深入剖析ST10R167 16位無ROM微控制器：高性能與多功能的完美融合

在電子設(shè)計(jì)的廣闊領(lǐng)域中，微控制器（MCU）一直是各類應(yīng)用的核心。今天，我們要深入探討的是意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）ST10系列中的一顆璀璨之星——ST10R167 16位無ROM微控制器。它結(jié)合了高性能CPU、豐富的外設(shè)功能和強(qiáng)大的I/O能力，為眾多應(yīng)用場景提供了理想的解決方案。

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一、ST10R167概述

ST10R167是ST10系列的一員，具備高達(dá)每秒1250萬條指令的CPU性能，同時(shí)擁有豐富的外設(shè)功能和強(qiáng)大I/O能力。通過片內(nèi)PLL實(shí)現(xiàn)高速RAM和時(shí)鐘生成。這種高性能與多功能的結(jié)合，使其在工業(yè)控制、汽車電子、消費(fèi)電子等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。

二、芯片架構(gòu)與特性

（一）高性能CPU

該CPU采用4級(jí)指令流水線、16位算術(shù)邏輯單元（ALU）和專用特殊功能寄存器（SFR）。此外，還配備了獨(dú)立的乘除單元、位掩碼生成器和桶形移位器。在25MHz的CPU時(shí)鐘下，大多數(shù)指令的執(zhí)行周期僅需80ns。以移位和旋轉(zhuǎn)指令為例，無論要移位的位數(shù)是多少，都能在一個(gè)指令周期內(nèi)完成。多周期指令也經(jīng)過了優(yōu)化，如分支操作只需2個(gè)周期，16x16位乘法需5個(gè)周期，32/16位除法需10個(gè)周期。跳轉(zhuǎn)緩存機(jī)制還能將循環(huán)中重復(fù)執(zhí)行的跳轉(zhuǎn)指令的執(zhí)行時(shí)間從2個(gè)周期縮短至1個(gè)周期。這使得ST10R167在處理復(fù)雜任務(wù)時(shí)能夠高效運(yùn)行。

（二）內(nèi)存組織

ST10R167采用馮·諾依曼架構(gòu)，代碼內(nèi)存、數(shù)據(jù)內(nèi)存、寄存器和I/O端口都組織在同一個(gè)16M字節(jié)的線性地址空間中。片內(nèi)提供32K字節(jié)的ROM、2K字節(jié)的內(nèi)部RAM（雙端口）和2K字節(jié)的擴(kuò)展RAM（單端口XRAM）。內(nèi)部RAM可作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、系統(tǒng)堆棧、通用寄存器組和代碼存儲(chǔ)的空間，寄存器組最多可包含16個(gè)字寬（R0 - R15）和/或字節(jié)寬（RL0, RH0, …, RL7, RH7）的通用寄存器。XRAM的地址范圍為00’E000h - 00’E7FFh，在啟用（SYSCON寄存器的XPEN位2）時(shí)，可像訪問外部內(nèi)存一樣以16位解復(fù)用總線模式進(jìn)行訪問，且無等待狀態(tài)或讀寫延遲（在25MHz CPU時(shí)鐘下訪問時(shí)間為80ns），支持字節(jié)和字訪問。但需注意，XRAM不能用于系統(tǒng)堆?；蚣拇嫫鹘M，也不支持單比特存儲(chǔ)，因此不具有位尋址功能。特殊功能寄存器（SFR/ESFR）占用1024字節(jié)（2 * 512字節(jié)）的地址空間，用于控制和監(jiān)控片內(nèi)各單元的功能。CAN模塊的地址范圍為00’EF00h - 00’EFFFh，啟用時(shí)需設(shè)置SYSCON寄存器的XPEN位2，訪問時(shí)使用解復(fù)用地址和16位數(shù)據(jù)總線（支持字節(jié)訪問），在25MHz CPU時(shí)鐘下，需兩個(gè)等待狀態(tài)，訪問時(shí)間為160ns。如果使用CAN模塊，Port 4只能輸出4條段地址線，這會(huì)將外部內(nèi)存空間減少到5M字節(jié)（每個(gè)CS線對(duì)應(yīng)1M字節(jié)）。為滿足設(shè)計(jì)中對(duì)更多內(nèi)存的需求，該微控制器最多可連接16M字節(jié)的外部RAM和/或ROM。

