胡子陽

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

單片機復用設計技術(shù)研究

胡子陽

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

集成電路產(chǎn)業(yè)沿著摩爾定律高速發(fā)展，工藝水平每兩年升級換代一次，由此導致了元器件行業(yè)的高速發(fā)展，也帶來了快速的更新?lián)Q程。然而許多應用要求集成電路要長期穩(wěn)定工作，不希望元器件更新速度太快以至于提高系統(tǒng)潛在風險，這就與元器件生命周期越來越短形成了矛盾，在單片機方面，由于早期MCS51架構(gòu)單片機品種眾多而且需求量大，此種問題尤其嚴重。技術(shù)上需要利用新的工藝技術(shù)，使已有的單片機通過復用擴展，設計出可以同時替代多款單片機的集成電路產(chǎn)品，以滿足應用需求。利用L89C51RD2單片機，結(jié)合flash可配置的特點，設計了一款單片機產(chǎn)品，可以靈活配置其功能，從而實現(xiàn)對多個系列MCS51架構(gòu)單片機的替代。

L89C51RD2設計；CMOS工藝；MCS51架構(gòu)；單片機；復用技術(shù)；硬件兼容

1　引　言

隨著集成電路的高速發(fā)展，集成電路的升級換代越來越快，早期經(jīng)典MCS51系列產(chǎn)品已經(jīng)退出市場，這與許多裝備要求的長期穩(wěn)定供應形成矛盾。利用現(xiàn)有技術(shù)基礎，設計完成一款單片機產(chǎn)品，該產(chǎn)品能夠兼容大多數(shù)早期MCS51單片機產(chǎn)品，為各類裝備持續(xù)供應和維護提供了一種可借鑒手段。

2　總體方案

MCS51架構(gòu)來源于Intel，在Intel公司完成該單片機架構(gòu)后，進行了架構(gòu)公開，這樣就允許其它公司也利用MCS51架構(gòu)設計單片機產(chǎn)品。在12時鐘架構(gòu)的單片機產(chǎn)品系列中，應用最廣泛的就是Philips公司和Atmel公司的產(chǎn)品。

L89C51RD2采用0.18μm CMOS工藝設計制造，內(nèi)部包含64KBflash和1KBRAM，其工作頻率最高可達40MHz，從性能上講，該款單片機產(chǎn)品具備兼容早期單片機的基礎。由于采用了0.18μm工藝平臺進行設計生產(chǎn)，該產(chǎn)品的生命周期更長。

L89C51RD2可直接替代Philips公司的P89C51RD2產(chǎn)品，并且質(zhì)量等級更高。在L89C51RD2的基礎上開展設計技術(shù)研究，目標是能夠替代AT89S52系列單片機產(chǎn)品和P89V51RD2系列產(chǎn)品。下面列舉各個單片機的不同點，以便開展替代設計工作，如表1所示。

表1　各個公司MCS51產(chǎn)品對比

3　設計

L89C51RD2采用0.18μm工藝進行設計，其端口性能和頻率性能已經(jīng)做了優(yōu)化，實際性能已經(jīng)達到和超越了P89C51RD2，可以對P89C51RD2完全替代，因此設計的主要目的是要同時兼容和替代P89V51RD2和AT89S52。

要想替代P89V51RD2，需要在兩個功能上進行設計，一個是SPI接口。這個接口在P1.4－P1.7端口復用，設計時不僅要在端口上增加電路，還需要在SFR區(qū)的D5H，AAH，86H，81H四個地址增加特殊功能寄存器，并且在中斷23H入口地址，增加SPI中斷向量，這部分功能是新增功能，通過verilog語言設計的電路來實現(xiàn)。另一個功能是上電后的ISP功能。L89C51RD2的ISP功能，是首先對PSEN置0，然后進行RESET復位，讓程序區(qū)進入FC00H的ISP里面［4］。P89V51RD2的做法，是首先在上電復位時，先完成對FCF寄存器（B1H地址）的清零，然后改寄存器的啟動功能，保證在復位完成后，首先程序區(qū)進入和用戶程序區(qū)相重疊的Boot程序區(qū)。在這個8KB程序區(qū)，程序檢測串行口，如果發(fā)現(xiàn)串行口有“U”字符出現(xiàn)，即進入ISP狀態(tài)，執(zhí)行ISP擦除和下載操作，如果沒有發(fā)現(xiàn)串口，則在400ms后退出Boot程序區(qū)，切換回用戶程序區(qū)，并從0000H地址開始執(zhí)行用戶指令。這部分功能的設計，通過軟件來實現(xiàn)，首先定義L89C51RD2的Boot字節(jié)不為0，這樣上電以后，就直接從FC00H地址開始執(zhí)行。此處設計400ms的校驗程序，然后根據(jù)端口是否出現(xiàn)“U”來判斷是否退出啟動下載程序。

