S1C33 - EPSON 32 位单片机系列讲座一 EPSON 32 位单片机简述单片机作为嵌入式设备的 心脏 在从消费电子到工业应用等广泛的领域中得到应用 从单片机的历史来看 随着嵌入式设备对单片机功能和性能的要求提高 其经历了从 4 位机到 8 位机的发展过程 目前嵌入式产品的不断发展8 bit 单片机的处理能力面对越来越多的挑战 而 32 bit 单片机以其强大运算处理能力在嵌入式领域得到越来越多的应用 根据市场的发展 EPSON 公司推出了最新的 32 位 MCU( Microcontroller Unit ) S1C33 系列 其特点是高速 低功耗 低电压操作 是专为需要高级数据处理的便携式设备设计的S1C33 系列以精工爱普生 SEIKO EPSON 自主开发的 CMOS 32 位 RISCCPU 为核心 加上不同的外围电路制成多种型号的 MCU 例如 S1C33S01 精简型 S1C33209 内置 A/D S1C33205 支持 SDRAM S1C33L01,S1C33L03 内置液晶控制器等等 S1S60K 内置 TCP/IP 这些产品可以应用于不同的领域 掌上电脑 PDA 移动信息终端 网络设备 办公室 OA 设备 PC 接口设备智能玩具 GPS 应用 下面我们将具体介绍一下 EPSON 32 位单片机的特点1 强大的 CPU 内核S1C33 采用 RISC 精简指令集 结构 三级流水线 105 条 16 位长指令 其大多数指令在一个时钟周期内执行 大大提高了指令的执行效率地址总线 28 条 线性寻址 256MB 编程方便 当 S1C33 工作在 60MHz 时其性能可到 60MIPS 在 CPU 架构中 也采用了多种设计以提高 CPU 的性能a) Harvard (哈佛 )架构 内部 RAM 为独立总线 在操作内部 RAM 时可起到高速缓存的作用 而且可实现同时存取内外部存储器 提高系统效率有效的利用内部 RAM 和 Harvard 结构可大大提高指令执行效率 使 S1C33可进行复杂运算b) 简单的内部 DSP 功能 S1C33 内部有一个 16X16+64bit 的硬件乘加器 用专用 MAC 乘加 指令进行操作 使用户可方便的实现卷积等一定的 DSP 运算 利用此硬件乘加器结合 EPSON 提供的标准 Middleware 中间软件 JPEG33 VOX33 可实现图像和语音的压缩及解压缩2 丰富的周边电路除了强大的 CPU 内核外 S1C33 的周边电路也很有特色 考虑到对嵌入式芯片 SOC System On Chip 的要求 EPSON 公司在设计中在单片机内集成了许多周边电路 用户在开发中 基本不需增加许多外部器件就可构成完整的系统 大大减少了系统成本和设计复杂度以 S1C33209 为例包括 8K SRAM 直接内存存取控制器 DMAC 中断控制器 ITC 可编程定时器计数器 Programmable Timer 脉宽调制电路 PWM 串行接口电路 SIO A/D 转换器 IrDA1.0 编译码电路等等 还包含高速的晶振电路 OSC3 锁相环 PLL 低速晶振电路 OSC1 以及一个实时时钟 其结构如图一所示图一以 S1C33209 设计 PDA 为例图二3 良好的性价比S1C33 CPU 核非常小 逻辑门数在 100K 左右 并采用 0.35um 及以上加工工艺 使 CPU core 占用的芯片的面积较小 以达到良好的性价比4 低功耗省能源 一直是 EPSON 公司设计集成电路的宗旨 在 S1C33 的设计中 EPSON 设计人员结合 EPSON 半导体工艺 配合电路中的省电设计 以满足便携式设备对供电的要求a) S1C33 CPU支持三种类型的省电模式 两种 HALT 模式和一种 SLEEP模式 如 图三 所示正常模式HALTHALT2SLEEP后备模式测试模式调试模式高低功耗图 