Z86E61/Z86E63微控制器：性能、特性與應(yīng)用全解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，微控制器是眾多項(xiàng)目的核心組件，其性能和特性直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的表現(xiàn)。今天，我們就來深入探討Zilog公司的Z86E61/Z86E63微控制器，看看它有哪些獨(dú)特之處，以及如何在實(shí)際設(shè)計(jì)中發(fā)揮作用。

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一、產(chǎn)品概述

Z86E61/Z86E63微控制器屬于Z8?單芯片微控制器家族，擁有16K/32 KB的EPROM和236字節(jié)的通用RAM。它提供40引腳DIP、44引腳PLCC或44引腳LQFP封裝形式，是Z86C61/63的引腳兼容EPROM版本，其中44引腳版本還提供無ROM引腳選項(xiàng)。

這款微控制器具有快速執(zhí)行、高效內(nèi)存使用、復(fù)雜中斷處理、輸入/輸出位操作能力以及易于硬件/軟件系統(tǒng)擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于需要強(qiáng)大I/O功能的應(yīng)用，它提供32個(gè)專用輸入輸出引腳，分為四個(gè)端口，每個(gè)端口包含八條線路，可在軟件控制下配置，提供定時(shí)、狀態(tài)信號(hào)、串行或并行I/O（帶或不帶握手）以及用于連接外部內(nèi)存的地址/數(shù)據(jù)總線。

二、產(chǎn)品特性

（一）基本參數(shù)

• 位寬與封裝：8位CMOS微控制器，提供40引腳DIP、44引腳PLCC和44引腳LQFP三種封裝。
• 工作電壓與時(shí)鐘：工作電壓范圍為4.5 V至5.5 V，時(shí)鐘速度有16 MHz和20 MHz可選。
• 功耗：低功耗設(shè)計(jì)，最大功耗為275 mW。
• 待機(jī)模式：具備STOP和HALT兩種待機(jī)模式，可有效降低功耗。

（二）功能特性

• I/O功能：32個(gè)輸入/輸出線路，支持全雙工UART，所有數(shù)字輸入為TTL電平。
• 保護(hù)機(jī)制：高壓輸入具有高壓保護(hù)，具備RAM和EPROM保護(hù)功能。
• 內(nèi)存配置：Z86E61配備16 KB EPROM，Z86E63配備32 KB EPROM；擁有256字節(jié)寄存器文件，包括236字節(jié)通用RAM、16字節(jié)控制和狀態(tài)寄存器以及4字節(jié)端口寄存器。
• 計(jì)數(shù)器/定時(shí)器：兩個(gè)可編程8位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，每個(gè)帶有6位可編程預(yù)分頻器。
• 中斷系統(tǒng)：提供六個(gè)向量優(yōu)先級(jí)中斷，來自八個(gè)不同源。
• 振蕩器：片上振蕩器可接受晶體陶瓷諧振器、LC或外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。

三、引腳功能與配置

（一）引腳信號(hào)

Z86E61/Z86E63微控制器提供多種封裝樣式、編程模式和引腳配置。在標(biāo)準(zhǔn)模式和EPROM編程模式下，40引腳PDIP、44引腳PLCC和44引腳LQFP封裝的引腳信號(hào)和配置有所不同。主要引腳信號(hào)包括：

• XTAL2/XTAL1：晶體振蕩器時(shí)鐘輸出/輸入引腳。
• RESET：復(fù)位引腳，低電平有效。
• R/W：讀寫信號(hào)，寫操作時(shí)為低電平。
• DS：數(shù)據(jù)選通信號(hào)，每次外部內(nèi)存?zhèn)鬏敃r(shí)激活一次。
• AS：地址選通信號(hào)，每個(gè)機(jī)器周期開始時(shí)脈沖一次。

（二）端口描述

• Port 0（P07 - P00）：8位、半字節(jié)可編程、雙向、TTL兼容端口，可配置為半字節(jié)I/O端口或用于連接外部內(nèi)存的地址端口，可在握手控制下工作。
• Port 1（P17 - P10）：8位、字節(jié)可編程、雙向、TTL兼容端口，具有復(fù)用的地址（A7 - A0）和數(shù)據(jù)（D7 - D0）端口，可配置為輸入/輸出線或用于連接外部內(nèi)存的地址/數(shù)據(jù)端口，也可在握手控制下工作。
• Port 2（P27 - P20）：8位、位可編程、雙向、CMOS兼容端口，每個(gè)引腳可獨(dú)立編程為輸入或輸出，也可全局配置為開漏輸出，可在握手控制下工作。
• Port 3（P37 - P30）：8位、CMOS兼容的四個(gè)固定輸入和四個(gè)固定輸出端口，可配置為提供握手、外部中斷請求、定時(shí)器輸入/輸出、數(shù)據(jù)內(nèi)存選擇和EPROM控制等功能。

