Renesas 3858 組單芯片 8 位 CMOS 微計算機深度解析

在電子設備不斷發展的今天，微計算機作為核心部件，其性能和特性對于整個系統的運行起著至關重要的作用。今天我們就來深入探討一下 Renesas 3858 組單芯片 8 位 CMOS 微計算機，了解它的各項功能、特點以及使用中的注意事項。

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一、產品概述

Renesas 3858 組微計算機是基于 740 家族核心技術的 8 位微計算機，專為家用產品和辦公自動化設備設計。它具備多種功能，如串行接口功能、8 位和 16 位定時器以及 A/D 轉換器等，為各類應用提供了強大的支持。

1.1 主要特性

• 時鐘生成電路：內置 2 個電路，可連接外部陶瓷諧振器或石英晶體振蕩器。
• 看門狗定時器：16 位定時器，為系統提供可靠的監控和復位功能。
• 電源電壓：不同模式下有不同的電源電壓范圍，例如高速模式下為 4.0 - 5.5V（12.5MHz 振蕩頻率）或 2.7 - 5.5V（6MHz 振蕩頻率）。
• 工作溫度范圍：-20 至 85°C，能適應較寬的工作環境。
• 指令系統：采用標準的 740 家族指令集，基本機器語言指令有 71 條，最小指令執行時間為 0.32μs。
• 內存大小：ROM 為 48K 字節，RAM 為 1.5K 字節。
• 中斷源：19 個中斷源，16 個中斷向量，可靈活應對各種事件。
• 可編程輸入/輸出端口：34 個端口，方便與外部設備進行連接和通信。

二、功能模塊詳解

2.1 中央處理器（CPU）

• 寄存器結構：包括累加器（A）、索引寄存器 X（X）、索引寄存器 Y（Y）、堆棧指針（S）、程序計數器（PC）和處理器狀態寄存器（PS）等。這些寄存器在數據處理、地址計算和程序執行中發揮著重要作用。
• 指令執行：使用標準的 740 家族指令集，但 FST 和 SLW 指令不能使用，而 STP、WIT、MUL 和 DIV 指令可以使用。
• 處理器狀態寄存器（PS）：包含 5 個標志位，用于指示算術運算后的處理器狀態，以及 3 個標志位用于決定 MCU 操作。通過測試這些標志位，可以進行分支操作。

2.2 內存

• 特殊功能寄存器（SFR）區域：零頁中的特殊功能寄存器區域包含 I/O 端口和定時器等控制寄存器。
• RAM：用于數據存儲和子程序調用及中斷的堆棧區域。
• ROM：前 128 字節和最后 2 字節為設備測試保留區域，其余為用戶存儲程序的區域。
• 中斷向量區域：包含復位和中斷向量。
• 零頁和特殊頁：在零頁尋址模式和特殊頁尋址模式下，可僅用 2 字節訪問這些區域。

2.3 I/O 端口

I/O 端口具有方向寄存器，可單獨設置每個引腳的輸入/輸出方向。通過設置端口上拉控制寄存器，可對端口進行上拉控制，但對輸出端口設置無效。不同端口具有不同的功能，如 P0 端口可作為串行 I/O2 功能引腳，P1 端口可輸出大電流用于 LED 驅動等。

2.4 中斷

3858 組的中斷為向量類型，有 19 個中斷源中的 16 個可觸發中斷。每個中斷由中斷請求位、中斷使能位和中斷禁用標志控制。當相應的中斷請求和使能位為“1”且中斷禁用標志為“0”時，中斷發生。中斷發生時，會自動執行一系列操作，如將程序計數器和處理器狀態寄存器的內容壓入堆棧等。

2.5 定時器

• 8 位定時器：包括定時器 1、定時器 2、定時器 X 和定時器 Y。它們使用不同的預分頻器，且每個定時器和預分頻器都有定時器鎖存器或預分頻器鎖存器。
• 16 位定時器（Timer Z1 和 Timer Z2）：可選擇不同的計數源和操作模式，如定時器模式、事件計數器模式、脈沖輸出模式等。在不同模式下，定時器的功能和操作方式有所不同。

2.6 串行接口

• 串行 I/O1：可作為時鐘同步或異步（UART）串行 I/O 使用，提供專用的波特率生成定時器。在不同模式下，數據傳輸的格式和控制方式有所不同。
• 串行 I/O2：只能作為時鐘同步類型操作，可選擇內部時鐘或外部時鐘作為同步時鐘。在數據傳輸過程中，可通過比較發送引腳和接收引腳的狀態輸出 SCMP2 信號，并可生成 INT2 中斷請求。