3_2 CPU模式及功耗l HALT 模式l 利用内置 A/D 支持触摸屏l 用 GPIO 实现软件 LCDCl 内置两个 UART 其中一路UART 带 IrDA 解码器 可分别支持 PC 通讯和红外线IrDA 传输l 16bit 定时器可设置成 PWM输出 可作为语音输出无需众多外围器件 即可实现整个 PDA 方案图三CPU 支持两种类型的 HALT 模式 基本 HALT 模式和 HALT2 模式在 HALT 模式 下 CPU 停止运转 该模式常用于不需要 CPU 执行的情况 如等待外部输入HALT2 模式下 不但 CPU 停止运转 包括 DMA 和总线时钟在内的外部总线控制功能也被停止 HALT2 比 HALT 更省电 该模式用于既不需要 CPU 执行 外围电路操作又已完成的情况l SLEEP 模式一旦执行了 SLP 指令 CPU 将挂起运行程序并进入 SLEEP 模式 该模式下 CPU 和包括高速晶振电路 OSC3 在内的内部外围电路将停止操作 因此 SLEEP 模式比 HALT 模式更节能 此时 低速晶振电路 OSC1和时钟定时器不停 保持了时钟功能b) 时钟电路设计图四在芯片工作时 功耗和工作频率成比例关系 频率越高 功耗越大 而芯片工作时 各个功能模块所需工作的频率是不一样的 在 S1C33 中时钟电路设计有一预分频器 PSC 时钟信号经预分频器分频输出合适的工作频率到 Timer,SIO, AD 这样一来芯片每个功能模块都工作在合适的频率上 系统功耗可降到最低 对 CPU 时钟来说 OSC3 主时钟可通过寄存器由软件设置实现 CPU 降频处理 而且由于 S1C33 采用双时钟工作 OSC3 高频时钟 OSC1 低频时钟在无需高速工作时 CPU 时钟可切换到 OSC1 低频时钟 使功耗降到最低OSC1 低频时钟一般工作在 32.768KHz 输出到 Clock Timer,实现实时时钟RTC 的功能 OSC1 在 SLEEP 模式下也不停振 使实时时钟 RTC 独立于 CPU 工作5 独特的 ASIC Micro 门阵结构 CPU随着嵌入式系统的发展 用户对 System On Chip (SOC)的要求越来越高但同时不同的用户根据自己的不同要求 对芯片的周边电路的要求也不尽相同 有的用户要求有 USB 接口 有的用户要求有 IrDA 而且用户可能会有许多特定电路的要求 但一般的单片机设计完成后 其所有电路也就确定了 无法再变动了 如果用户要求增加功能 只能设计一款新的芯片但这样所需的开发时间和开发费用是一般用户所难以承受的S1C33 是基于 ASIC Micro 设计的芯片 其结构如图五图五电路委托 EPSON 公司以 ASIC 掩膜方式掩膜上去 如 LCD 控制器SDRAM 控制器等等 同时 EPSON 公司还可以提供各种标准 ASIC IP供用户选择 如 USB IEEE1394, LCDC 这样用户就可以在很短的时间内 以较小的代价实现自己的专用 SOC 芯片6 便捷的开发环境a) 硬件工具学过数字逻辑的人知道 对数字电路设计来说 任何复杂的数字电路 我们都可以将其转化为最简单的与非门单元所组成的电路S1C33 就具有这样的结构 如左图中绿色的小方格相当于一个简单的与非门单元许多与非门单元就构成了所谓的 门海SOG Sea Of Gate S1C33 Core CPU 和周边电路都是用与非门单元组成的 ASIC 宏单元 这样的设计使 S1C33 在芯片设计上有很大的灵活性 以 S1C33209 为例 在芯片内部有用户可以自定义的 20K 门阵列Gate Array 电路 ,用户可以把自己设 计的图六32bit 单片机的开发工作量相较 8 位单片机增加很多 参加一个项目开发的工程师可能需要好几位 EPSON 提供了高低搭配的开发工具以支持用户开发ICD33 