Mikroprocesory Z8Encore! firmy ZiLOG vypracoval: Lukáš Ručkay ročník: 5. v Praze 6.5.2004
ZiLOG Historie osmibitových mikroprocesorů a mikrořadičů ZiLOG Americká firma ZiLOG vstoupila na trh mikroprocesorů v roce 1973. V době kdy svět dobývaly obvody Intel 8080, se objevil obvod s typovým označením Z80. Osmibitový mikroprocesor s odlišnou architekturou, založenou na sadě universálních registrů, které mohly sloužit pro jakoukoliv funkci, tedy i jako střadač. Architektura umožňovala pružnější přístup k registrům, optimální využití instrukcí a tím i rychlejší chod programu než u procesorů jiných výrobců při stejném hodinovém kmitočtu. Ještě dříve, než IBM dala světu osobní počítače, museli se spokojit první počítačoví nadšenci s čímsi, co se dnes jen stěží srovnává s PC. Dodnes však jméno Sinclair představuje pojem. A Sinclair obsahoval mikroprocesor Z80 CPU. Postupem času byl mikroprocesor Z80 CPU následován obvody s periferiemi. Ty byly integrovány do čipu a tak vznikl obvod Z80 IPC (Inteligent Peripheral Controller). Až na výjimky, obvody řady Z80 nikdy neobsahovaly žádnou paměť kromě základní registrové výbavy. Ani současný pokračovatelé, obvody Z180 a šestnáctibitový Z380 nemají paměť na čipu. To je v tvrdé konkurenci nevýhoda a tak se musel objevit nový obvod. Obvody řady Z8 jsou osmibitové CMOS mikrořadiče. Vycházejí z principu universální sady registrů, na čipu jich je až 256, takže je možné mluvit o paměti RAM. Navíc čip obsahuje paměť pro uložení programu v provedeni PROM nebo OTP (One Time Programmable) a to nejméně 512B ale také 32KB. Dále čip obsahuje dva 14-bitové čítače, dva analogové komparátory, oscilátor a nejméně 14 I/O. Čip dále obsahuje Watch Dog Timer, Power On Reset a další obvody. Řada Z8 v roce 1999 obsahuje více jak stovku jednotlivých tipů, lišící se velikostí paměti, počtem I/O, rychlostí, periferiemi Vzhledem k rostoucím nárokům vývojářů nemohly parametry obvodů Z8 stačit a tak musela přijít na trh nová řada procesorů Z8Encore. Z8Encore je 8-bitový CMOS 3,3V mikrořadič disponující pamětí Flash (až 64KB) a podporou programování a ladění programu přímo na čipu. Tímto krokem se ZiLOG přiblížil k současnému standartu mezi 8- bitovými procesory. I tato řada je založena na universální sadě registrů, jež může být až 4KB na čipu (horních 256B je však určeno pro periferie). Při vývoji této řady byl také kladen důraz na kompatibilitu vzhledem k předchozí řadě Z8. Instrukční soubor Z8Encore je tedy nadstavbou Z8. Dalším důležitým krokem ve vývoji bylo vydání vývojového prostředí ZDS-II (ZiLOG Developer Studio) včetně integrovaného ANSI C-compilátoru. V případě potřeby většího adresového prostoru než 64KB a vyššího výkonu nabízí ZiLOG mikroprocesory Z8Acclaim. Ty kromě standardních periferií mohou obsahovat 10/100BaseT Ethernet Media Access Controller (EMAC) s 8KB High-Speed Frame Buffer, velkou Flash paměť (až 512KB) a lineárně adresovat až 16MB externí paměti. - 2 -
Z8Encore! Mikrořadiče Z8Encore jsou první řadou založenou na novém 8-bitovém procesoru ez8. obsahují paměť Flash s možností sériového programování pro rychlejší návrh aplikace a snadnou změnu aplikačního programu. ez8 je zpětně plně kompatibilní s instrukčním souborem Z8 a je vybaven mnoha periferiemi pro různé aplikace zahrnující řízení motorů, bezpečnostní systémy, domácí spotřebiče a další. Hlavní rysy řady Z8Encore! procesor ez8 CPU, 20MHz (10MIPS) 12-kanálový, 10-bitový analogově-číslicový převodník (ADC) 3 kanály DMA (Direct Memory Access) až 64KB paměti Flash s možností programování na čipu (in-circuit programming) až 4KB paměti SRAM sériové komunikační obvody (SPI, I 2 C) dva duplexní 9-bitové obvody UART 24 přerušení s nastavitelnou prioritou čtyři 16-bitové čítače hardwarový debugger dva kodéry / dekodéry s parametry IrDA (Infrared Data Association) watch-dog (WDT) s RC oscilátorem až 60 vstupů / výstupů ochrana proti poklesu napájecího napětí (VBO) RESET při zapnutí napájení (POR) rozsah napájecích napětí 3.0 až 3.6V, vstupy tolerantní na 5V Product Block Diagram (Z8F640x Series) - 3 -