（三）外部總線控制器

外部總線控制器（EBC）可實(shí)現(xiàn)所有外部內(nèi)存的訪問操作。它可以設(shè)置為單芯片模式（無需外部內(nèi)存時(shí)）或四種不同的外部內(nèi)存訪問模式，包括16/18/20/24位地址和16位數(shù)據(jù)的解復(fù)用和復(fù)用模式，以及16/18/20/24位地址和8位數(shù)據(jù)的解復(fù)用和復(fù)用模式。在解復(fù)用總線模式下，地址通過Port1輸出，數(shù)據(jù)通過Port0或P0L輸入/輸出；在復(fù)用總線模式下，地址和數(shù)據(jù)都通過Port0輸入/輸出。外部總線接口的時(shí)序特性（如內(nèi)存周期時(shí)間、內(nèi)存三態(tài)時(shí)間、ALE長度和讀寫延遲）可進(jìn)行編程設(shè)置，以適應(yīng)不同的存儲(chǔ)器和外部外設(shè)。通過寄存器對(duì)ADDRSELx / BUSCONx最多可定義4個(gè)獨(dú)立的地址窗口，用于訪問不同的資源，并設(shè)置不同的總線特性。這些地址窗口采用分層結(jié)構(gòu)，BUSCON4優(yōu)先級(jí)高于BUSCON3，BUSCON2優(yōu)先級(jí)高于BUSCON1，未被這4個(gè)地址窗口覆蓋的所有訪問都由BUSCON0控制。最多可生成5個(gè)外部CS信號(hào)（4個(gè)窗口加默認(rèn)信號(hào)），以節(jié)省外部膠合邏輯。通過“Ready”功能支持對(duì)非常慢速的存儲(chǔ)器的訪問，還提供HOLD/HLDA協(xié)議用于總線仲裁，與其他總線主設(shè)備共享外部資源?？偩€仲裁通過設(shè)置SYSCON寄存器的HLDEN位來啟用，啟用后，引腳P6.7...P6.5（BREQ, HLDA, HOLD）由EBC自動(dòng)控制。在主模式（復(fù)位后默認(rèn)）下，HLDA引腳為輸出；通過將DP6.7位設(shè)置為’1’可選擇從模式，此時(shí)HLDA引腳切換為輸入，直接連接從控制器和另一個(gè)主控制器，無需膠合邏輯。對(duì)于需要較少外部內(nèi)存空間的應(yīng)用，地址空間可限制為1M字節(jié)、256K字節(jié)或64K字節(jié)。使用16M字節(jié)的地址空間時(shí)，Port 4輸出所有8條地址線；否則，輸出4條、2條或不輸出地址線。片選信號(hào)的時(shí)序也可進(jìn)行編程設(shè)置，復(fù)位后，CSx線在ALE上升沿后半個(gè)CPU時(shí)鐘周期改變；將SYSCON寄存器的CSCFG位置1后，CSx線在ALE上升沿改變。READY引腳的有效電平可通過BUSCONx寄存器的RDYPOL位設(shè)置。當(dāng)為特定地址窗口啟用READY功能時(shí)，該窗口內(nèi)的每個(gè)總線周期都必須以關(guān)聯(lián)BUSCON寄存器中RDYPOL位定義的有效電平結(jié)束。

（四）中斷系統(tǒng)

ST10R167的中斷響應(yīng)時(shí)間為200ns至480ns，其架構(gòu)支持多種機(jī)制，可快速靈活地響應(yīng)來自微控制器內(nèi)部或外部的各種服務(wù)請求。這些中斷請求可由中斷控制器或外設(shè)事件控制器（PEC）處理。與標(biāo)準(zhǔn)的中斷服務(wù)不同，PEC服務(wù)只需從當(dāng)前CPU活動(dòng)中“竊取”一個(gè)周期，就能在任意兩個(gè)內(nèi)存位置之間進(jìn)行單字節(jié)或字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸，并對(duì)PEC源或目標(biāo)指針進(jìn)行增量操作。除了連續(xù)傳輸模式外，每次PEC服務(wù)都會(huì)隱式遞減一個(gè)單獨(dú)的PEC傳輸計(jì)數(shù)器。當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到零時(shí)，會(huì)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)中斷，跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)源相關(guān)的向量位置。PEC服務(wù)非常適合支持?jǐn)?shù)據(jù)塊的傳輸或接收，ST10R167擁有8個(gè)PEC通道，每個(gè)通道都具備這種快速中斷驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)傳輸能力。每個(gè)中斷源都有一個(gè)專用的中斷控制寄存器，包含中斷請求標(biāo)志、中斷使能標(biāo)志和中斷優(yōu)先級(jí)位字段。通過該寄存器，每個(gè)源可被編程為16個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)之一。一旦CPU開始處理一個(gè)中斷服務(wù)，只有更高優(yōu)先級(jí)的服務(wù)請求才能中斷它。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)中斷處理，每個(gè)可能的中斷源都有一個(gè)專用的向量位置。此外，還提供了快速外部中斷輸入，用于處理對(duì)精度要求較高的外部中斷，這些輸入具有可編程的邊沿檢測功能（上升沿、下降沿或雙邊沿）。軟件中斷通過“TRAP”指令結(jié)合單獨(dú)的陷阱（中斷）編號(hào)來支持。

