內(nèi)含CalmRISC CPU的８位單片機(jī)S3CK215及其應(yīng)用

    摘要：C3CK215是韓國(guó)三星公司生產(chǎn)的8－bit單片機(jī)芯片，它使用CamRISC CPU作為核心，同時(shí)整合了LCD控制驅(qū)動(dòng)器、放大器以及A／D、D／A轉(zhuǎn)換器等功能單元。文中介紹了S3CK215的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，給出了S3CK215在校音器設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用。

    關(guān)鍵詞：CalmRISC；校音器；S3CK215

１ 概述

Ｓ３ＣＫ２１５是韓國(guó)三星公司生產(chǎn)的一種高性能微控制器，它采用三星公司新開(kāi)發(fā)的８－ｂｉｔ ＣＰＵ╟╟ＣａｌｍＲＩＳＣ作為核心。該芯片不僅包括有ＲＯＭ、ＲＡＭ、定時(shí)器、Ｉ／Ｏ接口以及中斷控制單元等模塊，還整合了ＬＣＤ控制驅(qū)動(dòng)器、放大器以及Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器等非常有用的功能單元（比如ＬＣＤ控制驅(qū)動(dòng)器可以直接驅(qū)動(dòng)高達(dá)１２０個(gè)點(diǎn)的ＬＣＤ顯示屏）。由于這些單元拓展了該單片機(jī)的功能，因此，使用該單片機(jī)設(shè)計(jì)電路時(shí)，只需附加簡(jiǎn)單的外部電路就可以構(gòu)成一個(gè)完整的單片機(jī)系統(tǒng)，而且功耗低、體積小、系統(tǒng)可靠性高。此外，三星公司還為Ｓ３ＣＫ２１５的應(yīng)用提供了一套有效的開(kāi)發(fā)工具和在線仿真器，從而方便了設(shè)計(jì)者基于Ｓ３ＣＫ２１５的軟硬件設(shè)計(jì)。

本文介紹了使用Ｓ３ＣＫ２１５設(shè)計(jì)的校音器電路。該校音器在采集到樂(lè)器所產(chǎn)生的聲音信號(hào)后，可計(jì)算出聲音頻率，同時(shí)顯示其與理想頻率的偏差，然后以此作為樂(lè)器調(diào)整的依據(jù)，使之發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)聲音。

圖1

２?。樱常茫耍玻保到榻B

圖１是Ｓ３ＣＫ２１５的內(nèi)部結(jié)構(gòu)模塊圖。從圖１可以看出，該單片機(jī)具有以下特點(diǎn)：

●使用ＣａｌｍＲＩＳＣ作為中央處理單元；

●內(nèi)含八位乘法器；

●具有深度達(dá)１６級(jí)的硬件堆棧，每級(jí)寬度為１６－ｂｉｔ；

●帶有ＬＣＤ驅(qū)動(dòng)控制器；

●具有１０－ｂｉｔ Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器和９－ｂｉｔ Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器；

●內(nèi)含兩個(gè)運(yùn)算放大器。

２．１ ＣａｌｍＲＩＳＣ處理器

ＣａｌｍＲＩＳＣ是三星公司新開(kāi)發(fā)的一種８－ｂｉｔ低功耗ＲＩＳＣ微處理器，它滿足哈佛體系結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其指令和數(shù)據(jù)可以通過(guò)各自的路徑同時(shí)進(jìn)行訪問(wèn)。

ＣａｌｍＲＩＳＣ的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括一個(gè)８－ｂｉｔ ＡＬＵ、１６個(gè)通用寄存器、１１個(gè)專用寄存器、１６級(jí)硬件堆棧以及程序存儲(chǔ)器地址生成單元以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址生成單元等。其中１６個(gè)通用寄存器分為四組（Ｂａｎｋ ０－Ｂａｎｋ ３）,每組包括四個(gè)８－ｂｉｔ寄存器（Ｒ０, Ｒ１, Ｒ２, Ｒ３）。而專用寄存器包括狀態(tài)寄存器、鏈接寄存器以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器索引寄存器。ＣａｌｍＲＩＳＣ中的１６級(jí)硬件堆棧除了可以作為數(shù)據(jù)暫存空間外，還可以用來(lái)進(jìn)行低功耗堆棧操作。

