日立SH3單片機最小系統(tǒng)的建立

摘要：為了在ARM處理器幾乎壟斷國內32位處理器市場的形勢下給國內工程師多一個選擇方向并能在資料匱乏的情況下很快掌握日立sH3系列32位處理器開發(fā)出實用的產品，在此用日立SH3系列的HD6417708S型號單片機建立了SH3系列單片機的最小系統(tǒng)，并利用單片機的串口模塊做了串口通信實驗，實驗結果實現(xiàn)了串口通信的預期結果，說明建立的SH3系列單片機的最小系統(tǒng)運行正?？梢圆尚拧?br /> 關鍵詞：日立SH3；SH3單片機；單片機最小系統(tǒng)；32位處理器

0 引言
    SH系列是日本日立公司推出的32位高檔的、RISC型單片機系列，到現(xiàn)在為止，已經推出了6種類型的單片機系列：基本型的SH1，改進型的SH2，低功耗的SH3，增強型的SH4，以及和DSP結合的SH2-DSP和SH3-DSP。
    SH3系列是低功耗型SH處理器，高性能RISC結構，在時鐘133 MHz時，性能可以達到173 MIPS。在2．25 V工作時，功耗為400 mW。SH3的SH7709，其消耗功率每瓦運行的指令數(shù)達到315 MIPS，能源利用效率很高。它內部集成了32位乘法器、4路8 KB CHACHE、存儲器管理單元MMU、一些通用內部控制模塊和外部接口模塊。其性能可以與ARM公司的ARM9系列處理器相媲美，在世界的嵌入式領域占有很大的份額，但是由于SH3系列單片機在國內可參考的資料有限，技術支持不到位等種種原因致使ARM系列幾乎獨霸國內32位處理器市場。SH3系列處理器無法在國內發(fā)揮它強大的功能。本文介紹了如何用HD6417708S型號SH3單片機從硬件到軟件從無到有建立起SH3系列單片機最小系統(tǒng)，并用系統(tǒng)的串口模塊來驗證系統(tǒng)能否正常運行。有了這個最小系統(tǒng)平臺開發(fā)人員只要在系統(tǒng)中添加自己需要的功能模塊就可以開發(fā)出需要的產品，在ARM一
通天下的形勢下給國人增加一個選擇方向，同時對于嵌入式領域正從零開始研究某款處理器的開發(fā)人員也有一定的借鑒之處。

1 最小系統(tǒng)的整體介紹
    用HD6417708S型號SH3單片機建立的最小系統(tǒng)的結構框圖如圖1所示。此最小系統(tǒng)包括MCU(HD6417708S)、電源模塊、存儲器模塊、MCU外圍輔助電路，為了可以直觀地看到系統(tǒng)能夠正常運行增加了串口通信模塊用于演示。

2 硬件平臺的搭建
2．1 電源模塊
    “HD6417708S”單片機理想的工作電壓是3．3 V，上下可以有0．3 V的波動，存儲器與串口芯片都支持3．3 V供電。在此的電源模塊是以DCDC開關電源芯片“1CZ21H”為核心的一個單片開關電源電路，DC8V-DC28V輸入，3．3 V供電時可以提供1．5 A的電流，電路原理如圖2所示。

