3803 Group (Spec.H QzROM version) 單芯片8位CMOS微計(jì)算機(jī)深度解析

在電子工程領(lǐng)域，微計(jì)算機(jī)是眾多設(shè)備的核心組件。今天，我們就來(lái)深入探討一下 Renesas Electronics Corporation 的 3803 Group (Spec.H QzROM version) 單芯片 8 位 CMOS 微計(jì)算機(jī)，了解它的特性、功能以及使用中的注意事項(xiàng)。

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一、產(chǎn)品概述

2010 年 4 月 1 日，NEC Electronics Corporation 與 Renesas Technology Corporation 合并，Renesas Electronics Corporation 接管了兩家公司的所有業(yè)務(wù)。3803 組（Spec.H QzROM 版本）基于 740 系列核心技術(shù)，專(zhuān)為需要模擬信號(hào)處理的家用產(chǎn)品、辦公自動(dòng)化設(shè)備和控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，具備串行接口功能、8/16 位定時(shí)器、A/D 轉(zhuǎn)換器和 D/A 轉(zhuǎn)換器等。

二、產(chǎn)品特性

（一）電源電壓

不同振蕩頻率下，電源電壓要求不同。在高速模式下，16.8 MHz 振蕩頻率時(shí)為 4.5 - 5.5 V，12.5 MHz 時(shí)為 4.0 - 5.5 V 等；中速和低速模式也有相應(yīng)的電壓范圍。這種多模式的電壓適配，使得該微計(jì)算機(jī)能適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，滿(mǎn)足多樣化的需求。

（二）功耗

高速模式下典型功耗為 40 mW，低速模式下典型功耗為 45 μW。低功耗特性在一些對(duì)能源要求較高的設(shè)備中具有很大優(yōu)勢(shì)，能夠有效延長(zhǎng)設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。

（三）工作溫度范圍

工作溫度范圍為 -20 至 85 °C（在 16.8 MHz 振蕩頻率、5 V 電源電壓下），這使得它能在較為寬泛的環(huán)境條件下穩(wěn)定工作，適用于多種工業(yè)和民用場(chǎng)景。

三、功能模塊解析

（一）中央處理器（CPU）

采用標(biāo)準(zhǔn)的 740 系列指令集，有多個(gè)寄存器，如累加器（A）、索引寄存器 X（X）、索引寄存器 Y（Y）、堆棧指針（S）、程序計(jì)數(shù)器（PC）和處理器狀態(tài)寄存器（PS）等。不同的寄存器在數(shù)據(jù)操作、地址指定、子程序調(diào)用和中斷處理等方面發(fā)揮著重要作用。例如，累加器主要用于數(shù)據(jù)操作，堆棧指針用于子程序調(diào)用和中斷時(shí)的寄存器存儲(chǔ)。

（二）存儲(chǔ)器

1. 特殊功能寄存器（SFR）區(qū)域：零頁(yè)中的特殊功能寄存器區(qū)域包含 I/O 端口和定時(shí)器等控制寄存器，這些寄存器對(duì)于設(shè)備的輸入輸出和定時(shí)功能起著關(guān)鍵的控制作用。
2. RAM：用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和子程序調(diào)用及中斷的堆棧區(qū)域，確保數(shù)據(jù)的臨時(shí)存儲(chǔ)和程序的正常執(zhí)行。
3. ROM：ROM 的前 128 字節(jié)和最后 2 字節(jié)用于設(shè)備測(cè)試，其余為用戶(hù)存儲(chǔ)程序的區(qū)域。在 QzROM 版本中，地址 FFDB16 也是保留區(qū)域。
4. 中斷向量區(qū)域：包含復(fù)位和中斷向量，用于處理各種中斷請(qǐng)求，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。

   （三）I/O 端口

   I/O 端口具有方向寄存器，可單獨(dú)設(shè)置每個(gè)引腳的輸入/輸出方向。通過(guò)設(shè)置端口的上拉控制寄存器，還能實(shí)現(xiàn)上拉控制。不同的端口具有不同的功能，如 P0、P6 可作為 A/D 轉(zhuǎn)換器輸入，P1 可作為外部中斷輸入等。

   （四）中斷

   該微計(jì)算機(jī)的中斷為向量中斷，具有固定優(yōu)先級(jí)方案，由 21 個(gè)源中的 16 個(gè)源產(chǎn)生，包括 8 個(gè)外部、12 個(gè)內(nèi)部和 1 個(gè)軟件源。中斷的處理需要滿(mǎn)足中斷禁用標(biāo)志、中斷請(qǐng)求位和中斷使能位等條件，通過(guò)這些條件的控制，可以靈活地管理中斷請(qǐng)求，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