（五）捕獲/比較（CAPCOM）單元

ST10R167有兩個(gè)16通道的CAPCOM單元，可支持在最多32個(gè)通道上生成和控制時(shí)序序列，在25MHz CPU時(shí)鐘下，最大分辨率可達(dá)320ns。這些單元通常用于處理高速I/O任務(wù)，如脈沖和波形生成、脈沖寬度調(diào)制（PMW）、數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換、軟件定時(shí)或相對(duì)于外部事件的時(shí)間記錄。四個(gè)16位定時(shí)器（T0/T1, T7/T8）及其重載寄存器為捕獲/比較寄存器陣列提供了兩個(gè)獨(dú)立的時(shí)間基準(zhǔn)。定時(shí)器的輸入時(shí)鐘可編程為內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘的多個(gè)預(yù)分頻值，也可從GPT2模塊中定時(shí)器T6的溢出/下溢信號(hào)導(dǎo)出。此外，CAPCOM定時(shí)器T0和T7的外部計(jì)數(shù)輸入允許相對(duì)于外部事件對(duì)捕獲/比較寄存器進(jìn)行事件調(diào)度。每個(gè)捕獲/比較寄存器陣列包含16個(gè)雙用途捕獲/比較寄存器，每個(gè)寄存器可單獨(dú)分配給CAPCOM定時(shí)器T0或T1（分別對(duì)應(yīng)T7或T8），并可編程為捕獲或比較功能。每個(gè)寄存器都有一個(gè)關(guān)聯(lián)的端口引腳，用于觸發(fā)捕獲功能的輸入引腳，或用于指示比較事件發(fā)生的輸出引腳（CC24...CC27除外）。當(dāng)捕獲/比較寄存器被選擇為捕獲模式時(shí)，分配定時(shí)器的當(dāng)前內(nèi)容將在與該寄存器關(guān)聯(lián)的端口引腳發(fā)生外部事件時(shí)被鎖存（捕獲）到該寄存器中。此外，還會(huì)為該捕獲/比較寄存器生成一個(gè)特定的中斷請求?？蛇x擇引腳的正、負(fù)或正負(fù)外部信號(hào)轉(zhuǎn)換作為觸發(fā)事件。所有被選擇為五種比較模式之一的寄存器的內(nèi)容會(huì)不斷與分配定時(shí)器的內(nèi)容進(jìn)行比較。當(dāng)定時(shí)器值與捕獲/比較寄存器中的值匹配時(shí)，將根據(jù)所選的比較模式采取特定的操作。

（六）通用定時(shí)器單元

通用定時(shí)器單元（GPT）是一個(gè)靈活的多功能定時(shí)器/計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)，用于與時(shí)間相關(guān)的任務(wù)，如事件定時(shí)和計(jì)數(shù)、脈沖寬度和占空比測量、脈沖生成或脈沖倍頻。GPT單元包含五個(gè)16位定時(shí)器，分為兩個(gè)獨(dú)立的模塊GPT1和GPT2。每個(gè)模塊中的每個(gè)定時(shí)器可獨(dú)立工作于多種不同模式，也可與同一模塊中的另一個(gè)定時(shí)器級(jí)聯(lián)。

