS：數據選通信號，每次外部內存傳輸時激活一次。
• AS：地址選通信號，每個機器周期開始時脈沖一次。

（二）端口描述

• Port 0（P07 - P00）：8位、半字節可編程、雙向、TTL兼容端口，可配置為半字節I/O端口或用于連接外部內存的地址端口，可在握手控制下工作。
• Port 1（P17 - P10）：8位、字節可編程、雙向、TTL兼容端口，具有復用的地址（A7 - A0）和數據（D7 - D0）端口，可配置為輸入/輸出線或用于連接外部內存的地址/數據端口，也可在握手控制下工作。
• Port 2（P27 - P20）：8位、位可編程、雙向、CMOS兼容端口，每個引腳可獨立編程為輸入或輸出，也可全局配置為開漏輸出，可在握手控制下工作。
• Port 3（P37 - P30）：8位、CMOS兼容的四個固定輸入和四個固定輸出端口，可配置為提供握手、外部中斷請求、定時器輸入/輸出、數據內存選擇和EPROM控制等功能。

四、地址空間與內存配置

（一）程序內存

Z86E61/Z86E63微控制器可尋址48 KB（Z86E61）或32 KB（Z86E63）的外部程序內存。前12字節的程序內存用于中斷向量，包含對應六個可用中斷的六個16位向量。在EPROM模式下，第13字節到第16383字節（Z86E61）或第32767字節（Z86E63）為片上EPROM。在無ROM模式下，可尋址高達64 KB的程序內存，復位后程序執行從外部位置000C（HEX）開始。

（二）數據內存

EPROM版本可尋址高達48 KB（Z86E61）或32 KB（Z86E63）的外部數據內存，無ROM版本可尋址高達64 KB的外部數據內存。外部數據內存可與外部程序內存空間合并或分離，通過DM信號區分數據和程序內存空間。

（三）寄存器文件

寄存器文件由四個I/O端口寄存器、236個通用寄存器和16個控制和狀態寄存器組成。指令可直接或通過8位地址字段間接訪問寄存器，還支持使用寄存器指針進行4位寄存器尋址。

（四）堆棧

Z86E61/Z86E63微控制器具有16位堆棧指針（R255 - R254）用于外部堆棧，在無ROM模式下可位于數據內存的任何位置，在EPROM模式下位于16384（Z86E61）或32768（Z86E63）到65535之間；8位堆棧指針（R255）用于內部堆棧，位于236個通用寄存器（R239 - R4）內。

五、功能描述

（一）計數器/定時器

有兩個8位可編程計數器/定時器（T0 - T1），每個由其自己的6位可編程預分頻器驅動。T1預分頻器可由內部或外部時鐘源驅動，T0預分頻器僅由內部時鐘驅動。6位預分頻器可將時鐘源的輸入頻率除以1到64之間的任何整數，當計數器和預分頻器達到計數結束時，會生成定時器中斷請求（IRQ4或IRQ5）。計數器可編程為啟動、停止、重新啟動或從初始值重新啟動，還可配置為在達到零值時停止（單通模式）或自動重新加載初始值并繼續計數（模n連續模式）。

（二）中斷系統

Z86E61/Z86E63微控制器有六個不同的中斷，來自八個不同的源，中斷可屏蔽且具有優先級。八個源分為：四個來自Port 3的P33 - P30引腳，一個來自串行輸出，一個來自串行輸入，兩個來自計數器/定時器。中斷通過程序內存中的位置進行向量處理，當激活中斷機器周期時，會禁用后續中斷，保存程序計數器和狀態標志，并分支到為該中斷保留的程序內存向量位置。

（三）時鐘

片上振蕩器具有高增益、并聯諧振放大器，可連接晶體、LC、陶瓷諧振器或任何合適的外部時鐘源（XTAL1為輸入，XTAL2為輸出）。晶體應為AT切割，最大頻率為1 MHz至20 MHz，串聯電阻（RS）小于或等于100歐姆，應使用推薦的電容器（10 pF < CL < 100 pF）連接到地。

