Renesas 3803 組（Spec.L）單芯片 8 位 CMOS 微計算機深度剖析

一、公司與產(chǎn)品概述

在 2010 年 4 月 1 日，NEC 電子公司與瑞薩科技公司合并，瑞薩電子公司接管了兩家公司的所有業(yè)務。盡管文檔中可能仍保留舊公司名稱，但它實際上是一份有效的瑞薩電子文檔。今天我們要詳細剖析的是瑞薩 3803 組（Spec.L）單芯片 8 位 CMOS 微計算機。這一產(chǎn)品專為家庭產(chǎn)品、辦公自動化設備以及需要模擬信號處理的控制系統(tǒng)而設計，涵蓋了 A/D 轉換器和 D/A 轉換器等功能。

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二、產(chǎn)品特性亮點

（一）基本指令與執(zhí)行時間

該微計算機擁有 71 條基本機器語言指令，最小指令執(zhí)行時間可達 0.24 μs（振蕩頻率為 16.8 MHz 時），這為快速高效的運算提供了保障。

（二）存儲容量

• ROM 與 RAM：在 16.8 MHz 振蕩頻率下，Mask ROM/Flash 內存可達 60 K 字節(jié)，RAM 為 2048 字節(jié)，能夠滿足多種應用場景的數(shù)據(jù)存儲需求。
• 輸入/輸出端口：具備 56 個可編程輸入/輸出端口，方便與外部設備進行連接和數(shù)據(jù)交互。

（三）其他特性

• 中斷與定時器：擁有 21 個中斷源和 16 個向量，以及 16 位×1 的定時器（包括外部 8、內部 12、軟件 1），可實現(xiàn)靈活的中斷處理和定時控制。
• 串行接口：配備 8 位×2（UART 或時鐘同步）和 8 位×4、8 位×1（時鐘同步）的串行接口，支持多樣化的數(shù)據(jù)傳輸方式。
• PWM 與 A/D、D/A 轉換器：8 位×1 的 PWM 輸出，以及 10 位×16 通道的 A/D 轉換器和 8 位×2 通道的 D/A 轉換器，為模擬信號處理提供了強大的支持。
• 時鐘與電源：內置 2 個時鐘生成電路，電源電壓在不同模式和振蕩頻率下有明確的范圍要求，如在高速模式下，16.8 MHz 振蕩頻率時為 4.5 至 5.5 V。

三、關鍵組件詳細解析

（一）中央處理器（CPU）

采用標準的 740 系列指令集，部分指令的使用有所限制，如 FST 和 SLW 指令不可用，而 STP、WIT、MUL 和 DIV 指令可以使用。CPU 包含多個重要寄存器，如累加器（A）、索引寄存器 X 和 Y、堆棧指針（S）、程序計數(shù)器（PC）和處理器狀態(tài)寄存器（PS）等。這些寄存器在數(shù)據(jù)操作、地址指定和狀態(tài)控制等方面發(fā)揮著關鍵作用。例如，累加器用于主要的數(shù)據(jù)操作，堆棧指針在子程序調用和中斷時指示存儲區(qū)域的起始地址。

（二）存儲器

• 特殊功能寄存器（SFR）區(qū)域：零頁中的 SFR 區(qū)域包含 I/O 端口和定時器等控制寄存器，對設備的各種功能進行配置和管理。
• RAM：用于數(shù)據(jù)存儲以及子程序調用和中斷的堆棧區(qū)域。
• ROM：前 128 字節(jié)和最后 2 字節(jié)為設備測試保留區(qū)域，其余為用戶存儲程序的區(qū)域。在 Flash 內存版本中，保留的 ROM 區(qū)域可以進行編程/擦除。
• 中斷向量區(qū)域：包含復位和中斷向量，用于處理各種中斷請求。
• 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(jié)訪問這些區(qū)域。