Z8 Encore! MCU Block Diagram (Z8F64) - 4 -
Procesor ez8 CPU ez8 je 8-bitový procesor, splňující požadavky pro rychlejší a výkonnější mikrořadiče. Instrukční soubor ez8 je rozšířením instrukčního souboru původního procesoru Z8. Základní vlastnosti procesoru ez8 jsou: Přímé operace registr-registr, při kterých může každý registr zastávat funkci střadače. Výsledkem je rychlejší chod programu a menší nároky na velikost paměti. Softwarový zásobník může mít větší obsah při volání podprogramů (až do velikosti RAM). Kompatibilita s kódem pro procesor Z8. Rozšířená sada registrů (paměť RAM) až na 4KB. Nové instrukce pro vyšší účinnost programů napsaných ve vyšších jazycích včetně C. Vyzvednutí instrukce z paměti při současném vykonání předchozí instrukce (2- úrovňový pipeline zvyšující rychlost CPU). Nové instrukce pro podporu 12-bitového adresování. Výpočetní výkon až do 10MIPS. Délka instrukce 2 9 taktů. Procesor ez8 obsahuje dva hlavní bloky blok pro uložení instrukce a blok pro vykonání instrukce. Blok pro vykonání instrukce se dále dělí na dekodér instrukce, čítač programu (PC), řídící registry a aritmeticko-logickou jednotku (ALU). ez8 CPU Block Diagram - 5 -
Adresový prostor ez8 CPU může mít přístup ke 2 adresovým prostorům: Sada registrů (paměť RAM), obsahuje adresy registrů pro všeobecné použití (GPR), registrů periferií a vstupů/výstupů. Paměť pro program, obsahuje kód programu nebo data. Sada registrů Sada registrů může obsahovat až 4096 registrů (dle typu obvodu). Sada je rozdělena na dvě sekce řídící registry a registry pro všeobecné použití. Horních 256 registrů je vyhrazeno pro řídící registry a registry periferií. Architektura ez8 umožňuje použít všechny GPR jako střadač, ukazatel na adresu nebo index registr. Organizace sady registrů Registry v sadě registrů jsou přístupné ve třech adresových módech: 4096 registrů použitím 12-bitové adresy v lineárním adresovém prostoru 16 stránek po 256B použitím 8-bitové adresy 16 pracovních skupin, každá se 16B použitím 4-bitového adresování Podporované adresové módy adresování registrů (použitím 12, 8 a 4-bitových adres) nepřímé adresování registrů (IR) index-registrové adresování (X) přímé adresování (DA) relativní adresování (RA) přímý operand (IM) - 6 -
Přerušení ez8 CPU podporuje přerušení vektorové i přerušení na dotaz. Požadavky na přerušení mohou být generovány periferiemi na čipu, externími požadavky ze vstupních portů nebo běžícím programem. Před předáním požadavků, jsou zpracovány (povolení, priorita) řadičem přerušení. ez8 podporuje až 24 zdrojů přerušení. Zdrojem může být libovolná periferie, reset, ilegální instrukce, breakpoint v debugging módu. Interrupt Controller Block Diagram Reset a výstup z režimu stop ez8 obsahuje RESET řadič, který řídí signál reset a výstup z režimu STOP. Signál reset může být vydán, nastane-li: Zapnutí napájecího napětí (POR = Power On Reset). Pokles napájecího napětí pod hodnotu, při které nepracuje procesor, sada registrů ale pracuje (VBO = Voltage Brown Out) Uplynutí intervalu časovače Watch-Dog (pokud je nastaven aby aktivoval reset) Signál na pinu /RESET. On-chip debugger vyvolá reset Je-li procesor v režimu STOP, výstup z režimu STOP může být způsoben: Uplynutí intervalu časovače Watch-Dog Signálem na vstupním pinu, který je nastaven jako vnější signál pro výstup z režimu STOP. Signálem na pinu DBG (debugging pin). - 7 -