四、地址空間與內(nèi)存配置

（一）程序內(nèi)存

Z86E61/Z86E63微控制器可尋址48 KB（Z86E61）或32 KB（Z86E63）的外部程序內(nèi)存。前12字節(jié)的程序內(nèi)存用于中斷向量，包含對(duì)應(yīng)六個(gè)可用中斷的六個(gè)16位向量。在EPROM模式下，第13字節(jié)到第16383字節(jié)（Z86E61）或第32767字節(jié)（Z86E63）為片上EPROM。在無ROM模式下，可尋址高達(dá)64 KB的程序內(nèi)存，復(fù)位后程序執(zhí)行從外部位置000C（HEX）開始。

（二）數(shù)據(jù)內(nèi)存

EPROM版本可尋址高達(dá)48 KB（Z86E61）或32 KB（Z86E63）的外部數(shù)據(jù)內(nèi)存，無ROM版本可尋址高達(dá)64 KB的外部數(shù)據(jù)內(nèi)存。外部數(shù)據(jù)內(nèi)存可與外部程序內(nèi)存空間合并或分離，通過DM信號(hào)區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)和程序內(nèi)存空間。

（三）寄存器文件

寄存器文件由四個(gè)I/O端口寄存器、236個(gè)通用寄存器和16個(gè)控制和狀態(tài)寄存器組成。指令可直接或通過8位地址字段間接訪問寄存器，還支持使用寄存器指針進(jìn)行4位寄存器尋址。

（四）堆棧

Z86E61/Z86E63微控制器具有16位堆棧指針（R255 - R254）用于外部堆棧，在無ROM模式下可位于數(shù)據(jù)內(nèi)存的任何位置，在EPROM模式下位于16384（Z86E61）或32768（Z86E63）到65535之間；8位堆棧指針（R255）用于內(nèi)部堆棧，位于236個(gè)通用寄存器（R239 - R4）內(nèi)。

五、功能描述

（一）計(jì)數(shù)器/定時(shí)器

有兩個(gè)8位可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器（T0 - T1），每個(gè)由其自己的6位可編程預(yù)分頻器驅(qū)動(dòng)。T1預(yù)分頻器可由內(nèi)部或外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)，T0預(yù)分頻器僅由內(nèi)部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。6位預(yù)分頻器可將時(shí)鐘源的輸入頻率除以1到64之間的任何整數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器和預(yù)分頻器達(dá)到計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)，會(huì)生成定時(shí)器中斷請求（IRQ4或IRQ5）。計(jì)數(shù)器可編程為啟動(dòng)、停止、重新啟動(dòng)或從初始值重新啟動(dòng)，還可配置為在達(dá)到零值時(shí)停止（單通模式）或自動(dòng)重新加載初始值并繼續(xù)計(jì)數(shù)（模n連續(xù)模式）。

（二）中斷系統(tǒng)

Z86E61/Z86E63微控制器有六個(gè)不同的中斷，來自八個(gè)不同的源，中斷可屏蔽且具有優(yōu)先級(jí)。八個(gè)源分為：四個(gè)來自Port 3的P33 - P30引腳，一個(gè)來自串行輸出，一個(gè)來自串行輸入，兩個(gè)來自計(jì)數(shù)器/定時(shí)器。中斷通過程序內(nèi)存中的位置進(jìn)行向量處理，當(dāng)激活中斷機(jī)器周期時(shí)，會(huì)禁用后續(xù)中斷，保存程序計(jì)數(shù)器和狀態(tài)標(biāo)志，并分支到為該中斷保留的程序內(nèi)存向量位置。

（三）時(shí)鐘

片上振蕩器具有高增益、并聯(lián)諧振放大器，可連接晶體、LC、陶瓷諧振器或任何合適的外部時(shí)鐘源（XTAL1為輸入，XTAL2為輸出）。晶體應(yīng)為AT切割，最大頻率為1 MHz至20 MHz，串聯(lián)電阻（RS）小于或等于100歐姆，應(yīng)使用推薦的電容器（10 pF < CL < 100 pF）連接到地。

（四）待機(jī)模式

• HALT：關(guān)閉內(nèi)部CPU時(shí)鐘，但不關(guān)閉XTAL振蕩，計(jì)數(shù)器/定時(shí)器和外部中斷IRQ0、IRQ1、IRQ2和IRQ3保持活躍，可通過中斷恢復(fù)。
• STOP：關(guān)閉內(nèi)部時(shí)鐘和外部晶體振蕩，將待機(jī)電流降低到5 μA（典型值）或更低，通過復(fù)位終止，處理器將在地址000Ch處重新啟動(dòng)應(yīng)用程序。