2．2 串口通信模塊
    該模塊分別用到MD2／RXD(84管腳)，MD1／TXD(85管腳)，MD0／SCK(86管腳)3個管腳，并且他們都屬于功能復用管腳。當3個管腳作為MD0，MD1，MD2功能管腳時為模式選擇控制管腳，復位時它們的狀態(tài)決定了時鐘電路的設置，對應關系可參考參考文獻。
    系統(tǒng)正常運行以后時鐘模式控制功能已經完成了，如果系統(tǒng)要用串口功能時就可以用RXD(84管腳)、TXD(84管腳)進行全雙工通信?，F(xiàn)在問題是硬件怎么設計能同時滿足這2種功能。在此提供2種方案：
    方案1：串口芯片使用MAX3223芯片，這款芯片有功能使能管腳，如果芯片沒有使能時芯片管腳處于高阻狀態(tài)。提供的方案框圖如圖片3所示：當系統(tǒng)復位時讓MAX3223處于不使能狀態(tài)，MAX3223的RXD、TXD引腳處于高阻狀態(tài)，添加輔助電路就可以隨心所欲的給SH7708單片機提供模式控制信號了。當系統(tǒng)運行起來時SH7708肯定會通過Area0的片選信號訪問Area0區(qū)的ROM，所以是否出現(xiàn)低脈沖可以作為系統(tǒng)是否已經運行的標志信號，將信號送給模式控制輔助電路，一旦檢測到低脈沖就讓模式控制輔助電路輸出變?yōu)楦咦锠顟B(tài)，同時使能MAX32 23芯片就可以了。模式控制圖3中方案1模塊用一個組合邏輯門和一個觸發(fā)器就可以實現(xiàn)功能。

    方案2：采用CPLD將單片機和串口芯片隔開。這樣就可以隨心所欲地控制了，具體方案如圖4：由于在系統(tǒng)中還用到了CPLD的其他資源，所以選擇了這種方案。如果系統(tǒng)沒有在其他功能中用到CPLD的話建議用方案1，因為方案1成本會低很多。

2．3 存儲器模塊
    SH3單片機內部沒有ROM空間，系統(tǒng)必須在外部總線上連接ROM存儲器。SH3單片機總線采用地址總線與數(shù)據總線分離的設計模式，地址總線最大支持64 MB存儲空間。滿足這種總線模式的ROM都可以使用(SH3單片機內部沒有NAND FLASH控制器，所以不要選擇NAND FLASH存儲器)。由于一條指令占16 b空間，所以選一片8 MB 16位位寬的FLASH存儲器LH28F640BFN。
    SH3系列處理器內部嵌有8 KB CACHE，在不使用緩存功能時有4 KB CACHE空間可以當作一般的RAM使用。由于本次只是討論最小系統(tǒng)的建立，程序比較簡單，4 KB空間足以。在后續(xù)介紹比較大的運用時會介紹系統(tǒng)連接的SDRAM存儲器，在以后其他文章中討論。
2．4 MCU外圍輔助電路
    (1)復位電路：HD6417708S單片機需要最短為10 ms的低電平復位信號，如果你的系統(tǒng)中其他芯片也需要Reset信號時請綜合考慮一下復位信號的長度與電平。本系統(tǒng)的復位電路采用了一款集復位與看門狗電路于一身的“1075”復位芯片。
    (2)時鐘電路：HD6417708S單片機的時鐘模塊有2個管腳：EXTAL(79)和XTAL(80)。如果想用無源晶振的話將晶振連到EXTAL和XTAL之間，兩管腳對地各接一個18 pF的電容就可以了。如果想用有緣晶振的話將晶振的時鐘輸出管腳接EXTAL管腳就行了。
    (3)PLL模塊外圍輔助電路：HD6417708S單片機鎖相環(huán)電路要求在管腳74，管腳77分別對地接一個470 pF的電容。
    (4)幾個特殊管腳的處理管腳87為Bus requst輸入功能管腳，如果系統(tǒng)正常運行時給這個管腳加一個低電平信號，單片機會釋放總線。如果您的系統(tǒng)有多個處理器需要共用總線時通過對這個管腳的合理控制可以實現(xiàn)總線分配，如果系統(tǒng)不用單片機釋放總線時就可以給這個管腳加一個10 kΩ的上拉電阻，這個管腳一定不要懸空。
    管腳89～管腳93為外部中斷輸入管腳。管腳89為管腳NMI(非屏蔽中斷)，為邊沿觸發(fā)中斷。
    管腳90～管腳93為可屏蔽中斷管腳，為電平觸發(fā)中斷。這些管腳都不能懸空，如果沒有用到要將這些管腳各加上10 kΩ的上拉電阻就可以了。
    管腳94是一個PCMCIA總線控制的管腳如果沒用到這種存儲器的話就可以加上10 kΩ的上拉阻就行了，不會影響其他部分。
    MD3(管腳103)、MD4(管腳104)、MD5(管腳130)是3個模式控制引腳。MD3，MD4控制著Area0的總線寬度，對應關系請參考參考文獻。
    MD5復位時的狀態(tài)告訴單片機總線上的存儲器中數(shù)據(包括code和data)的存儲方式，復位時MD5為零時說明存儲器中的數(shù)據是按大端模式存放的，復位時存儲器中的數(shù)據應選擇小端模式。
    (管腳132)是一個等待請求管腳，低電平有效。當處理器的訪問速度超過外部設備的反應速度時可以將這個管腳置低讓處理器進行等待。如果系統(tǒng)的外部設備足夠快不用這個功能的話要加一個弱上拉電阻，絕對不能懸空或接地。自此，帶監(jiān)視串口的HD6417708S單片機最小系統(tǒng)硬件平臺就搭建好了，編寫相關軟件就可以讓系統(tǒng)運行起來。