2.7 PWM（脈沖寬度調制）

3858 組具有 8 位分辨率的 PWM 功能，基于時鐘輸入 XIN 或該時鐘輸入除以 2 的信號。通過設置 PWM 預分頻器和 PWM 寄存器，可設置 PWM 周期和輸出脈沖的“H”期。

2.8 A/D 轉換器

A/D 轉換器用于將模擬信號轉換為數字信號。通過 AD 控制寄存器控制 A/D 轉換過程，轉換結果存儲在 AD 轉換寄存器中。在進行 A/D 轉換時，需要注意時鐘頻率和參考電壓等因素，以確保轉換精度。

2.9 看門狗定時器

看門狗定時器用于在程序無法正常運行時將系統恢復到復位狀態。它由 8 位看門狗定時器 L 和 8 位看門狗定時器 H 組成。在復位或寫入看門狗定時器控制寄存器時，看門狗定時器 H 和 L 被設置為“FF16”。當看門狗定時器 H 下溢時，會發生內部復位。

2.10 復位電路

要復位微計算機，需將 RESET 引腳保持在“L”電平 20 個 XIN 周期以上，然后將其返回“H”電平（電源電壓需在 2.7V 至 5.5V 之間，且振蕩穩定），復位釋放后，程序從復位向量地址開始執行。

2.11 時鐘生成電路

3858 組具有兩個內置振蕩電路，可通過連接諧振器在 XIN 和 XOUT（XCIN 和 XCOUT）之間形成振蕩電路?？蛇x擇不同的頻率控制模式，如中速模式、高速模式、低速模式和低功耗模式。在不同模式下，內部時鐘的頻率和振蕩控制方式有所不同。

三、電氣特性

3.1 絕對最大額定值

規定了微計算機在各種參數下的最大允許值，如電源電壓、輸入電壓、輸出電壓、功耗、工作溫度和存儲溫度等。在使用過程中，必須確保各項參數不超過這些額定值，以保證微計算機的正常運行和可靠性。

3.2 推薦工作條件

給出了微計算機在不同模式下的推薦工作參數，如電源電壓、參考電壓、輸入電壓、輸出電流等。遵循這些推薦條件，可以使微計算機在最佳狀態下工作，提高系統的性能和穩定性。

3.3 電氣特性和 A/D 轉換器特性

詳細描述了微計算機在不同條件下的電氣性能，如輸出電壓、輸入電流、電源電流等，以及 A/D 轉換器的分辨率、絕對精度、轉換時間等特性。這些特性對于設計和評估系統的性能至關重要。

3.4 時序要求和開關特性

規定了微計算機在各種操作中的時序要求，如復位輸入脈沖寬度、外部時鐘輸入周期時間、串行 I/O 時鐘輸入周期時間等，以及開關特性，如時鐘輸出脈沖寬度、輸出延遲時間等。在設計電路時，必須滿足這些時序和開關要求，以確保系統的正常通信和操作。

四、編程和使用注意事項

4.1 編程注意事項

• 處理器狀態寄存器：在復位后，必須初始化影響程序執行的標志位，特別是 T 和 D 標志位，因為它們對計算有重要影響。
• BRK 指令：在滿足特定條件時，BRK 指令會從具有最高優先級的中斷向量地址開始執行中斷。
• 十進制計算：在進行十進制計算時，需使用 ADC 和 SBC 指令，并設置十進制模式標志（D）為“1”。在十進制模式下，部分標志位的值無效。
• JMP 指令：在間接尋址模式下使用 JMP 指令時，不要指定頁面的最后地址作為間接地址。
• 乘法和除法指令：MUL 和 DIV 指令不受索引 X 模式（T）和十進制模式（D）標志的影響，且執行這些指令不會改變處理器狀態寄存器的內容。
• 端口操作：端口方向寄存器的內容不能讀取，某些指令和尋址模式不能用于端口方向寄存器，應使用 LDM 和 STA 等指令設置端口方向寄存器。
• 指令執行時間：指令執行時間可通過將內部時鐘 φ 的頻率乘以 740 家族軟件手冊中提到的周期數來獲得。
• 保留區域和位：不要向 SFR 區域和特殊頁中的保留區域寫入數據。
• CPU 模式寄存器：必須將 CPU 模式寄存器（地址 003B16）的位 3 固定為“1”。

