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第 2 章 S12X 单片机的结构与组成

第 2 章 S12X 单片机的结构与组成. 2.1 MC9S12XS128 的主要功能和结构 2.2.1 功能特性. 16 位 S12XS CPU 内核： CPU12X （ V2) 。兼容 S12 ， CCRW 内部容错 , 纠错 ECC ，最大 8M 内存 . 时钟和复位发生器， CM 、 COP 。简化了电源及 PLL 电路 中断控制管理模块（ INT ） , 中断源细分为 7 级 带中断功能的 8 位和 4 位端口 2 个 8 通道 12 位 A/D 转换模块 （ 3μs ）、 8 个 PWM 通道

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第 2 章 S12X 单片机的结构与组成

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  1. 第2章 S12X单片机的结构与组成

  2. 2.1 MC9S12XS128的主要功能和结构2.2.1 功能特性 • 16位S12XS CPU内核：CPU12X（V2) 。兼容S12，CCRW • 内部容错,纠错ECC，最大8M 内存. • 时钟和复位发生器，CM 、COP。简化了电源及PLL电路 • 中断控制管理模块（INT）,中断源细分为7级 • 带中断功能的8位和4位端口 • 2个8通道12位A/D转换模块（ 3μs）、8个PWM通道 • 2个SCI、1个SPI、1个CAN总线模块 • 增强型捕捉定时器TIM ,定时模块PIT • 80MHz系统频率（40MHz总线频率） • 128KB FLASH、8KB DFLASH、8KB RAM • 单线背景调试模块（BDM） • 输入/输出端口（I/O）：多达91个通用输入输出端口。 • 温度性能：-40°C ~125°C的宽温度范围。

  3. 2.1.2 MC9S12XS128的结构

  4. 总结： • MCU核心 --- 左侧 E口可作为控制总线。 A口、B口、K口。 • MCU外设 --- 右 丰富的I/O接口，多功能复用： AD口、 H口、J口、M口、P口、S口和T口。 • P,J,H口有中断功能, 可以使MCU退出WAIT,STOP • 端口复用、多功能 • 外设模块，在功能上就是集成了微机原理的对应功能 。 • AD ，AN【0：15】， 可做PAD口的16位GPIO 不仅具有AD功能，还有通用输入口功能。 • 内部时钟根据需要设定

  5. 128K FLASH ,8K RAM , 8K EEPROM 比较丰富, 可以选择内存容量大的MCU. • 背景调试功能，方便、灵活

  6. 2.1.3封装与引脚 一.封装 LQFP-112引脚 QFP-80引脚 （薄）四方扁平 封装表面贴焊

  7. 双排直列封装

  8. 贴片封装

  9. 表2-l MC9S12XS MCU引脚功能一览表

  10. 二. 引脚功能描述 1.系统功能类引脚 EXTAL、XTAL：振荡器引脚 RESET：外部复位引脚，低电平有效 （外部电路应有上拉功能） TEST：厂家测试预留，须连至Vss BKGD/MODC：背景调试//模式选择引脚 (内部上拉) 2.电源类引脚 • 电压调整模块将+3.3 - +5V调整为3组独立电源供片内使用 • VDD、VSS2、VSS3：MCU核心的工作电源，1.8V; • VDDF、VSS1：片内闪存 ， 2.8V; • VDDPLL、VSSPLL：PLL的电源供给端，1.8V; • 外部电源提供5组+5V电源：电压调整器、I/O、AD

  11. 3.I/O类引脚 共有91 个引脚，包括AD,A,B,E,H,J,K,M,P,S,T共11 组端口，每组端口不仅可设定为普通的I/O 端口，还可复用。 例如：AD端口可A/D转换的模拟输入，S端口可设置为SPI 和SCI 通讯接口，T 端口可设置为增强型捕捉定时器的输入，输出接口等。 • 3.1AD口 、 A口和B口 • ① PAD口：PAD15~8, 7~0 通用输入口/ 模拟量输; • ② PA、PB、PK：通用I/O口（PA7-0,PB7-0，PK7-0); 3.2 E口 系统启动控制口，用于开机时确定MCU的工作模式。通常使用缺省状况，尽量不作为普通输入/输出端口。