   （五）定時(shí)器

5. 8 位定時(shí)器：有四個(gè) 8 位定時(shí)器（定時(shí)器 1、定時(shí)器 2、定時(shí)器 X 和定時(shí)器 Y），每個(gè)定時(shí)器和預(yù)分頻器都有定時(shí)器鎖存器或預(yù)分頻器鎖存器。定時(shí)器可選擇不同的操作模式，如定時(shí)器模式、脈沖輸出模式、事件計(jì)數(shù)器模式和脈沖寬度測(cè)量模式等，以滿(mǎn)足不同的定時(shí)和計(jì)數(shù)需求。
6. 16 位定時(shí)器：定時(shí)器 Z 是 16 位定時(shí)器，可選擇七種操作模式，如定時(shí)器模式、事件計(jì)數(shù)器模式、脈沖輸出模式等。不同模式下，定時(shí)器的計(jì)數(shù)源、中斷處理和輸出方式都有所不同，工程師可以根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行選擇。

   （六）串行接口

7. Serial I/O1：可作為時(shí)鐘同步或異步（UART）串行 I/O 使用，還提供了專(zhuān)用定時(shí)器用于波特率生成。在使用時(shí)，需要注意時(shí)鐘同步和異步模式下的不同操作要求，如停止傳輸和接收操作的設(shè)置等。
8. Serial I/O2：僅用于時(shí)鐘同步串行 I/O，通過(guò)設(shè)置控制寄存器可以選擇不同的內(nèi)部同步時(shí)鐘和傳輸方向等。
9. Serial I/O3：與 Serial I/O1 類(lèi)似，可作為時(shí)鐘同步或異步（UART）串行 I/O，同樣需要注意不同模式下的操作細(xì)節(jié)。

   （七）脈沖寬度調(diào)制（PWM）

   具有 8 位分辨率的 PWM 功能，通過(guò)設(shè)置 PWM 預(yù)分頻器和 PWM 寄存器，可以控制 PWM 輸出的周期和 “H” 期。在實(shí)際應(yīng)用中，PWM 功能可用于電機(jī)控制、燈光調(diào)節(jié)等領(lǐng)域。

   （八）A/D 轉(zhuǎn)換器

   有 10 位 x 16 通道（支持 8 位讀?。┑?A/D 轉(zhuǎn)換器，通過(guò) AD/DA 控制寄存器控制轉(zhuǎn)換過(guò)程。在使用 A/D 轉(zhuǎn)換器時(shí)，需要注意時(shí)鐘頻率和模擬輸入信號(hào)的阻抗等問(wèn)題，以確保轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。

   （九）D/A 轉(zhuǎn)換器

   有兩個(gè) 8 位分辨率的內(nèi)部 D/A 轉(zhuǎn)換器（DA1 和 DA2），通過(guò)設(shè)置 DAi 轉(zhuǎn)換寄存器和輸出使能位，可以實(shí)現(xiàn) D/A 轉(zhuǎn)換并輸出模擬電壓。在使用 D/A 轉(zhuǎn)換器時(shí)，建議使用 4.0 V 以上的電源電壓，以保證轉(zhuǎn)換的精度。

   （十）看門(mén)狗定時(shí)器

   用于在程序無(wú)法正常運(yùn)行時(shí)返回復(fù)位狀態(tài)，由 8 位看門(mén)狗定時(shí)器 L 和 8 位看門(mén)狗定時(shí)器 H 組成。通過(guò)設(shè)置看門(mén)狗定時(shí)器控制寄存器，可以初始化定時(shí)器并啟動(dòng)計(jì)數(shù)，當(dāng)定時(shí)器 H 下溢時(shí)會(huì)發(fā)生內(nèi)部復(fù)位。

   （十一）復(fù)位電路

   將 RESET 引腳保持在 “L” 電平 16 個(gè) XIN 周期以上，然后返回 “H” 電平（電源電壓在 1.8 V - 5.5 V 之間且振蕩穩(wěn)定），即可釋放復(fù)位。復(fù)位后，程序從地址 FFFD16（高位字節(jié)）和地址 FFFC16（低位字節(jié)）開(kāi)始執(zhí)行。

四、編程注意事項(xiàng)

（一）處理器狀態(tài)寄存器

復(fù)位后，必須初始化影響程序執(zhí)行的標(biāo)志，特別是 T 和 D 標(biāo)志，因?yàn)樗鼈儗?duì)計(jì)算有重要影響。在程序開(kāi)始時(shí)初始化這些標(biāo)志，可以避免因標(biāo)志未初始化而導(dǎo)致的計(jì)算錯(cuò)誤。

（二）十進(jìn)制計(jì)算

執(zhí)行十進(jìn)制計(jì)算時(shí)，使用 ADC 和 SBC 指令，需將十進(jìn)制模式標(biāo)志（D）設(shè)置為 “1”，并在執(zhí)行這些指令后執(zhí)行另一條指令，再執(zhí)行 SEC、CLC 或 CLD 指令。同時(shí)，在十進(jìn)制模式下，N、V 和 Z 標(biāo)志的值無(wú)效，需要特別注意。