（四）待機模式

• HALT：關閉內部CPU時鐘，但不關閉XTAL振蕩，計數器/定時器和外部中斷IRQ0、IRQ1、IRQ2和IRQ3保持活躍，可通過中斷恢復。
• STOP：關閉內部時鐘和外部晶體振蕩，將待機電流降低到5 μA（典型值）或更低，通過復位終止，處理器將在地址000Ch處重新啟動應用程序。

六、編程模式

Z86E61/Z86E63微控制器提供五種用戶編程模式：

（一）EPROM Read

用戶可將Z86E61/Z86E63微控制器作為標準27128（Z86E61）或27256（Z86E63）EPROM進行讀取，通過驅動EPM引腳（P32）到VH并激活CE和OE，PGM保持無效。此模式在執行EPROM保護周期后無效。

（二）EPROM Program

符合智能編程算法，使用VCC為6.0 V和VPP = 12.5 V進行編程，編程脈沖以1 ms為增量施加，最多25個脈沖，驗證后施加三倍于編程所需周期的編程脈沖，確保正確編程。

（三）PROM Verify

作為智能編程算法的一部分，用于確保在最壞情況下的數據完整性，與EPROM Read周期的區別在于VPP激活且VCC必須驅動到6.0 V。

（四）EPROM and RAM Protect

提供EPROM和RAM保護周期，執行EPROM保護周期會禁止EPROM Read、EPROM Verify和EPROM編程周期的正確執行；執行RAM保護周期會禁用對寄存器內存上部128字節（不包括模式和配置寄存器）的訪問，但用戶程序必須先設置IMR（R251）的第6位。

七、電氣特性

（一）絕對最大額定值

（二）DC特性

包括最大輸入電壓、時鐘輸入高低電壓、輸入輸出高低電壓、輸入輸出泄漏電流、復位輸入電流、電源電流和待機電流等參數。

（三）AC特性

涵蓋外部I/O或內存讀寫時序、輸入輸出握手時序以及其他附加時序特性，每個參數都有相應的計算公式和頻率范圍。

八、控制寄存器

Z86E61/Z86E63微控制器的控制寄存器包括串行I/O寄存器、定時器模式寄存器、計數器/定時器寄存器、預分頻器寄存器、端口模式寄存器、中斷優先級寄存器、中斷請求寄存器、中斷屏蔽寄存器、標志寄存器、寄存器指針寄存器和堆棧指針寄存器等，每個寄存器都有其特定的功能和位描述。

九、Z8指令集

（一）尋址模式與符號

使用多種尋址模式和符號來描述指令操作，包括間接寄存器對、間接工作寄存器對地址、索引地址、直接地址、相對地址、立即數等。

（二）標志與條件代碼

控制寄存器R252包含六個標志（C、Z、S、V、D、H），這些標志可根據操作進行設置或清除。條件代碼用于定義不同的條件，如小于、小于等于、大于、大于等于等。

（三）指令格式

Z8指令集使用一、二和三字節格式，包括操作碼、目的地址、源地址等部分。

（四）指令總結

對每個Z8指令的操作、尋址模式、操作碼和受影響的標志進行了總結。

十、封裝與訂購信息

（一）封裝

提供40引腳塑料雙列直插封裝（PDIP）、44引腳低輪廓四方扁平封裝（LQFP）和44引腳塑料芯片載體（PLCC）三種封裝形式。

（二）訂購信息

可根據頻率、封裝和溫度范圍選擇不同的產品型號，如Z86E6116PSG表示16 MHz、40引腳PDIP封裝、0°C至+70°C溫度范圍的Z86E61微控制器。

（三）部件號后綴指定

Zilog部件號由環境流程、溫度范圍、封裝、頻率和內存類型等組件組成，例如Z86E6116PSC表示8位Z8驅動的微控制器，工作頻率為16 MHz，采用40引腳PDIP封裝，工作溫度范圍為0oC至+70oC，使用無鉛焊料。

十一、總結

Z86E61/Z86E63微控制器以其豐富的功能、靈活的配置和良好的電氣性能，為電子工程師提供了一個強大的設計平臺。在實際應用中，工程師可以根據具體需求選擇合適的封裝、編程模式和配置，充分發揮其優勢，實現各種復雜的控制和數據處理任務。同時，通過對其引腳功能、地址空間、功能特性和指令集的深入了解，能夠更好地進行系統設計和優化，提高產品的性能和可靠性。

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