  12. 3.3 H口、J口、M口、P口、S口和T口 这些端口都有第二种功能，在不使用第二种功能的时候，可以作为通用输入/输出口 • T口（PT7~0） ：作为定时器模块的IOC关联引脚； • S口（PS7~0） ：与SCI、SPI模块关联作为通信引脚； • M口（PM7~0）：与CAN模块关联作为通信引脚； • P口（PP7~0） ：与PWM模块关联作为通信引脚，也做唤醒中断输入； • H口（PH7~0） ：与唤醒中断输入模块关联引脚； • J口（PJ7、PJ6、PJ1、PJ0）；与唤醒中断输入模块关联引脚；

  13. 2.2 运行模式 1.多种芯片模式 满足各种需要，共3种： • 普通单片模式： 最终产品正常运行应用程序； • 特殊单片模式: BDM可用，开发、调试； • 普通扩展宽模式：数据16位； • 普通扩展窄模式：数据8位； • 仿真宽模式： 接逻辑分析仪，看总线控制信号； • 仿真窄模式： 同上； • 特殊测试模式：生产； • 特殊设备模式； 同上；

  14. 2.芯片模式的配置 教学、实验、常规开发仅要求： • 普通单片模式：MODC(BKGD)=1 • 特殊单片模式：MODC(BKGD)=0 特殊单片模式（Special Single Chip） ----又称为背景调试模式(Background Debug Mode，BDM) 引脚BKGD有内部上拉，悬空时默认为高电平； 当插上BDM头时，由BDM调试工具的相应引脚给BKGD提供低电平，使MCU进入特殊单片模式；若不插BDM头，则进入普通单片模式。

  15. 芯片模式的时序 MODA MODB MODC/BKGD RESET HCS12 CLOCK /RESET MODA MODB MODC Sample Latch 在复位时，复位信号的上升沿锁存MODC的输入电平到运行模式寄存器。

  16. BKGD 1 2 GND NC 3 4 RESET NC 5 6 VDD 3.BDM接口电路 BDM---Background Debug Mode 是Freescal自定义的，方便下载程序、在线调试、监视等 BDM调试器 ---须另购或自制，通过USB接口接PC，插头接目标板。 插头引脚形式： 信号含义： BKGD---接单线背景调试引脚 GND---接地 VDD---接电源 RESET---接目标机复位引脚

  17. 4.低功耗模式 运行模式如下： 等待（Wait） 停止（Stop）、 伪停止（Pseudo） • 应用背景： • 电池供电； • 功能多，串行使用； • 处于等待事件情况； • 根据需要选择不同模式。

  18. 等待模式： 特点：CPU 停止执行指令，时钟运行，所有外 设处于激活状态。 • 唤醒等待模式的条件： • 外部复位； • 时钟监控复位； • 看门狗复位 • 实时中断； • 自时钟模式中断； • 其它中断。

  19. 2）停止模式： 特点： 停止所有时钟，保留初始化； 唤醒条件： 外部中断、外部复位。 3）伪停止模式 特点： 时钟继续 工作 ； 可以选择看门狗、实时时钟使能； 唤醒条件： 外部复位； 实时时中断； 看门狗中断。 唤醒时间：等待模式小于伪停止模式， 伪停止模式小于停止模式。 4）加密模式

  20. EXTAL CMOS兼容的外部时钟 MCU XTAL 悬空 C1 EXTAL C1 EXTAL 晶振 MCU RB MCU 晶振 C2 XTAL VSSPLL RS C2 XTAL VSSPLL 2.3 振荡器和电路 提供MCU工作的时钟基本脉冲。 XTAL---振荡器的输出引脚， EXTAL---振荡器的输入引脚。 XCLKS(PE7)=1时，因有内部上拉，复位默认 XCLKS(PE7)=0时的两种接法：（XS128） 左图中，RB、RS为保证起振，RB取1M，高频率时RS取小或短接 滤波电容C1、C2取22pF 右图中，一般为外接有源晶振 S12(X)的总线时钟频率=晶振频率的1/2 如晶振频率为16MHz，则总线时钟频率为8MHz