3 軟件平臺的搭建
    SH3系列單片機的開發(fā)環(huán)境是由日本瑞薩公司專門提供的“High-performance Embedded Workshop”軟件，有很多版本，在瑞薩公司的網站上可以下載，我下的是“shv9200_ev．exe”版本。
    首先安裝HD6417708S單片機的開發(fā)工具“High-performance Embedded Workshop”軟件，安裝完成以后會在程序目錄里出現(xiàn)一個“Renes as”安裝程序，里面的“High-performance Embedded Workshop”圖標就是開發(fā)軟件的圖標。
    建立模板工程。雙擊開發(fā)工具圖標出現(xiàn)一個工程對話框，選擇第一項“Create a new project workspace”，然后點擊OK按鈕進入“New Project Workspace對話框。在“Workspace Name”對話框里為項目命一個名字，例如“123”，系統(tǒng)會把“ProjectName”與“Directory”
項的名字都默認為“123”，如果想指定工程的保存路徑的話就點擊“Browse”按鈕選擇想保存程序的地方，其他選項用默認選項就可以了，點擊“確定”按鈕進入下一個對話框。在“CPUSerise”選擇框里選擇“SH-3”選項，在“CPUType”選擇框里選擇“SH7708”選項，然后點擊“Next”按鈕進入下一個對話框界面。將“Endian”選項設為“Little”模式，這個選項很重要，前面“MCU外圍輔助電路”部分介紹的MD5管腳就是用來設置程序存儲大小端模式的，如果MD5管腳設置的大小端與軟件設置的不一樣整個程序就亂了。因為硬件將MD5管腳設置成了小端模式的狀態(tài)所以在此將“Endian”選項設為“Little”模式。其他選項用默認值就行了，然后點擊“Next”按鈕進到下一個對話框界面。在對話框的最下面的“Generate Hardware Setup Function”的下拉菜單中選擇“C／C++ source file”選項，然后連續(xù)點擊“Next”按鈕直到出現(xiàn)“Targets”選項界面．將“SH-3Simulator(Little endian)”選項選上，然后連續(xù)點擊“Next”按鈕直到圖標變灰，再點擊“Finish”按鈕就進入到工程的主界面了，模板工程就建立完成了。
    模板工程相關文件介紹。由于建立的是一個模板工程，工程建立好以后就帶了一些文件包括啟動代碼、異常處理程序以及為軟件開發(fā)人員提供的程序接口等等?，F(xiàn)將幾個關鍵文件功能按照程序執(zhí)行順序介紹如下：
    首先在程序目錄里點擊“handle．src”文件，找到段標志“．sectionRSTHandler．code”，該段的程序代碼就是單片機上電復位后首先執(zhí)行的代碼。然后點擊“resetprg．c”文件，里面有一個“void PowerON_Reset(void)”函數(shù)，單片機執(zhí)行完“handle．src”文件中的“．section RSTHandler，code”段的程序代碼后跳到了該函數(shù)運行，如果想知道為什么跳到了這個函數(shù)請計算出“．section RSTHandl er，code”程序段中的“JMP”指令要跳轉的地址以及“void PowerON_Reset(void)”所分配地址會發(fā)現(xiàn)兩個地址對應同一個存儲單元。在“void PowerON_Reset(void)”函數(shù)中調用的“set_vbr((void*)((_UINT)INTHandlerPRG-INT_OFFSET))”函數(shù)，“_INITSCT()”和“_INIT_ IOLIB()”都是系統(tǒng)庫函數(shù)，在編譯器手冊中它們的功能都有介紹，在此不詳細介紹。
    點擊“hwsetup．c”文件就可以看到“void PowerON_Reset(void)”函數(shù)中調用的HardwareSetup()函數(shù)的具體內容，本函數(shù)是用來初始化單片機總線及各個外圍功能模塊的。set_cr(SR_Init)函數(shù)是用來初始化狀態(tài)寄存器的一個系統(tǒng)函數(shù)，與中斷的設置關系較大，對于本系統(tǒng)意義不大，本著簡化系統(tǒng)的原則將這個函數(shù)注掉。然后就到“main()”函數(shù)了，點擊“123．c”文件發(fā)現(xiàn)“main()”函數(shù)是一個空函數(shù)，這是系統(tǒng)為程序員提供的接口，在這個函數(shù)里添加您的程序代碼就行了。至此模板工程里的相關文件就介紹完了。系統(tǒng)上電，單片機運行完模板自帶的初始化程序以后就跳到了“main()”函數(shù)，程序員只要在此函數(shù)中添加需要的功能代碼就可以實現(xiàn)所需要的功能了。
    串口監(jiān)視程序的實為了驗證系統(tǒng)真的運行起來了，硬件上增加了串口監(jiān)視模塊。