是 JTAG 方式的仿真工具 通过 7 pin 仿真口和目标板连接 再通过串口 为加快通讯 速度 可同时使用并口 与 PC 相连 这是最高配置的系统 可完成所有仿真功能 为了降低用户开发成本 EPSON 公司也正在开发 ICD33LP - 低成本的 ICD33 以使 S1C33 成为人人都可开发的 32 位单片机MON33 是 PC 仿真方式的开发工具 在使用时必需先下载MON33 驻机程序到芯片内 需占用一部分芯片资源 且不能使用Trace 等指令 但以 PC 仿真方式进行开发 无需在线仿真器支持很适合用于应用软件开发这种高低搭配的开发方式 可以让多个工程师并行开发缩短开发时间和减少开发成本b) 软件工具EPSON C33 开发工具链是 EPSON 公司专门为开发基于 S1C33 系列 CPU 的嵌入式产品所提供的集成开发环境 它包括 C33 编译器 DB33调试器 Software Simulator 使用该环境 既可以从事交叉开发 又可以进行多种形式的仿真开发 可以充分满足各类用户的需要 :有两个集成环境 一个是 WB33, 内含 C 语言及汇编语言编译器汇编 链接 定位的所有工具 极高的 C 代码编译效率 还提供一些辅助工具 包括库管理工具 反汇编工具 文件格式转换工具等 提供ANSI C 及浮点仿真库 使用极为方便 另一个是功能强大的调试环境DB33, 支持源码级调试 可以查看修改所有寄存器的值及任意地址内存的值 变量跟踪 支持多种断点方式 指令执行时间检测 支持闪存的擦写 强大的指令跟踪功能 提供一命令窗口 所有调试命令可以在该窗口输入并执行 还提供所有调试命令的使用帮助在今年 EPSON 公司还将推出基于 GNU 的 GCC 开发平台 以支持Linux 系统的开发7 解决方案和软件平台目前市场竞争激烈 情况瞬息万变 新产品的开发周期大大缩短而同时系统的复杂度大大增加 工程师的工作量也大大增加 目前对一个单片机来说 光提供一个芯片是不行的 工程师需要的是一个解决方案 包括软硬件两方面 其中软件的工作量又往往大于硬件工作量针对这种情况 EPSON 公司基于 S1C33 为用户提供了 PDA 智能手机GPS 系统等解决方案 包括参考硬件设计和全套软件包 以帮助用户占得市场先机 下面就以 PDA 为例 了解 S1C33 构成解决方案图七图八 . S1C33 PDA Demo 板在此系统中 由 S1C33 32bit 单片机EPSON 160X240 点阵液晶模块 Memory(Flash+SRAM)构成硬件平台在软件方面 操作系统配合第三方软件 手写识别 电子字典 构成软件方案在此基础上 用户只需开发自己的应用程序即可 这对用户来说可达到事半功倍的效果软件对开发 32 位机来说是至关重要的 EPSON 公司自主开发了大量的 Middleware(中间软件 ) 同时配合合作伙伴移植了大量第三方软件 构成了 S1C33 完整的软件平台从低层硬件驱动 到操作系统 Middleware,协议栈 S1C33 软件平台让工程师得到全面的支持8 强大的开发平台由于 MCU 系统的开发需要花费很长的一段时间去熟悉很多东西 包括MCU 本身 软件编译调试环境 硬件调试工具 做目标板等等 为方便广大工程技术人员熟悉 S1C33 的开发 EPSON 公司很快将推出 C33STAR 标准 S1C33 开发板此开发板以 S1C33209 为核心芯片 板上带有 Flash 和 SRAM 同时支持 ICD33 在线仿真器 和 MON33 PC 仿真 方式 配上所有的底层驱图八图九动程序 演示程序 以及相应的文档及源代码 帮助工程师快速熟悉 S1C33单片机 有关此开发板 以后会有专题介绍 敬请留意EPSON 公司在北京 上海 深圳都有分公司 每个公司都有工程师队伍对用户就近进行全面的技术支持