  21. CRG时钟复位发生器

  22. 时钟与功能模块关联关系

  23. 2.4 S12XS128的最小系统电路设计 BDM电路 电源电路 复位电路 晶振电路 PLL电路

  24. 2.5 系统复位、运行监视与时钟选择 1. 复位功能 • 目的：错误或故障恢复 • S12X MCU复位共有5种： • 上电复位 • 低电压复位 • 外部复位 • COP看门狗复位 (可选,默认无) • 时钟监视复位 (可选,默认有) 当上述事件触发复位时，MCU在程序计数器中放置一个复位向量，处理器执行启动例程。COP复位和时钟监视复位还有其各自的复位中断向量。

  25. 复位产生条件: • 上电复位 ： 正向跳变 ； • 低电压复位： 电压监测<4.65V； • 外部复位 ： 手动； • 时钟监视复位 ： 时钟失效（内复位）； 低于预期频率； • 看门狗复位： 计时到（内复位）； 复位不会返回到复位前的地点！

  26. 2.系统运行监视 两种监视手段，以保证系统的正确运行，提高可靠性: • COP看门狗定时器（WDT）---程序跑飞或异常时，使MCU复位 （正常运行时“喂狗”） • 时钟监视器（CM） ---时钟异常时，使MCU复位 （1）看门狗 WDT 背景： 程序跑飞； 等待不可能信号； 死循环，不合理参数。 支持： 时钟定时产生溢出 处理： 上电或专用复位程序。 地点： 关键点；长循环出口。 关闭： 调试程序时

  27. （2）时钟监视 CM ---监视时钟异常 背景 : 恶劣环境，晶体振荡器失效； 特点：独立于MCU时钟； 支持：独立硬件； 处理：复位程序 ； 应用：系统时钟故障报警 。

  28. 3. 时钟选择 三种时钟： OSCCLK PLLCLK SCM: 内部自给时钟，MCU启动后默认是关闭，误差大。 ◆COP (WDT) ,RTI 时钟取自OSCCLK,除非进入自时钟 ◆系统时钟Sysclk由PLL和OSCCLK选择一个作为系统时钟； ◆CM检测的对象是针对OSCLLK的频率 ◆PLL的时钟源是来自OSCCLK ◆总线时钟频率=系统时钟频率/2

  29. fBUSCLK = fOSCCLK /2 fBUSCLK = fPLLCLK /2 • MCU工作的总线时钟可以使用默认的外部时钟，也可以选择使用来自内部锁相环的时钟，以获得更高的总线时钟频率。 • 此时需要在MCU最开始初始化时设置时钟合成寄存器和时钟分频寄存器以确定PLL时钟频率，然后设置时钟选择寄存器的控制位PLLSEL=1，从而选定PLL时钟，而不用复位默认的外部时钟。 锁相环产生的时钟频率可由下面的公式得到： fPLLCLK= 2 × fOSCCLK × (SYNR＋1) / (REFDV＋1) 式中：fOSCCLK为振荡器频率；SYNR为时钟合成寄存器的值；REFDV为时钟分频寄存器的值。 例如，当S12X16MHz外部晶振频率时，若将SYNR设为2，REFDV设为1，就可以得到48MHz的锁相环时钟频率和24MHz的总线频率 • S12(X)MCU的时钟、复位和WDT、CM的操作控制需要设置一些基本的寄存器，涉及到的各个寄存器描述见书。。。

  30. 2.6 存储器 ROM（Read Only Memory ）：只读存储器 RAM（Random Access Memory ）：随机存取存储器 MCU常用的存储器： • ROM---程序存储器；非易失；不能更改 • RAM---数据存储器；掉电丢失数据；可读/写 • EPROM---紫外线擦除。非易失；可反复擦写，擦写速度慢 • EEPROM---电擦除。非易失；可反复擦写，擦写速度稍慢 • FLASH ROM---闪存，更高级的EEPROM。非易失；可反复擦写并允许在线编程；更高速、更方便、容量大.简称Flash. 在Freescale S12X比较新出的MCU中，有DataFlash取代EEPROM的趋势

  31. 2.6.1 存储器空间组织与分配 XS128的存储器资源：8KB RAM、8KB DataFlash、128KB Flash。 Freescale单片机的存储器结构采用冯.诺依曼---RAM、ROM统一编址，不同于51单片机(哈佛结构)。 编址范围：64KB($0000~$FFFF，每存储单元存8位信息） 空间覆盖：I/O寄存器 1KB，RAM 8KB，DataFlash 8KB (EEPROM) FLASH 128KB（页面扩展机制） 地址分配重叠时，存储器优先级：