（三）I/O 端口

I/O 端口具有方向寄存器，可確定每個引腳的輸入/輸出方向。通過設置端口拉上控制寄存器，端口可以通過程序控制上拉，但對輸出端口的設置內容無影響。不同端口具有不同的功能，如 P0 和 P6 可作為 A/D 轉換器輸入引腳，P2 可用于 LED 驅動等。

（四）中斷系統(tǒng)

3803 組（Spec.L）的中斷為向量中斷，具有固定優(yōu)先級方案，由 21 個源中的 16 個源生成（8 個外部、12 個內部和 1 個軟件）。中斷請求的接受由中斷請求位、中斷使能位和中斷禁用標志控制。在進行相關寄存器設置時，需注意避免不必要的中斷發(fā)生，如在設置外部中斷活動邊緣或切換中斷源時，要按照特定的順序操作。

（五）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 8 位預分頻器，每個定時器和預分頻器都有相應的鎖存器。定時器為遞減計數(shù)器，當達到“0016”時會發(fā)生下溢，并重新加載鎖存器的值繼續(xù)計數(shù)。
• 16 位定時器（定時器 Z）：可選擇七種操作模式，如定時器模式、事件計數(shù)器模式、脈沖輸出模式等。在不同模式下，定時器 Z 的計數(shù)源選擇和操作方式有所不同，使用時需根據(jù)具體需求進行設置。

（六）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，配備專用定時器用于波特率生成。在不同模式下，其操作和控制方式有所差異，如時鐘同步模式下需要收發(fā)雙方使用相同的時鐘，異步模式下可選擇八種串行數(shù)據(jù)傳輸格式。
• 串行 I/O2：僅用于時鐘同步串行 I/O，通過設置控制寄存器可選擇不同的內部同步時鐘和傳輸方向。
• 串行 I/O3：與串行 I/O1 類似，可作為時鐘同步或異步（UART）串行 I/O 使用，操作和注意事項也與串行 I/O1 相似。

（七）PWM（脈沖寬度調制）

具有 8 位分辨率的 PWM 功能，基于時鐘輸入 XIN 或其分頻信號。通過設置 PWM 預分頻器和 PWM 寄存器，可控制 PWM 周期和輸出脈沖的“H” 期。

（八）A/D 轉換器

采用逐次逼近型 A/D 轉換器，具有 10 位和 8 位兩種轉換模式。通過 AD/DA 控制寄存器選擇模擬輸入引腳和啟動轉換，轉換結果存儲在 AD 轉換寄存器中。在進行 A/D 轉換時，需注意時鐘頻率和信號源阻抗等因素，以確保轉換精度。

（九）D/A 轉換器

擁有兩個 8 位分辨率的內部 D/A 轉換器（DA1 和 DA2），通過設置 DA 轉換寄存器進行 D/A 轉換，并將結果從相應引腳輸出。使用時需將對應端口方向寄存器位設置為輸入狀態(tài)，且輸出無緩沖，驅動低阻抗負載時需連接外部緩沖。

（十）看門狗定時器

用于在程序無法正常運行時返回復位狀態(tài)，由 8 位看門狗定時器 L 和 8 位看門狗定時器 H 組成。通過寫入看門狗定時器控制寄存器可設置初始值和啟動計數(shù)，當定時器 H 下溢時會發(fā)生內部復位。

（十一）復位電路

將 RESET 引腳保持在“L” 電平 16 個 XIN 周期以上，然后返回“H” 電平（電源電壓在 1.8 V 至 5.5 V 之間，振蕩穩(wěn)定）即可釋放復位。在 Flash 內存版本中，復位操作有特定的順序要求。

（十二）時鐘生成電路

內置主時鐘 XIN - XOUT 振蕩電路和子時鐘 XCIN - XCOUT 振蕩電路，可通過連接諧振器形成振蕩電路。時鐘頻率可在高速、中速和低速模式之間切換，還可實現(xiàn)低功耗模式。在不同模式切換時，需確保 XIN 和 XCIN 振蕩穩(wěn)定。