    在此來實現(xiàn)下面這個簡單功能：將串口波特率初始化為9 600b／s，通過串口接收一個字節(jié)的數(shù)據并通過串口發(fā)送出去。通過這個簡單的功能驗證系統(tǒng)工作正常。程序流程圖如圖5所示。編譯應用程序，最終生成摩托羅拉格式的機器碼，將有用的數(shù)據解析出來燒到系統(tǒng)的ROM中系統(tǒng)就可以上電演示了。

    系統(tǒng)測試。將本系統(tǒng)與電腦通過串口線連接起來，電腦運行串口軟件發(fā)送字節(jié)“0xaa”給系統(tǒng)板，電腦串口軟件的接收區(qū)出現(xiàn)“aa”，如圖6所示：通過現(xiàn)象可以說明系統(tǒng)正常運行了。自此，HD6417708S單片機最小系統(tǒng)從無到有就算建立成功了。本系統(tǒng)詳細闡述了SH3系列單片機開發(fā)應用時可能出現(xiàn)問題的解決方法，并用串口實驗驗證了最小系統(tǒng)的正確性。此最小系統(tǒng)基本將SH3處理器與其他處理器的不同之處都展現(xiàn)出來了，在此基礎上開發(fā)人員只要運用單片機開發(fā)的共性理論就可以很好地使用SH3單片機，大大縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)難度。同時也為ARM-統(tǒng)天下的國內工程師提供了如圖6上位機串口監(jiān)視軟件發(fā)送和接收的數(shù)據更新的選擇方向。

4 結語
    本最小系統(tǒng)已經在工業(yè)產品中的到應用，實踐證明，該最小系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能很好地完成產品指標。