1. GPT1：GPT1模塊的三個(gè)定時(shí)器T2、T3、T4可分別配置為四種基本操作模式之一：定時(shí)器模式、門控定時(shí)器模式、計(jì)數(shù)器模式和增量接口模式。在定時(shí)器模式下，定時(shí)器的輸入時(shí)鐘由CPU時(shí)鐘除以可編程預(yù)分頻器得到；在計(jì)數(shù)器模式下，定時(shí)器由外部事件時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)；門控定時(shí)器模式支持脈沖寬度或占空比測量，定時(shí)器的操作由外部輸入引腳上的“門”電平控制。每個(gè)定時(shí)器都有一個(gè)關(guān)聯(lián)的端口引腳（TxIN），作為門或時(shí)鐘輸入。定時(shí)器的計(jì)數(shù)方向（向上/向下）可通過軟件編程，也可通過端口引腳上的外部信號(hào)動(dòng)態(tài)改變。在增量接口模式下，GPT1定時(shí)器（T2, T3, T4）可通過其各自的輸入TxIN和TxEUD直接連接到增量位置傳感器信號(hào)A和B。方向和計(jì)數(shù)信號(hào)從這兩個(gè)輸入信號(hào)中內(nèi)部導(dǎo)出，使相應(yīng)定時(shí)器Tx的內(nèi)容對(duì)應(yīng)于傳感器位置。第三個(gè)位置傳感器信號(hào)TOP0可連接到中斷輸入。定時(shí)器T3具有輸出翻轉(zhuǎn)鎖存器（TxOTL），在每次定時(shí)器溢出/下溢時(shí)改變狀態(tài)。該鎖存器的狀態(tài)可通過端口引腳（TxOUT）輸出，用于監(jiān)控外部硬件組件的超時(shí)，也可用于內(nèi)部為定時(shí)器T2和T4提供時(shí)鐘，以實(shí)現(xiàn)長時(shí)間周期的高分辨率測量。除了基本操作模式外，定時(shí)器T2和T4還可配置為定時(shí)器T3的重載或捕獲寄存器。當(dāng)用作捕獲或重載寄存器時(shí)，定時(shí)器T2和T4停止工作。定時(shí)器T3的內(nèi)容在其關(guān)聯(lián)輸入引腳（TxIN）接收到信號(hào)時(shí)被捕獲到T2或T4中。定時(shí)器T3可由外部信號(hào)或其翻轉(zhuǎn)鎖存器T3OTL的可選狀態(tài)轉(zhuǎn)換觸發(fā)，重新加載T2或T4的內(nèi)容。當(dāng)T2和T4配置為在T3OTL的相反狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)交替重載T3時(shí)，可在無需軟件干預(yù)的情況下持續(xù)生成PWM信號(hào)。
2. GPT2：GPT2模塊用于精確的事件控制和時(shí)間測量，包括兩個(gè)定時(shí)器（T5, T6）和一個(gè)捕獲/重載寄存器（CAPREL）。兩個(gè)定時(shí)器的輸入時(shí)鐘可由CPU時(shí)鐘通過可編程預(yù)分頻器得到，也可使用外部信號(hào)。定時(shí)器的計(jì)數(shù)方向（向上/向下）可通過軟件編程，也可通過端口引腳上的外部信號(hào)動(dòng)態(tài)改變。定時(shí)器可通過定時(shí)器T6的輸出翻轉(zhuǎn)鎖存器（T6OTL）級(jí)聯(lián)，該鎖存器在每次定時(shí)器溢出/下溢時(shí)改變狀態(tài)。該鎖存器的狀態(tài)可用于為定時(shí)器T5提供時(shí)鐘，也可通過端口引腳（T6OUT）輸出。定時(shí)器T6的溢出/下溢信號(hào)還可用于為CAPCOM定時(shí)器T0或T1提供時(shí)鐘，并觸發(fā)從CAPREL寄存器的重載操作。CAPREL寄存器可根據(jù)相應(yīng)端口引腳（CAPIN）上的外部信號(hào)轉(zhuǎn)換捕獲定時(shí)器T5的內(nèi)容，捕獲過程完成后，可選擇清除定時(shí)器T5。這允許在無需軟件開銷的情況下測量絕對(duì)時(shí)間差或執(zhí)行脈沖倍頻。捕獲觸發(fā)（定時(shí)器T5到CAPREL）也可在GPT1定時(shí)器T3的輸入T3IN和/或T3EUD發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)生成，這在T3工作于增量接口模式時(shí)非常有用。

（七）PWM模塊

脈沖寬度調(diào)制（PWM）模塊可使用邊沿對(duì)齊或中心對(duì)齊的PWM生成多達(dá)四個(gè)PWM輸出信號(hào)，還可生成PWM突發(fā)信號(hào)和單觸發(fā)輸出。輸出信號(hào)的電平可選擇，并且PWM模塊可以生成中斷請求。該模塊在不同分辨率下的PWM頻率如下表所示：