（十三）Flash 內存模式

Flash 內存版本具有并行 I/O、標準串行 I/O 和 CPU 重寫三種模式，可對內部 Flash 內存進行讀取、編程和擦除操作。不同模式下的操作方式和注意事項有所不同，如在 CPU 重寫模式下，需將重寫控制程序轉移到內部 RAM 區(qū)域執(zhí)行，且系統(tǒng)時鐘 ? 需設置為 4.0 MHz 或更低。

四、使用注意事項

（一）編程相關

• 處理器狀態(tài)寄存器：復位后需初始化影響程序執(zhí)行的標志，特別是 T 和 D 標志，可通過 PHP 指令讀取其內容，并在必要時使用 PLP 指令恢復原始狀態(tài)。
• 十進制計算：執(zhí)行 ADC 和 SBC 指令進行十進制計算時，需將十進制模式標志（D）設置為“1”，并在執(zhí)行指令后再執(zhí)行其他指令，同時注意狀態(tài)標志在十進制模式下的有效性。
• 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：索引 X 模式（T）和十進制模式（D）標志不影響 MUL 和 DIV 指令，且執(zhí)行這些指令不會改變處理器狀態(tài)寄存器的內容。
• 端口操作：端口方向寄存器的內容不可讀取，使用特定指令設置端口方向寄存器時需注意相關限制。

（二）抗噪措施

• 布線長度：RESET 引腳和時鐘輸入/輸出引腳的布線應盡可能短，避免噪聲干擾。例如，在 RESET 引腳和 VSS 引腳之間連接電容時，布線長度應控制在 20mm 以內。
• 旁路電容：在 VSS 線和 VCC 線之間連接約 0.1 μF 的旁路電容，以穩(wěn)定系統(tǒng)運行并避免閂鎖效應。
• 振蕩器設置：選擇合適的振蕩器和振蕩電路常數(shù)，避免振蕩器受到大電流信號線和電位頻繁變化信號線的影響。
• 模擬輸入：為確保 A/D 轉換結果的穩(wěn)定性，應降低模擬信號源的阻抗或在模擬輸入引腳添加平滑電容。
• 內存大小差異：不同內存大小的產(chǎn)品在電氣特性、A/D 轉換精度和抗噪性能等方面可能存在差異，使用時需進行系統(tǒng)評估。
• CNVSS 引腳布線：CNVSS 引腳決定 Flash 內存模式，應將其最短連接到為微計算機 VSS 引腳提供的 GND 模式，并可串聯(lián)約 5 kΩ 的電阻以提高抗噪能力。