Power On Reset operation Voltage Brown-Out Reset Operation - 8 -
Úsporné režimy Z8Encore může být uveden do jednoho ze dvou úsporných režimů. Nejnižší spotřeby je dosaženo v režimu STOP. Druhým úsporným režimem je HALT. Režim STOP Časovač Watch-Dog beží (pokud je povolen), ostatní periferie jsou vypnuty Režim HALT krystalový oscilátor zůstává v činnosti procesor ez8 je v klidu (PC se nemění), všechny ostatní periferie jsou funkční - 9 -
Periferie ez8 CPU Čítače / časovače Mikrořadiče Z8Encore mají na čipu až 4 16-bitové čítače s předvolbou, které mohou být využity pro měření času, počítání událostí nebo vytváření signálů s šířkovou modulací (PWM). Vlastnosti čítačů: 16-bitový čítač s předvolbou programovatelná předdělička s dělícím poměrem od 1 do 128 výstup PWM čtení obsahu čítače a porovnání vstup vnějšího signálu pro měření času nebo kmitočtu výstup čítače na vnější pin čítač jako zdroj přerušení Timer block diagram Časovač Watch-Dog Časovač Watch-Dog pomáhá při ochraně proti chybnému nebo nespolehlivému programu. Po uplynuté (nastavitelné) době vyvolá reset, pokud nedojde k resetu čítače. Délka intervalu je nastavitelná pomocí 24 bitů v rozsahu 80µs až 355s. - 10 -
UART UART (Universal Asynchronous Receiver / Transmitter) je plně duplexní komunikační kanál pro řízení asynchronního přenosu dat. Z8Encore obsahuje dva nezávislé kanály UART, které přenášejí 8-bitová data a 1 paritní bit s nastavitelnou paritou. Vlastnosti: asynchronní přenos 8 bitů dat nastavitelná sudá nebo lichá parita nastavitelný 1 nebo 2 stop bity nezávislé přerušení od vysílače a přijímače sledování rámce, parity, přepisu dat a přerušení přenosu nezávislé povolení přijímače a vysílače 16-bitový generátor přenosové rychlosti (BRG = Baud Rate Generator) nastavitelný 9-bitový režim pro multiprocesorovou komunikaci Architektura UART se skládá ze 3 bloků: vysílač, přijímač a generátor přenosové rychlosti (BRG). Vysílač a přijímač pracují nezávisle, ale používají společný generátor přenosové rychlosti a shodný formát dat. UART block diagram - 11 -
UART Asynchronous Data Format without Parity UART Asynchronous Data Format with Parity UART Asynchronous MULTIPROCESSOR Mode Data Format - 12 -
IrDA Kodér / Dekodér Z8Encore obsahuje dva kodéry / dekodéry (EnDec) z UART na IrDA protokol, které umožňují komunikaci mezi Z8Encore a periferiemi s infračerveným rozhraním IrDA verze 1.3. Infrared Data Communication System Block Diagram Infrared Data Transmission - 13 -
SPI (Serial Peripheral Interface) SPI je sériové rozhraní pro přenos informací mezi několika navzájem propojenými zařízeními jako jsou paměti EEPROM a AD převodníky. Vlastnosti jsou: plně duplexní, synchronní komunikace přenos po 4 vodičích přenosová rychlost až ¼ kmitočtu hodinového signálu detekce chyb detekce chybného zápisu a kolize režimů samostatný generátor přenosové rychlosti SPI Configured as a Master in a Single Master, Single Slave Systém SPI Configured as a Master in a Single Master, Multiple Slave Systém SPI Timing When PHASE is 0 SPI Timing When PHASE is 1-14 -
I 2 C řadič I 2 C je sběrnice obsahující dvě obousměrné linky data (SDA) a taktovací signál (SCL). Vlastnosti I 2 C: vysílání a příjem v režimu Master maximální přenosová rychlost 400kbit/s 7 a 10-bitové adresování pro obvody Slave nelimitovaný počet datových bytů pro přenos řadič nepracuje v režimu Slave AD převodník AD převodník převádí vstupní analogový signál na 10-bitové binární číslo. Vlastnosti AD převodníku: 12 analogových vstupů přístupných na I/O pinech jako speciální funkce přerušení po dokončení převodu vnitřní zdroj referenčního napětí řadič DMA může automaticky spustit převod a přenášet data z AD převodníku přímo do paměti RAM Analog-to-Digital Converter Block Diagram - 15 -