    ＣａｌｍＲＩＳＣ具有三級(jí)流水線。圖２所示是Ｃａｌｍ-ＲＩＳＣ處理器的三級(jí)流水線示意圖。對(duì)ＣａｌｍＲＩＳＣ的操作可采用寄存器－存儲(chǔ)器指令集方式。操作時(shí)首先取指令（ＩＦ）并將程序計(jì)數(shù)器（ＰＣ）指向指令地址，接著將指令放入指令寄存器（ＩＲ），然后進(jìn)行指令譯碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀取（ＩＤ／ＭＥＭ），同時(shí)執(zhí)行指令和回寫（ＥＸＥ／ＷＢ），最后由ＡＬＵ來(lái)執(zhí)行指令并將指令執(zhí)行結(jié)果寫入目標(biāo)寄存器。

ＣａｌｍＲＩＳＣ采用流水線工作的示意圖如圖３所示。圖中，前一指令獲取完畢后馬上可以進(jìn)行下一指令的取指操作，而不必等到前一指令執(zhí)行完畢。實(shí)際上，大多數(shù)ＣａｌｍＲＩＳＣ指令都是單字節(jié)指令，取指操作只需一個(gè)時(shí)鐘周期即可完成；但是 “ＣＡＬＬ”和“ＪＰ”等跳轉(zhuǎn)指令是雙字節(jié)指令，它們的取指操作需要兩個(gè)時(shí)鐘周期。

２．２ ８位乘法器

Ｓ３ＣＫ２１５整合了一個(gè)８－ｂｉｔ乘法器，通過(guò)設(shè)置乘法器控制寄存器（ＭＵＬＣＯＮ）可支持８－ｂｉｔ符號(hào)數(shù)或無(wú)符號(hào)數(shù)的乘法運(yùn)算，而且只需兩個(gè)時(shí)鐘周期即可輸出運(yùn)算結(jié)果。它的組成包括操作數(shù)寄存器（ＭＸＩＮＰ?ＭＹＩＮＰ）、結(jié)果寄存器（ＭＲＨ?ＭＲＬ）和８－ｂｉｔ乘法運(yùn)算器。調(diào)用乘法器實(shí)現(xiàn)乘法的程序段如下：

ＬＤ Ｒ０,＃０１Ｈ

ＬＤ ＭＵＬＣＯＮ,ＲＯ ?; Ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ

ＬＤ Ｒ０,＃３２Ｈ

ＬＤ Ｒ１,＃０ＣＥＨ

ＬＤ ＭＸＩＮＰ,Ｒ０

ＬＤ ＭＹＩＮＰ,Ｒ１ ?;Ｍｕｌｔｉｐｌｙ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ａｆｔｅｒ ｌｏａｄｉｎｇ ＭＸＩＮＰ?ＭＹＩＮＰ

ＮＯＰ

ＮＯＰ

ＬＤ Ｒ２,ＭＲＨ ?;Ｔｈｅ ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｓ ｆｉｎｉｓｈｅｄ ａｆｔｅｒ ２ ｃｙｃｌｅｓ

ＬＤ Ｒ３,ＭＲＬ  ;ＭＲＨ／ＭＲＬ＝２８Ｈ／３ＣＨ

２．３ 運(yùn)算放大器

Ｓ３ＣＫ２１５中有兩個(gè)運(yùn)算放大器，ＭＩＣ放大器和濾波放大器，一個(gè)用于從輸入信號(hào)中濾除噪聲以提高信號(hào)的信噪比，另一個(gè)用于輸入信號(hào)的放大，以便進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)處理。當(dāng)然這些放大器可以根據(jù)用戶需要自行定義它們的用途。實(shí)際上，該放大器模塊包括濾波放大器、ＭＩＣ放大器、放大器控制寄存器以及參考電壓產(chǎn)生器。