（三）外設功能注意事項

• 輸入/輸出端口：在待機狀態(tài)下，避免 I/O 端口輸入電平“未定義”，可通過上拉或下拉電阻進行處理。使用位管理指令修改端口鎖存器時，可能會改變未指定位的值。
• 未使用引腳處理：輸出端口可開路，I/O 端口可設置為輸入模式并通過 1 kΩ 至 10 kΩ 的電阻連接到 VCC 或 VSS，AVSS 引腳在不使用 A/D 轉換器時應連接到 VSS 引腳。
• 中斷設置：更改相關寄存器設置時，可能會設置中斷請求位，需按照特定順序操作以避免不必要的中斷。檢查中斷請求位時，在清除該位后需執(zhí)行一條或多條指令再進行檢查。
• 定時器操作：切換定時器計數(shù)源時，可能會因計數(shù)輸入信號產(chǎn)生薄脈沖而改變定時器計數(shù)值，應先選擇計數(shù)源再設置預分頻器和定時器的值。在不同定時器模式下，需根據(jù)要求設置相關端口的輸入/輸出模式。
• 串行接口：在時鐘同步和異步串行 I/O 模式下，停止傳輸、接收或同時停止操作時，需按照特定的步驟清除相應的使能位。使用外部時鐘時，需注意設置傳輸使能位和寫入數(shù)據(jù)的時機。
• PWM 輸出：PWM 使能后，會先輸出“L” 電平，其長度與預分頻器的值和計數(shù)源選擇位有關。
• A/D 轉換器：模擬輸入引腳的信號源阻抗應較低，或配備外部電容，A/D 轉換時時鐘頻率應不低于 500 kHz，且不要執(zhí)行 STP 指令。
• D/A 轉換器：使用 D/A 轉換器時，建議 VCC 電壓不低于 4.0 V，不使用時應將 DA 轉換寄存器的值設置為“0016”。
• 看門狗定時器：在等待停止釋放期間，要確保看門狗定時器 H 不會下溢，且當 STP 指令禁用位設置為“1” 后，無法通過程序將其切換為“0”。
• RESET 引腳：當 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，但需注意布線長度和驗證應用產(chǎn)品的操作。
• 低速操作模式：使用子時鐘時，需固定 CPU 模式寄存器的位 3 或控制 Rd 電阻值以穩(wěn)定振蕩。在中/高速模式和低速模式之間切換時，需確保 XIN 和 XCIN 振蕩穩(wěn)定。
• 石英晶體振蕩器：使用高頻石英晶體振蕩器時，可能需要選擇符合特定規(guī)格的振蕩器。
• 重啟振蕩：可通過設置 MISRG 的位 0 來抑制定時器 1 和預分頻器 12 的自動設置，但需在執(zhí)行 STP 指令前根據(jù)振蕩穩(wěn)定時間設置合適的值。
• 停止模式和等待模式：從停止模式返回時，需重新設置預分頻器 12 和定時器 1 的值。在等待模式釋放時，需注意時鐘恢復的情況。
• Flash 內存 CPU 重寫模式：在該模式下，系統(tǒng)時鐘 φ 應設置為 4.0 MHz 或更低，禁止使用涉及 Flash 內存內部數(shù)據(jù)的指令和中斷，看門狗定時器在程序或擦除操作期間會被清除，復位始終有效。

五、電氣特性

（一）絕對最大額定值

涵蓋電源電壓、輸入電壓、輸出電壓、功耗、工作溫度和存儲溫度等方面的限制，使用時需確保不超過這些額定值，以保證設備的安全和穩(wěn)定運行。

（二）推薦操作條件

不同版本（Mask ROM 版本和 Flash 內存版本）在電源電壓、輸入電壓、時鐘頻率等方面有不同的推薦操作范圍，需根據(jù)具體版本進行設置。

（三）電氣特性

包括輸出電壓、輸入電流、電源電流等參數(shù)，這些特性反映了設備在不同條件下的性能表現(xiàn)。

（四）A/D 和 D/A 轉換器特性

詳細說明了 A/D 轉換器的分辨率、絕對精度、轉換時間等特性，以及 D/A 轉換器的分辨率、絕對精度、設置時間等特性，為模擬信號處理提供了參考依據(jù)。

（五）定時要求和開關特性

規(guī)定了各種信號的輸入周期、脈沖寬度、建立時間和保持時間等定時要求，以及時鐘輸出的脈沖寬度、延遲時間等開關特性，確保設備在正確的時序下工作。

六、封裝信息

該產(chǎn)品提供多種封裝形式，如 PRDP0064BA - A（64P4B）、PLQP0064KB - A（64P6Q - A）、PLQP0064GA - A（64P6U - A）和 PTLG0064JA - A（64F0G）等，具體的封裝尺寸和安裝信息可在瑞薩科技網(wǎng)站的“Packages”部分獲取。

綜上所述，Renesas 3803 組（Spec.L）單芯片 8 位 CMOS 微計算機具有豐富的功能和特性，但在使用過程中需要嚴格遵循相關的操作要求和注意事項，以充分發(fā)揮其性能并確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。希望本文能為電子工程師在設計和應用該產(chǎn)品時提供有價值的參考。