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

在電子設計的廣闊領域中，微控制器（MCU）一直是各類應用的核心。今天，我們要深入探討的是意法半導體（STMicroelectronics）ST10系列中的一顆璀璨之星——ST10R167 16位無ROM微控制器。它結合了高性能CPU、豐富的外設功能和強大的I/O能力，為眾多應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，具備高達每秒1250萬條指令的CPU性能，同時擁有豐富的外設功能和強大I/O能力。通過片內(nèi)PLL實現(xiàn)高速RAM和時鐘生成。這種高性能與多功能的結合，使其在工業(yè)控制、汽車電子、消費電子等領域都有廣泛的應用前景。

二、芯片架構與特性

（一）高性能CPU

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

（二）內(nèi)存組織

ST10R167采用馮·諾依曼架構，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)的擴展RAM（單端口XRAM）。內(nèi)部RAM可作為數(shù)據(jù)存儲、系統(tǒng)堆棧、通用寄存器組和代碼存儲的空間，寄存器組最多可包含16個字寬（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，可像訪問外部內(nèi)存一樣以16位解復用總線模式進行訪問，且無等待狀態(tài)或讀寫延遲（在25MHz CPU時鐘下訪問時間為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，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，啟用時需設置SYSCON寄存器的XPEN位2，訪問時使用解復用地址和16位數(shù)據(jù)總線（支持字節(jié)訪問），在25MHz CPU時鐘下，需兩個等待狀態(tài)，訪問時間為160ns。如果使用CAN模塊，Port 4只能輸出4條段地址線，這會將外部內(nèi)存空間減少到5M字節(jié)（每個CS線對應1M字節(jié)）。為滿足設計中對更多內(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）可實現(xiàn)所有外部內(nèi)存的訪問操作。它可以設置為單芯片模式（無需外部內(nèi)存時）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)的解復用和復用模式，以及16/18/20/24位地址和8位數(shù)據(jù)的解復用和復用模式。在解復用總線模式下，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。外部總線接口的時序特性（如內(nèi)存周期時間、內(nèi)存三態(tài)時間、ALE長度和讀寫延遲）可進行編程設置，以適應不同的存儲器和外部外設。通過寄存器對ADDRSELx / BUSCONx最多可定義4個獨立的地址窗口，用于訪問不同的資源，并設置不同的總線特性。這些地址窗口采用分層結構，BUSCON4優(yōu)先級高于BUSCON3，BUSCON2優(yōu)先級高于BUSCON1，未被這4個地址窗口覆蓋的所有訪問都由BUSCON0控制。最多可生成5個外部CS信號（4個窗口加默認信號），以節(jié)省外部膠合邏輯。通過“Ready”功能支持對非常慢速的存儲器的訪問，還提供HOLD/HLDA協(xié)議用于總線仲裁，與其他總線主設備共享外部資源?？偩€仲裁通過設置SYSCON寄存器的HLDEN位來啟用，啟用后，引腳P6.7...P6.5（BREQ, HLDA, HOLD）由EBC自動控制。在主模式（復位后默認）下，HLDA引腳為輸出；通過將DP6.7位設置為’1’可選擇從模式，此時HLDA引腳切換為輸入，直接連接從控制器和另一個主控制器，無需膠合邏輯。對于需要較少外部內(nèi)存空間的應用，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，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。片選信號的時序也可進行編程設置，復位后，CSx線在ALE上升沿后半個CPU時鐘周期改變；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位設置。當為特定地址窗口啟用READY功能時，該窗口內(nèi)的每個總線周期都必須以關聯(lián)BUSCON寄存器中RDYPOL位定義的有效電平結束。

（四）中斷系統(tǒng)

ST10R167的中斷響應時間為200ns至480ns，其架構支持多種機制，可快速靈活地響應來自微控制器內(nèi)部或外部的各種服務請求。這些中斷請求可由中斷控制器或外設事件控制器（PEC）處理。與標準的中斷服務不同，PEC服務只需從當前CPU活動中“竊取”一個周期，就能在任意兩個內(nèi)存位置之間進行單字節(jié)或字數(shù)據(jù)傳輸，并對PEC源或目標指針進行增量操作。除了連續(xù)傳輸模式外，每次PEC服務都會隱式遞減一個單獨的PEC傳輸計數(shù)器。當計數(shù)器達到零時，會執(zhí)行標準中斷，跳轉到相應源相關的向量位置。PEC服務非常適合支持數(shù)據(jù)塊的傳輸或接收，ST10R167擁有8個PEC通道，每個通道都具備這種快速中斷驅(qū)動的數(shù)據(jù)傳輸能力。每個中斷源都有一個專用的中斷控制寄存器，包含中斷請求標志、中斷使能標志和中斷優(yōu)先級位字段。通過該寄存器，每個源可被編程為16個中斷優(yōu)先級之一。一旦CPU開始處理一個中斷服務，只有更高優(yōu)先級的服務請求才能中斷它。對于標準中斷處理，每個可能的中斷源都有一個專用的向量位置。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”指令結合單獨的陷阱（中斷）編號來支持。