圖4

    ２．４ Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器

Ｓ３ＣＫ２１５內(nèi)部整合了１０－ｂｉｔ模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Ａ／Ｄ）和９－ｂｉｔ數(shù)模轉(zhuǎn)換器?Ｄ／Ａ?。其中，Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換過(guò)程需要５０個(gè)時(shí)鐘周期。模擬信號(hào)輸入端口是與Ｉ／Ｏ Ｐｏｒｔ２（８－ｂｉｔ Ｉ／Ｏ端口）復(fù)用的，通過(guò)Ｐｏｒｔ２的控制寄存器（Ｐ２ＣＯＮＨ?Ｐ２ＣＯＮＬ）可確定Ｐｏｒｔ２是否用于Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的模擬信號(hào)輸入，而通過(guò)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的控制寄存器（ＡＤＣＯＮ）可控制選擇器以確定Ｐｏｒｔ２的哪一位作為Ａ／Ｄ輸入端口。輸入信號(hào)的模擬電平值應(yīng)在ＡＶＲＥＦ和ＡＶＳＳ之間。

９－ｂｉｔ Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器的主體為Ｒ－２Ｒ陣列結(jié)構(gòu)，它由Ｒ－２Ｒ陣列結(jié)構(gòu)、Ｄ／Ａ控制寄存器、Ｄ／Ａ數(shù)據(jù)寄存器、Ｄ／Ａ輸出端口等組成。

３?。樱常茫耍玻保翟谛Ｒ羝髦械膽?yīng)用

Ｓ３ＣＫ２１５單片機(jī)在校音器中的應(yīng)用電路如圖４所示。由圖可見(jiàn)，使用Ｓ３ＣＫ２１５只需要設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的電路即可實(shí)現(xiàn)所需功能。首先通過(guò)ＭＩＣ采集聲音模擬信號(hào)，并使用片內(nèi)運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)濾波和放大；接著通過(guò)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器得到數(shù)字信號(hào)并對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理以得到聲音信號(hào)的頻率信息，同時(shí)將其轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的音名音階及音分值，最后通過(guò)片內(nèi)ＬＣＤ控制驅(qū)動(dòng)器將結(jié)果輸出到ＬＣＤ進(jìn)行顯示。

此電路設(shè)計(jì)充分利用了Ｓ３ＣＫ２１５提供的片內(nèi)特殊功能模塊，它可將以往需要在片外實(shí)現(xiàn)的信號(hào)放大及Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換移到片內(nèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因而大大簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)集成度，降低了功耗，同時(shí)也使系統(tǒng)更加穩(wěn)定并利于維護(hù)。

    圖５給出了該校音器的軟件設(shè)計(jì)流程圖。該軟件采用中斷來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣因而大大簡(jiǎn)化了程序設(shè)計(jì)。具體方法是在主程序初始化后，根據(jù)數(shù)據(jù)采樣率再設(shè)置定時(shí)器并由定時(shí)器產(chǎn)生內(nèi)部中斷，接著在中斷處理程序中讀取輸入端口以作為數(shù)據(jù)采樣值，并在獲得足夠的采樣點(diǎn)后，關(guān)閉中斷以返回主程序，然后由主程序進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)的處理，最后將有效的處理結(jié)果在ＬＣＤ上顯示輸出。

４　結(jié)束語(yǔ)

筆者用Ｓ３ＣＫ２１５模擬器實(shí)現(xiàn)的校音器系統(tǒng)經(jīng)實(shí)際測(cè)試得到了比較好的效果。實(shí)際使用證明，基于Ｓ３ＣＫ２１５芯片實(shí)現(xiàn)的校音器，比同類產(chǎn)品更具有電路簡(jiǎn)單、功耗小、成本低的特點(diǎn)，具有一定的實(shí)用開(kāi)發(fā)價(jià)值。