（三）JMP 指令

在間接尋址模式下使用 JMP 指令時(shí)，不要將頁(yè)面的最后地址指定為間接地址，以免出現(xiàn)尋址錯(cuò)誤。

（四）乘法和除法指令

索引 X 模式（T）和十進(jìn)制模式（D）標(biāo)志不影響 MUL 和 DIV 指令，且執(zhí)行這些指令不會(huì)改變處理器狀態(tài)寄存器的內(nèi)容。

（五）讀 - 修改 - 寫(xiě)指令

不要對(duì)只讀無(wú)效（地址）的 SFR 執(zhí)行讀 - 修改 - 寫(xiě)指令，否則可能導(dǎo)致寫(xiě)入值不確定。

五、抗噪措施

（一）最短布線長(zhǎng)度

1. RESET 引腳布線：盡量縮短連接到 RESET 引腳的布線長(zhǎng)度，特別是在 RESET 引腳和 VSS 引腳之間連接電容器時(shí)，布線應(yīng)盡可能短（不超過(guò) 20 mm），以防止噪聲導(dǎo)致的復(fù)位異常。
2. 時(shí)鐘輸入/輸出引腳布線：縮短連接到時(shí)鐘 I/O 引腳的布線長(zhǎng)度，將連接振蕩器的電容器的接地引線與微計(jì)算機(jī)的 VSS 引腳之間的布線長(zhǎng)度控制在 20 mm 以?xún)?nèi)，并將振蕩專(zhuān)用的 VSS 模式與其他 VSS 模式分開(kāi)，以避免噪聲對(duì)時(shí)鐘波形的影響。

   （二）VSS 線和 VCC 線之間連接旁路電容器

   為了穩(wěn)定系統(tǒng)運(yùn)行并避免閂鎖，在 VSS 線和 VCC 線之間連接約 0.1 μF 的旁路電容器，布線要等長(zhǎng)且盡可能短，VSS 線和 VCC 線使用比其他信號(hào)線更粗的線，并通過(guò)旁路電容器將電源布線連接到 VSS 引腳和 VCC 引腳。

   （三）振蕩器注意事項(xiàng)

   選擇合適的振蕩器和振蕩電路常數(shù)，確保微計(jì)算機(jī)獲得穩(wěn)定的操作時(shí)鐘。將微計(jì)算機(jī)（特別是振蕩器）安裝在遠(yuǎn)離大電流信號(hào)線和電位頻繁變化的信號(hào)線的地方，避免時(shí)鐘波形變形導(dǎo)致的程序故障或程序失控。

   （四）模擬輸入

   當(dāng)模擬輸入引腳連接高阻抗模擬信號(hào)源時(shí)，可能無(wú)法獲得足夠的精度。為了獲得更穩(wěn)定的 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果，應(yīng)降低模擬信號(hào)源的阻抗，或在模擬輸入引腳添加平滑電容器。

六、電氣特性

（一）絕對(duì)最大額定值

包括電源電壓、輸入電壓、輸出電壓、功耗、工作溫度和存儲(chǔ)溫度等參數(shù)的極限值。在使用過(guò)程中，必須確保各項(xiàng)參數(shù)不超過(guò)這些極限值，以保證設(shè)備的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。

（二）推薦工作條件

詳細(xì)列出了不同模式下的電源電壓、輸入電壓、時(shí)鐘頻率等推薦值。例如，在不同的振蕩頻率和電源電壓下，對(duì)輸入電壓的要求也不同。工程師在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)這些推薦條件進(jìn)行合理的參數(shù)設(shè)置。

（三）電氣特性

包括輸出電壓、輸入電流、滯回、RAM 保持電壓等參數(shù)。這些參數(shù)反映了設(shè)備的電氣性能，對(duì)于評(píng)估設(shè)備的性能和可靠性非常重要。

（四）A/D 轉(zhuǎn)換器特性

給出了 A/D 轉(zhuǎn)換器的推薦工作條件和特性，如分辨率、絕對(duì)精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間等。在使用 A/D 轉(zhuǎn)換器時(shí)，必須滿(mǎn)足這些條件，以確保轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

（五）D/A 轉(zhuǎn)換器特性

包括分辨率、絕對(duì)精度、設(shè)置時(shí)間等參數(shù)。了解這些特性有助于工程師在設(shè)計(jì)中合理使用 D/A 轉(zhuǎn)換器，滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)模擬輸出的要求。

（六）定時(shí)要求和開(kāi)關(guān)特性

規(guī)定了各種時(shí)鐘信號(hào)的周期、脈沖寬度、建立時(shí)間和保持時(shí)間等參數(shù)。這些參數(shù)對(duì)于確保設(shè)備的時(shí)序正確性至關(guān)重要，工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)必須嚴(yán)格按照這些要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

七、總結(jié)

3803 Group (Spec.H QzROM version) 單芯片 8 位 CMOS 微計(jì)算機(jī)具有豐富的功能和良好的性能，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。在使用過(guò)程中，工程師需要充分了解其特性和功能，注意編程和抗噪等方面的問(wèn)題，嚴(yán)格按照推薦工作條件和電氣特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和性能優(yōu)化。你在使用這款微計(jì)算機(jī)的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。