（五）捕獲/比較（CAPCOM）單元

ST10R167有兩個16通道的CAPCOM單元，可支持在最多32個通道上生成和控制時序序列，在25MHz CPU時鐘下，最大分辨率可達320ns。這些單元通常用于處理高速I/O任務，如脈沖和波形生成、脈沖寬度調(diào)制（PMW）、數(shù)模（D/A）轉換、軟件定時或相對于外部事件的時間記錄。四個16位定時器（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獨立的時間基準。定時器的輸入時鐘可編程為內(nèi)部系統(tǒng)時鐘的多個預分頻值，也可從GPT2模塊中定時器T6的溢出/下溢信號導出。此外，CAPCOM定時器T0和T7的外部計數(shù)輸入允許相對于外部事件對捕獲/比較寄存器進行事件調(diào)度。每個捕獲/比較寄存器陣列包含16個雙用途捕獲/比較寄存器，每個寄存器可單獨分配給CAPCOM定時器T0或T1（分別對應T7或T8），并可編程為捕獲或比較功能。每個寄存器都有一個關聯(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）。當捕獲/比較寄存器被選擇為捕獲模式時，分配定時器的當前內(nèi)容將在與該寄存器關聯(lián)的端口引腳發(fā)生外部事件時被鎖存（捕獲）到該寄存器中。此外，還會為該捕獲/比較寄存器生成一個特定的中斷請求?？蛇x擇引腳的正、負或正負外部信號轉換作為觸發(fā)事件。所有被選擇為五種比較模式之一的寄存器的內(nèi)容會不斷與分配定時器的內(nèi)容進行比較。當定時器值與捕獲/比較寄存器中的值匹配時，將根據(jù)所選的比較模式采取特定的操作。

（六）通用定時器單元

通用定時器單元（GPT）是一個靈活的多功能定時器/計數(shù)器結構，用于與時間相關的任務，如事件定時和計數(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16位定時器，分為兩個獨立的模塊GPT1和GPT2。每個模塊中的每個定時器可獨立工作于多種不同模式，也可與同一模塊中的另一個定時器級聯(lián)。

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

（七）PWM模塊

脈沖寬度調(diào)制（PWM）模塊可使用邊沿對齊或中心對齊的PWM生成多達四個PWM輸出信號，還可生成PWM突發(fā)信號和單觸發(fā)輸出。輸出信號的電平可選擇，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111個I/O線，分為八個輸入/輸出端口和一個輸入端口。所有端口線都可進行位尋址，所有輸入/輸出線都可通過方向寄存器單獨（逐位）編程為輸入或輸出。當配置為輸入時，I/O端口會切換到高阻抗狀態(tài)。五個I/O端口的輸出驅(qū)動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個輸入引腳塊的位進行選擇（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模塊的輸出相關聯(lián)；Port 3包含定時器、串行接口、可選總線控制信號BHE和系統(tǒng)時鐘輸出（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轉換器的模擬輸入通道或定時器控制信號；Port 6提供可選的總線仲裁信號（BREQ, HLDA, HOLD）和片選信號。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轉換器

片上集成了一個10位A/D轉換器，具有16個多路復用輸入通道和一個采樣保持電路。采樣時間（用于加載電容器）和轉換時間可進行編程設置，以適應外部電路。過沖錯誤檢測/保護由ADDAT寄存器控制。當在下次轉換完成時，前一次轉換的結果尚未從結果寄存器中讀取時，可選擇生成中斷請求，或暫停下次轉換，直到前一次結果被讀取。對于需要少于16個模擬輸入通道的應用，剩余的通道輸入可作為數(shù)字輸入端口引腳使用。該AD轉換器支持以下不同的轉換模式：

1. 單通道單次轉換：對所選通道的模擬電平進行一次采樣并轉換，轉換結果存儲在ADDAT寄存器中。
2. 單通道連續(xù)轉換：對所選通道的模擬電平進行重復采樣和轉換，轉換結果存儲在ADDAT寄存器中。
3. 自動掃描單次轉換：對所選通道的模擬電平進行一次采樣和轉換，每次轉換后，結果存儲在ADDAT寄存器中。數(shù)據(jù)可通過中斷軟件管理或強大的外設事件控制器數(shù)據(jù)傳輸功能傳輸?shù)絉AM中。
4. 自動掃描連續(xù)轉換：對所選通道的模擬電平進行重復采樣和轉換，轉換結果存儲在ADDAT寄存器中。數(shù)據(jù)可通過中斷軟件管理或強大的外設事件控制器數(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，為避免當前轉換結果被下一次轉換覆蓋，必須激活ADCON控制寄存器的ADWR