4.2 外設功能注意事項

• 輸入和輸出端口：在待機狀態下，要避免 I/O 端口的輸入電平“未定義”，特別是 N 溝道開漏輸出端口。在修改端口鎖存器時，要注意未指定位的值可能會改變。
• 未使用引腳的端接：對于未使用的 I/O 端口，可將其設置為輸入模式并通過電阻連接到 VCC 或 VSS，或設置為輸出模式并將其開路為“L”或“H”。對于不使用的 A/D 轉換器的 AVSS 引腳，應將其連接到 VSS 引腳。
• 中斷：在更改相關寄存器設置時，可能會設置中斷請求位，此時應按照特定的順序進行操作，以避免不必要的中斷發生。在檢查中斷請求位時，應在清除中斷請求位后執行一條或多條指令，再執行 BBC 或 BBS 指令。
• 定時器：寫入定時器鎖存器的值會影響頻率分頻比，在切換計數源時，要注意定時器計數值可能會發生變化，應先選擇計數源，再設置預分頻器和定時器的值。
• 串行接口：在選擇時鐘同步或異步串行 I/O 時，要注意傳輸和接收操作的停止條件、SRDY1 輸出的設置、控制寄存器的重新設置、數據傳輸控制以及外部時鐘的使用等問題。
• PWM：PWM 在 PWM 使能位設置為使能后開始工作，并從 PWM 引腳輸出“L”電平，其“L”電平輸出的長度與計數源選擇位和預分頻器的值有關。
• A/D 轉換器：要確保模擬輸入引腳的信號源阻抗低，或為其配備外部電容，以提高 A/D 轉換精度。無論是否使用 A/D 轉換功能，都應將 AVSS 引腳連接到 VSS 線。在 A/D 轉換期間，要保證時鐘頻率滿足要求。
• 看門狗定時器：要確保在等待停止釋放期間，看門狗定時器不會下溢。當 STP 指令功能選擇位設置為“1”后，無法通過程序將其切換為“0”。
• RESET 引腳：在 RESET 信號上升時間較長時，可在 RESET 引腳和 VSS 引腳之間連接陶瓷電容等。在電源開啟后釋放復位時，要確保 XIN 經過 20 個周期以上，且電源電壓在 2.7V 以上，XIN 振蕩穩定。
• 停止模式和等待模式：在停止模式下，返回正常模式時需重新設置預分頻器 12 和定時器 1 的值。在等待模式下，若通過復位釋放等待模式，可能會改變系統時鐘的設置，需注意振蕩穩定。
• 振蕩重啟：通常在通過 STP 指令停止時鐘振蕩后，釋放 STP 指令時會自動重新加載定時器 1 和預分頻器 12 的固定值，以穩定振蕩。用戶可通過設置 MISRG 的位 0 來禁止自動設置，但需在執行 STP 指令前根據振蕩穩定時間設置合適的值。
• 源引腳處理：為避免閂鎖現象，應在電源引腳（VCC 引腳）和 GND 引腳（VSS 引腳）以及電源引腳（VCC 引腳）和模擬電源輸入引腳（AVSS 引腳）之間連接合適的高頻旁路電容。
• 電源電壓：當微計算機的電源電壓低于推薦工作條件時，可能會導致系統運行不穩定，應在電源電壓下降時及時復位微計算機，以避免系統出現錯誤。
• 空白產品和 QzROM 版本：對于空白產品，可能會出現約 0.1% 的寫入錯誤，需注意寫入環境。對于 QzROM 版本，應將 CNVSS/VPP 引腳盡可能短地連接到為微計算機 VSS 引腳提供的 GND 模式，并可串聯一個約 5kΩ 的電阻以提高抗噪能力。
• QzROM 寫入訂單：在訂購寫入后的 QzROM 產品時，需提交由掩碼文件轉換器 MM 生成的掩碼文件，并設置 ROM 選項數據。同時，需提供 QzROM 寫入確認表、標記規格表和 ROM 數據等。

五、總結

Renesas 3858 組單芯片 8 位 CMOS 微計算機具有豐富的功能和特性，適用于多種應用場景。在設計和使用過程中，我們需要深入了解其各項功能模塊和電氣特性，嚴格遵循編程和使用注意事項，以確保系統的穩定運行和性能優化。希望本文能為電子工程師在使用該微計算機時提供有價值的參考。你在實際應用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。