要想替代AT89S51系列單片機，需要L89C51RD2增加SPI接口實現(xiàn)ISP的功能。AT89S52系列單片機的ISP編程接口，沒有選擇UART，而是直接復用了P1.5、P1.6、P1.7三個端口。在上電復位時，三個端口有ISP功能，可以接收編程允許命令，一旦編程允許命令被收到，器件就進入到ISP編程環(huán)境里，可以通過上位機控制串行編程器對器件編程［5］。L89C51RD2為P89V51RD2新增的SPI功能，可以覆蓋這個SPI接口功能，只要保證此時的SPI功能不會出現(xiàn)中斷等信息，就能夠?qū)崿F(xiàn)嵌入。嵌入以后，還要有專門的程序緩沖區(qū)和flash編程接口，以便對flash進行在系統(tǒng)編程。最終完成的設計框圖如圖1所示。

圖1　SPI接口部分設計框圖

在完成各個模塊設計和整體設計后，還要完成選擇設計，即改進的L89C51RD2需要一個選擇功能，以便復用成不同的器件。這里面用到了flash的NVRb區(qū)。Flash的NVRb區(qū)專門為芯片設計者使用，一般不提供給用戶。在此程序區(qū)里面，可以存放出廠信息和初始化信息，也包括芯片選擇的信息。L89C51RD2在上電以后，會從NVRb區(qū)讀取三個字節(jié)作為初始化數(shù)據(jù)，這里面我們利用這個初始化數(shù)據(jù)，直接設定芯片選擇位，從而實現(xiàn)產(chǎn)品的軟件選擇和出廠選擇設定［6］。芯片復用選擇的功能框圖如圖2所示。

圖2　NVRB區(qū)選擇功能框圖

4　仿真及流片結(jié)果

設計完成后，通過數(shù)字平臺和混合信號平臺，對設計進行了仿真分析［7］，仿真波形如圖3所示。，在上電過程中，rst還保持高電平時，即讀取NVRb區(qū)內(nèi)容，從而確定當前芯片采用的是哪種功能。仿真結(jié)果表明，通過flash的NVRb區(qū)讀取，器件先后執(zhí)行了L89C51RD2的功能、P89V51RD2的功能和AT89S52的功能，證明器件復用的方法可行。

圖3　部分仿真波形

流片結(jié)果顯示，改進型L89C51RD2達到了預期設計指標，并且電路的工作頻率能夠達到高于AT89S52的水平。在用戶整機試用中，能夠?qū)崿F(xiàn)對AT89S52等單片機電路的插拔替代，并且由于內(nèi)部flash容量和RAM容量更大，對系統(tǒng)升級也有幫助。

5　結(jié)束語

隨著集成電路的高速發(fā)展，集成電路產(chǎn)品的升級換代速度越來越快，這就對一些需要長期穩(wěn)定供貨的場合提出了挑戰(zhàn)。為解決這個問題，在先進的集成電路工藝上，完成多款老產(chǎn)品的歸一化平臺設計，無疑為這個問題找到了一個圓滿的解決方案［8］。

同時，隨著集成電路生產(chǎn)能力的提升，集成成本越來越低，同一個產(chǎn)品越來越傾向于同一平臺。但從市場角度看，卻要求產(chǎn)品能夠多樣化，層次化，所以集成電路復用設計技術(shù)的研究，不僅面向老產(chǎn)品的問題解決，也能夠?qū)π庐a(chǎn)品的市場定位，起到重要的促進作用。

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Research on Microcontroller Multi－in－One Design Technology

Hu Ziyang
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

With the rapid development of IC industry，according to Moore＇s Law，the process will upgrade each two years to increase the development of IC chip.But some applications still need stable and long term working rather than the higher upgrade for preventing the system from the potential risks.In Single－Chip－Microcontroller field，this problem is more serious because MCS51 chips have more types and are in great demand.A new process technology is required to introduce a flexible product based on L89C51RD2 microcontroller and some features of flash.It can be configured to replace multi－series microcontroller with MCS51 architecture.

L89C51RD2；CMOS；MCS51；SCM；Flexible Technology；Hardware Compatible

10.3969／j.issn.1002－2279.2016.01.004

TN492

B

1002－2279（2016）01－0015－03

胡子陽（1978－），男，遼寧省鐵嶺市人，高級工程師，碩士研究生，主研方向：集成電路設計與應用。

2015－08－28