六、編程模式

Z86E61/Z86E63微控制器提供五種用戶編程模式：

（一）EPROM Read

用戶可將Z86E61/Z86E63微控制器作為標(biāo)準(zhǔn)27128（Z86E61）或27256（Z86E63）EPROM進(jìn)行讀取，通過驅(qū)動(dòng)EPM引腳（P32）到VH并激活CE和OE，PGM保持無效。此模式在執(zhí)行EPROM保護(hù)周期后無效。

（二）EPROM Program

符合智能編程算法，使用VCC為6.0 V和VPP = 12.5 V進(jìn)行編程，編程脈沖以1 ms為增量施加，最多25個(gè)脈沖，驗(yàn)證后施加三倍于編程所需周期的編程脈沖，確保正確編程。

（三）PROM Verify

作為智能編程算法的一部分，用于確保在最壞情況下的數(shù)據(jù)完整性，與EPROM Read周期的區(qū)別在于VPP激活且VCC必須驅(qū)動(dòng)到6.0 V。

（四）EPROM and RAM Protect

提供EPROM和RAM保護(hù)周期，執(zhí)行EPROM保護(hù)周期會(huì)禁止EPROM Read、EPROM Verify和EPROM編程周期的正確執(zhí)行；執(zhí)行RAM保護(hù)周期會(huì)禁用對(duì)寄存器內(nèi)存上部128字節(jié)（不包括模式和配置寄存器）的訪問，但用戶程序必須先設(shè)置IMR（R251）的第6位。

七、電氣特性

（一）絕對(duì)最大額定值

（二）DC特性

包括最大輸入電壓、時(shí)鐘輸入高低電壓、輸入輸出高低電壓、輸入輸出泄漏電流、復(fù)位輸入電流、電源電流和待機(jī)電流等參數(shù)。

（三）AC特性

涵蓋外部I/O或內(nèi)存讀寫時(shí)序、輸入輸出握手時(shí)序以及其他附加時(shí)序特性，每個(gè)參數(shù)都有相應(yīng)的計(jì)算公式和頻率范圍。

八、控制寄存器

Z86E61/Z86E63微控制器的控制寄存器包括串行I/O寄存器、定時(shí)器模式寄存器、計(jì)數(shù)器/定時(shí)器寄存器、預(yù)分頻器寄存器、端口模式寄存器、中斷優(yōu)先級(jí)寄存器、中斷請求寄存器、中斷屏蔽寄存器、標(biāo)志寄存器、寄存器指針寄存器和堆棧指針寄存器等，每個(gè)寄存器都有其特定的功能和位描述。

九、Z8指令集

（一）尋址模式與符號(hào)

使用多種尋址模式和符號(hào)來描述指令操作，包括間接寄存器對(duì)、間接工作寄存器對(duì)地址、索引地址、直接地址、相對(duì)地址、立即數(shù)等。

（二）標(biāo)志與條件代碼

控制寄存器R252包含六個(gè)標(biāo)志（C、Z、S、V、D、H），這些標(biāo)志可根據(jù)操作進(jìn)行設(shè)置或清除。條件代碼用于定義不同的條件，如小于、小于等于、大于、大于等于等。

（三）指令格式

Z8指令集使用一、二和三字節(jié)格式，包括操作碼、目的地址、源地址等部分。

（四）指令總結(jié)

對(duì)每個(gè)Z8指令的操作、尋址模式、操作碼和受影響的標(biāo)志進(jìn)行了總結(jié)。

十、封裝與訂購信息

（一）封裝

提供40引腳塑料雙列直插封裝（PDIP）、44引腳低輪廓四方扁平封裝（LQFP）和44引腳塑料芯片載體（PLCC）三種封裝形式。

（二）訂購信息

可根據(jù)頻率、封裝和溫度范圍選擇不同的產(chǎn)品型號(hào)，如Z86E6116PSG表示16 MHz、40引腳PDIP封裝、0°C至+70°C溫度范圍的Z86E61微控制器。

（三）部件號(hào)后綴指定

Zilog部件號(hào)由環(huán)境流程、溫度范圍、封裝、頻率和內(nèi)存類型等組件組成，例如Z86E6116PSC表示8位Z8驅(qū)動(dòng)的微控制器，工作頻率為16 MHz，采用40引腳PDIP封裝，工作溫度范圍為0oC至+70oC，使用無鉛焊料。

十一、總結(jié)

Z86E61/Z86E63微控制器以其豐富的功能、靈活的配置和良好的電氣性能，為電子工程師提供了一個(gè)強(qiáng)大的設(shè)計(jì)平臺(tái)。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師可以根據(jù)具體需求選擇合適的封裝、編程模式和配置，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制和數(shù)據(jù)處理任務(wù)。同時(shí)，通過對(duì)其引腳功能、地址空間、功能特性和指令集的深入了解，能夠更好地進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，提高產(chǎn)品的性能和可靠性。

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