DMA (Direct Memory Access) ez8 obsahuje 3 nezávislé DMA kanály. Dva kanály (DMA0, DMA1) přenášejí data mezi periferiemi na čipu a pamětí RAM. Třetí kanál (DMA_ADC) přenáší výstupní data z AD převodníku do paměti RAM. Paměť Flash Mikrořadiče řady Z8Encore obsahují Flash paměť až do velikosti 64KB. Paměť může být programována a vymazána in-circuit (osazená na desce) buď uživatelským způsobem nebo přes On-Chip-Debugger. Flash paměť je dělena do stránek o velikosti 512B. Stránka je nejmenší část paměti, která může být vymazána. Každá stránka je dělena do 8 řádků po 64B. Flash paměť také obsahuje High sektor, který může být přístupný pro zápis a mazání odděleně od zbytku paměti. První 2 byty paměti Flash jsou využity pro bity volitelných funkcí. On-Chip Debugger Mikrořadiče Z8Encore obsahují na čipu debugger jehož hlavní vlastnosti jsou: čtení a zápis paměti RAM čtení a zápis paměti pro program nastavení brakpointů v programu vykonání instrukcí ez8 On-Chip Debugger Block Diagram - 16 -
Interfacing the On-Chip Debugger s DBG Pin with an RS-232 Interface (1) Interfacing the On-Chip Debugger s DBG Pin with an RS-232 Interface (2) Oscilátor Mikrořadiče Z8Encore obsahují na čipu oscilátor pro použití s vnějším krystalem 1 až 20MHz. Oscilátor je zdrojem taktovacího signálu SCLK pro ez8 CPU a většinu periferií na čipu. Na pin XIN může být přiveden vnější signál s úrovněmi CMOS s kmitočtem 32kHz až 20MHz. Jestliže je přiveden vnější signál, pin XOUT musí zůstat nezapojen. Z8Encore neobsahují žádnou děličku signálu SCLK. Recommended 20MHz Crystal Oscillator Configuration - 17 -
Elektrické parametry ZiLOG Z8 Encore! MCU Product Matrix Dostupná pouzdra 80-pin QFP 68-pin PLCC 64-pin LQFP 44-pin PLCC 44-pin LQFP 40-pin PDIP 28-pin SOIC 20-pin SSOP - 18 -
Modifikovaná (enhanced) verze Z8Encore - 19 -
Feature Differences Summary - 20 -
Hlavní rysy řady Z8Encore! XP procesor ez8 CPU, 20MHz (10MIPS) až 4KB paměti Flash s možností programování na čipu (in-circuit programming) až 1KB paměti SRAM až 128B nevolatelní paměti (EEPROM) 8-kanálový, 10-bitový analogově-číslicový převodník (ADC) teplotní senzor na čipu analogový komparátor na čipu transimpedanční zesilovač na čipu duplexní 9-bitové obvody UART enkodér / dekodér IrDA (Infrared Data Association) dva 16-bitové čítače watch-dog (WDT) s RC oscilátorem 17-25 vstupů / výstupů 18 přerušení s nastavitelnou prioritou hardwarový debugger ochrana proti poklesu napájecího napětí (VBO) RESET při zapnutí napájení (POR) interní precizní oscilátor (5MHz / 32kHz) rozsah napájecích napětí 2.7 až 3.6V, vstupy tolerantní na 5V 20 a 28-pinové pouzdro (SMD) Product block diagram - 21 -
Z8 Encore! XP 4K Series Block Diagram - 22 -
Firma ZiLOG nabízí tři vývojové kity, lišící se velikostí použitého procesoru (64KB a 4KB XP) a periferiemi na desce. Vývojový kit pro Z8Encore s 64KB Flash Z8 Encore! Evaluation Board Block Diagram - 23 -
Vývojová deska pro Z8Encore s 64KB Flash a menším počtem periferií Development Board Block Diagram - 24 -
Z8 Encore! XP 4K Series Development Board Součástí všech vývojových kitů je samotná deska, napájecí zdroj, propojovací (programovací) kablík připojující se na RS232 a vývojové prostředí ZDS II- Z8 Encore! IDE s ANSI C-Compilátorem. Po registraci jsou na webu k dispozici nové verze vývojového prostředí k stažení zdarma. Cena největšího kitu je cca 1600Kč. Dostupnost obvodů Na český trh dodává produkty firmy ZiLOG včetně uváděných procesorů (v omezeném výběru) firma ECOM. ZiLOG nezasílá jednotlivé vzorku procesorů zdarma k odzkoušení. Pokud však člověk dostatečně přesvědčí firmu, může vzorky dostat podmínka je správně a vhodně vyplněný formulář kde je zdůrazněn potenciál projektu a předpokládaný odběr obvodů v budoucnu. - 25 -