  32. $0000 2KB 寄存器 $0800 1KB 分页DataFlash $FE $FD $FC $FB …… 255个 $00 $0C00 1KB 保留 $FF $1000 …… 254个 4KB 分页RAM $FD $FC $FB $FA $00 $2000 $FE 8KB RAM $FF $4000 $FD 16KB Flash $8000 $FE 16KB 分页Flash $FC $FB $FA $00 …… 254个 $C000 $FF 16KB 闪存区 $FF00 复位、中断向量区 $FFFF $0000~$07FF(2KB)：I/O寄存器区。用以安排S12X的众多不同I/O接口模块的几百个寄存器，I/O寄存器区可以映射到其它位置，但一般不予改变，就留给I/O寄存器使用。 $0800~$0BFF(1KB)：分页Data Flash区。通过分页扩展的方法以达到管理256KB空间的Data Falsh，此区间对应$00~$FE共255个页面窗口，每个页面为1KB空间。其中本地地址空间固定占用$FE页面。 $0C00~$0FFF(1KB)：保留未用。 $1000~$1FFF(4KB)：分页RAM区。通过分页扩展的对应$00~$FD共254个页面窗口，每个页面为4KB空间，其中本地地址空间固定占用$FD页面。 $2000~$3FFF(8KB)：固定RAM区。对应XS128实际的8KB RAM，固定占用$FE、$FF页面。如果使用复位默认地址分配（$FD页面），RAM空间实际为$1000~$3FFF，因此，如果要使全部的8KB RAM都可见，就需要将RAM的地址空间映射到$2000~$3FFF这个区域，即须调整到$FE页面开始，才可访问到实际的连续8KB。 $4000~$FFFF(48KB)：Flash区。分成3块，每块16KB。其中$8000~$BFFF是页面窗口，通过分页扩展管理超过64KB空间的Falsh。而$4000~$7FFF、$C000~$FFFF为2个16KB的固定Flash区，固定占用$FD、$FF页面。 $FF00~$FFFF(256B)：复位、中断向量区。占用Flash的最后256字节的空间，BDM模式下能被BDM指令访问。其中地址$FFFE复位向量地址，该地址是S12X MCU整个程序的入口地址。 其中地址$FFFE是MCU整个程序的入口地址。

  33. 本地地址 全局地址 分页扩展： Data Flash------EPAGE寄存器 RAM------RPAGE寄存器 Flash------PPAGE寄存器 全局地址：GPAGE寄存器 7位+本地16位=23位---8MB

  34. 2.6.2 存储器地址映射管理 • 作为初学者或者默认存储器地址映射可以满足使用时，可以不改动默认的映射空间。当需要改变或者需要用到足量的RAM，或者是需要使用更大RAM、Flash、DataFlash容量时，必须重新配置相关的映射管理寄存器。 • 相关寄存器设置……

  35. 2.7 中断系统 中断概念：指某外部事件或异常发生时，CPU暂时停止执行当前的程序(保护断点)，转向中断服务程序；中断处理完后返回原来的程序继续运行(恢复断点)。 中断是MCU的重要功能。一般须具有以下功能： ●能实现中断响应、中断服务和中断返回。 ●能实现中断优先级配置。 ●能实现中断嵌套。 ●能通过软件实现模拟中断，便于中断的调试。 S12(X)MCU具有一个功能强大的中断处理系统，并且有灵活的配置方式供使用者选择。

  36. 2.7.1 中断源 分3大类： 1. 复位中断 特殊的中断，不返回原来的程序，一切重新开始 任何时候都是不可屏蔽的，具有复位事件发生后强制执行的能力 S12(X)的复位向量有3个，但能触发复位的动作能有4个： 上电复位、外部复位、时钟监视复位、看门狗定时器溢出复位 2. 特殊中断 非法指令陷阱中断、软件中断（SWI）和外部中断（/XIRQ） 不可屏蔽中断。 稍不同:外部中断（ /XIRQ ）可以在系统复位初始化时通过设置CCR寄存器的中断屏蔽位X来进行屏蔽或开放设置。 3. 普通中断 大量的其它类型的中断，共有47个中断源： 如:外部中断以及时钟、定时器、并行I/O口、SCI/SPI/CAN接口、A/D等内部功能部件的中断。。。 可屏蔽中断，即可以通过设置CCR的I位进行打开和关闭。 注：I位---全局可屏蔽中断的打开/关闭控制，局部另设