（八）并行端口

ST10R167提供多達(dá)111個(gè)I/O線，分為八個(gè)輸入/輸出端口和一個(gè)輸入端口。所有端口線都可進(jìn)行位尋址，所有輸入/輸出線都可通過方向寄存器單獨(dú)（逐位）編程為輸入或輸出。當(dāng)配置為輸入時(shí)，I/O端口會(huì)切換到高阻抗?fàn)顟B(tài)。五個(gè)I/O端口的輸出驅(qū)動(dòng)器可通過控制寄存器逐引腳配置為推挽或開漏操作。在內(nèi)部復(fù)位期間，所有端口引腳都配置為輸入。Port 2、Port 3、Port 7和Port 8的輸入閾值可選擇（TTL或類CMOS），類CMOS輸入閾值通過輸入滯后特性降低了噪聲敏感性。輸入閾值通過PICON寄存器中專門用于8個(gè)輸入引腳塊的位進(jìn)行選擇（Port2用2位，Port3用2位，Port7用1位，Port8用1位）。所有I/O端口的引腳還支持可選的可編程功能：Port0和Port1可在訪問外部內(nèi)存時(shí)用作地址和數(shù)據(jù)線；Port 2、Port 7和Port 8與CAPCOM單元的捕獲輸入或比較輸出和/或PWM模塊的輸出相關(guān)聯(lián)；Port 3包含定時(shí)器、串行接口、可選總線控制信號(hào)BHE和系統(tǒng)時(shí)鐘輸出（CLKOUT）的備用功能；Port 4在啟用分段訪問超過64K字節(jié)內(nèi)存的系統(tǒng)中輸出額外的段地址位A16到A23；Port 5用作A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入通道或定時(shí)器控制信號(hào)；Port 6提供可選的總線仲裁信號(hào)（BREQ, HLDA, HOLD）和片選信號(hào)。所有未用于備用功能的端口線都可用作通用I/O線。

（九）A/D轉(zhuǎn)換器

片上集成了一個(gè)10位A/D轉(zhuǎn)換器，具有16個(gè)多路復(fù)用輸入通道和一個(gè)采樣保持電路。采樣時(shí)間（用于加載電容器）和轉(zhuǎn)換時(shí)間可進(jìn)行編程設(shè)置，以適應(yīng)外部電路。過沖錯(cuò)誤檢測/保護(hù)由ADDAT寄存器控制。當(dāng)在下次轉(zhuǎn)換完成時(shí)，前一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果尚未從結(jié)果寄存器中讀取時(shí)，可選擇生成中斷請求，或暫停下次轉(zhuǎn)換，直到前一次結(jié)果被讀取。對(duì)于需要少于16個(gè)模擬輸入通道的應(yīng)用，剩余的通道輸入可作為數(shù)字輸入端口引腳使用。該AD轉(zhuǎn)換器支持以下不同的轉(zhuǎn)換模式：

1. 單通道單次轉(zhuǎn)換：對(duì)所選通道的模擬電平進(jìn)行一次采樣并轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)在ADDAT寄存器中。
2. 單通道連續(xù)轉(zhuǎn)換：對(duì)所選通道的模擬電平進(jìn)行重復(fù)采樣和轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)在ADDAT寄存器中。
3. 自動(dòng)掃描單次轉(zhuǎn)換：對(duì)所選通道的模擬電平進(jìn)行一次采樣和轉(zhuǎn)換，每次轉(zhuǎn)換后，結(jié)果存儲(chǔ)在ADDAT寄存器中。數(shù)據(jù)可通過中斷軟件管理或強(qiáng)大的外設(shè)事件控制器數(shù)據(jù)傳輸功能傳輸?shù)絉AM中。
4. 自動(dòng)掃描連續(xù)轉(zhuǎn)換：對(duì)所選通道的模擬電平進(jìn)行重復(fù)采樣和轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)在ADDAT寄存器中。數(shù)據(jù)可通過中斷軟件管理或強(qiáng)大的外設(shè)事件控制器數(shù)據(jù)傳輸功能傳輸?shù)絉AM中。
5. 等待ADDAT讀取模式：在使用連續(xù)模式時(shí)，為避免當(dāng)前轉(zhuǎn)換結(jié)果被下一次轉(zhuǎn)換覆蓋，必須激活ADCON控制寄存器的ADWR