02章-S12X单片机的结构与组成课件

第2章S12X单片机的结构与组成2.1MC9S12XS128的主要功能和结构

2.2.1功能特性16位S12XSCPU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PIT80MHz系统频率（40MHz总线频率）128KBFLASH、8KBDFLASH、8KBRAM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。2.1.2MC9S12XS128的结构总结：MCU核心

左侧

E口可作为控制总线。

A口、B口、K口。MCU外设

右侧

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128KFLASH,8KRAM,8KEEPROM

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

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112:MC9S12XS128MAL80:MC9S12XS128MAA双排直列封装贴片封装表2-lMC9S12XSMCU引脚功能一览表管脚名第1功能管脚名第2功能管脚名第3功能供电电源内部上/下拉电阻功能描述控制位复位状态EXTAL——VDDPLL——振荡器引脚XTAL——VDDPLL——RESET——VDDX上拉外部复位引脚TEST———RESET脚下拉测试引脚预留BKGDMODC—VDDR一直上拉上拉背景调试数据引脚;模式选择信号MODCPAD[7:0]AN[7:0]—VDDAPER1AD禁止AD口输入;ATD1模拟输入PAD[15:8]AN[15:8]—VDDAPER0AD禁止AD口输入;ATD0模拟输入PA[7:0]——VDDRPUCR禁止A口I/OPB[7:0]——VDDRPUCR禁止B口I/OPE7ECLKX2VDDRPUCR上拉E口I/O;时钟类型选择;系统时钟输出PE6——VDDR当RESET引脚为低时，下拉E口I/OPE5——VDDRE口I/OPE4ECLK—VDDRPUCR上拉E口I/O;总线时钟输出PE3——VDDRPUCR上拉E口I/OPE2——VDDRPUCR上拉E口I/OPE1—VDDRPUCR上拉E口I/O;可屏蔽中断输入PE0—VDDRPUCR上拉E口I/O;不可屏蔽中断输入PH[7:0]KWH[7:0]—VDDRPERH/PPSH禁止H口I/O;中断输入PJ[7:6]KWJ[7:6]—VDDXPERJ/PPSJ上拉J口I/O;中断输入;PJ[1:0]KWJ[1:0]—VDDXPERJ/PPSJ上拉J口I/O;中断输入;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VssBKGD/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名称引脚位置

标称电压描述VDDR435.0V外部电源和地，为内部电压调整器提供电源VDDX[2:1]41、1075.0V外部电源和地，仅为引脚驱动提供电源和地VSSX[2:1]40、1060VVDDA835.0V模/数转换器的工作电源和地，也为内部电压调节器提供参考VSSA860VVRL850V模/数转换器的参考电压VRH845.0VVDD651.8V内部电源和地，由内部电压调节器产生VSS2,VSS366,440VVDDF132.8V为内部非易失存储器提供工作电压和地，由内部电压调节器产生VSS1140VVDDPLL481.8V为锁相环提供工作电压和地、由内部电压调节器产生VSSPLL450V3.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①PAD口：PAD15~8,7~0通用输入口/模拟量输;②PA、PB、PK：通用I/O口（PA7-0,PB7-0，PK7-0);3.2E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。3.3H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；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可用状态，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；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（SpecialSingleChip）

又称为背景调试模式(BackgroundDebugMode，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。MODAMODBMODC/BKGDRESETHCS12CLOCK/RESETMODAMODBMODCSampleLatch芯片模式的时序

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。3.BDM接口电路

BDMBackgroundDebugMode

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：BKGD1NC3NC52GND4RESET6VDD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。等待模式：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。

特点：CPU停止执行指令，时钟运行，所有外设处于激活状态。

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。2）停止模式：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。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8MHzEXTALMCUXTALRSRBC1C2晶振VSSPLLEXTALXTALMCU悬空CMOS兼容的外部时钟

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

EXTALMCUXTALC1C2晶振VSSPLLXCLKS(PE7)=1时，因有内部上拉，复位默认XCLKS(PE7)=0时的两种接法：（XS128）CRG时钟复位发生器时钟与功能模块关联关系2.4S12XS128的最小系统电路设计复位电路晶振电路BDM电路PLL电路电源电路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S12XMCU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。

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）；

复位产生条件:复位不会返回到复位前的地点！（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

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

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。（2）时钟监视CM监视时钟异常

三种时钟：

OSCCLKPLLCLK SCM:内部自给时钟，MCU启动后默认是关闭，误差大。3.时钟选择◆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

◆COP(WDT),RTI时钟取自OSCCLK,除非进入自时钟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fBUSCLK=fOSCCLK/2fBUSCLK=fPLLCLK/2S12(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。。。

亦可以不做设置：此时就是使用默认设置…2.6存储器ROM（ReadOnlyMemory）：只读存储器

RAM（RandomAccessMemory）：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FLASHROM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FreescaleS12X比较新出的MCU中，有DataFlash取代EEPROM的趋势2.6.1存储器空间组织与分配XS128的存储器资源：8KBRAM、8KBDataFlash、128KBFlash。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，RAM8KB，DataFlash8KB(EEPROM)FLASH128KB

（页面扩展机制）地址分配重叠时，存储器优先级：优先级资源1BDM2寄存器3RAM4DFLASH5FLASH6扩展内存$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DataFlash区。通过分页扩展的方法以达到管理256KB空间的DataFalsh，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~$3FFF(8KB)：固定RAM区。对应XS128实际的8KBRAM，固定占用$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8KBRAM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、$FF页面。2KB寄存器1KB分页DataFlash$FE1KB保留$FF4KB分页RAM$FD$FE8KBRAM $FF$FD16KBFlash$FE16KB分页Flash$FF16KB闪存区复位、中断向量区$FD$FC$FB……255个$00$0000$0800$0C00$1000$2000$4000$8000$C000$FFFF$FF00$FC$FB$FA$00……254个$FC$FB$FA……254个$00$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。

即：地址$FFFE是S12XMCU整个程序的入口地址。本地地址全局地址分页扩展：DataFlashEPAGE寄存器RAMRPAGE寄存器FlashPPAGE寄存器全局地址：GPAGE寄存器

7位+本地16位=23位8MB2.6.2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……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。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。。。为可屏蔽中断，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（InterruptVectorBased,IVB）寄存器予以实现。

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，并恢复I位为0开中断。注：在中断发生时S12X自动将寄存器Y