  37. 2.7.2 中断向量 向量机制，实现对中断的管理和处理: 在$FF00~$FFFF地址空间（属于Flash空间）中设置了一个向量映射表，每一个向量对应一种中断的处理程序的入口地址。MCU在中断响应时，依据中断信号的来源在中断向量表中对应的位置取得中断向量的2个字节地址即读取中断处理程序的入口地址，进而依此地址转到相应的中断服务程序。 向量表中的每个向量占用2字节空间，$FF00~$FFFF共占近256个字节地址 S12X最大可有100多个中断向量 XS128实际只使用到50个左右向量地址，部分保留未用 向量地址的具体安排及其屏蔽情况、使能情况、优先级设定情况如表2-5 例如:上电复位和外部RESET复位中断的向量地址：$FFFE~$FFFF 外部中断IRQ的向量地址为$FFF2-$FFF3 定时器通道7中断的向量地址为$FFE0-$FFE1。 注：各组向量地址所对应的序号也称为中断向量号，中断向量号在CodeWarrior编程环境的C语言编程中需要用到。 另外，S12X单片机的中断向量地址也可以通过基地址+偏移地址的方式表达，并且基地址可以由用户改变，配置到Flash区域的任何地址，这可以通过配置中断向量基址（Interrupt Vector Based,IVB）寄存器予以实现。

  38. 2.7.3 中断处理 硬件+软件结合完成: (1)中断请求 在中断源未被屏蔽，且中断允许触发器被置位时，可以向CPU发出中断请求 (2)中断响应 中断请求随机，一般在现行指令结束时检测中断请求，如中断响应条件满足就进入中断响应周期，自动进行3件事： • 关中断，即将CCR的I位置1，以屏蔽其它中断干扰。 • 保护断点地址、寄存器和标志寄存器CCR的内容压入到堆栈，即现场保护。 • 跳转到中断服务程序的入口地址，即将中断向量地址的内容载入PC。 (3)中断处理程序 完成中断后要处理的功能。中断服务程序通常放在不分页FLASH区。 (4)中断返回 中断服务的最后一条指令必须是RTI，返回时自动将堆栈中的标志寄存器内容、寄存器内容和断点地址弹出，使程序回到中断前的地址继续运行原来的程序。 注：在中断发生时S12X自动将寄存器Y、X、D也压栈（自动出栈）

  39. 2.7.4 中断的使用与配置 1. 中断屏蔽----X、I位，外加各自的使能 2. 优先级 总体上，不可屏蔽中断 高于 可屏蔽中断，可以多级嵌套。 • 不可屏蔽中断的优先级---由硬件规定，按以下次序递减： • 上电复位或外部RESET引脚复位； • 时钟监视复位 • 看门狗复位 • 指令陷阱 • 软件中断SWI • 外部中断XIRQ • 可屏蔽中断的优先级 • 默认由中断向量在中断向量表的排序确定 • 可屏蔽中断的优先级也可通过中断请求配置数据寄存器（INT_CFDATA0~7）配合中断请求配置地址寄存器（INT_CFADDR）进行改变。

  40. 3. 中断使能及方式控制 设置寄存器 例：初始化设置外部中断IRQ控制寄存器------IRQCR IRQE：0=低电平触发，1=下降沿触发 IRQEN：0=禁止IRQ中断，1=使能 程序设计 • 主程序中进行中断初始化，并执行占用时间较多的程序； • 中断服务程序要求简短、高效，条件苛刻时尽量使用汇编语言; • 在整个源程序的末尾声明中断子程序的所对应的矢量地址 #define EnableInterrupts _asm{CLI} //宏定义 void main () { IRQCR= 0xC0; //1100 0000B EnableInterrupts; //开中断 for(;;) { } } 以上所有源程序会通过IDE集成开发环境自动进行编译、链接、定位，形成可执行机器代码。 void xxx_ISR(void) { …… }

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