MB90F540/545單片機外部總線擴展技術(shù)

2004年5月B版

引言

　　MB90F540/545是富士通公司F2MC -16LX系列中一款帶CAN控制器的單片機，圖1為MB90F540/545單片機功能框圖，除具備F2MC -16LX系列單片機速度快、ROM和RAM容量大、工作溫度寬、可靠性高的特點外，還具有雙UART、雙CAN控制器以及4通道的可編程脈沖發(fā)生器(PPG)、8通道輸入捕獲單元(ICU)、4通道的輸出比較單元(OCU)、8路10位A/D并具備外部總線功能，適合在可靠性要求高的電力、汽車等工業(yè)控制中應(yīng)用。MB90F540/545單片機的最小時鐘周期為62.5ns/16MHz，外部總線訪問最快只有3個最小時鐘周期，而且所有輸入、輸出信號都被指定為CMOS電平。當(dāng)外部的設(shè)備連接到總線上時，必須要考慮這些限制條件，以解決信號延遲和畸變。本文討論MB90540/545單片機的外部總線擴展技術(shù)。

外部總線訪問控制

　　MB90F540/545的外部總線接口信號包括：16位的地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線AD00~AD15，高8位地址總線A16~A24；擴展控制信號有RDY、WRL、WRH、HRQ、HAK、CLK、RD 和 ALE。

　　外部數(shù)據(jù)、地址、控制信號由自動準(zhǔn)備功能選擇寄存器(ARSR)、外部地址輸出控制寄存器(HCAR)和總線控制信號選擇寄存器(ECSR)進行控制。它們的功能分別是：

　　圖2為外部16位總線訪問時的時序圖。當(dāng)不使用自動等待功能時，無論是8/16位總線模式，訪問外部存儲器只需要三個機器時鐘周期。如果訪問外部低速存儲器或外設(shè)，就需要設(shè)置ARSR，插入合適的等待周期，以滿足訪問時序的要求。也可以通過設(shè)置保持信號為高，在讀寫周期的相應(yīng)位置插入保持周期直到保持信號輸入引腳電平變低，來滿足外部存儲器或外設(shè)的要求。

　　在進行內(nèi)部存取時，AD00~AD15處于三態(tài)，控制信號處于非激活狀態(tài)，高8位地址總線A16〜A23保持最后一次外部總線訪問時的狀態(tài)，如果A16〜A23用作外部存儲器的片選信號，最后一次外部總線訪問后片選信號仍然有效，因此，在這種情況下必須注意防止可能對外部存儲器造成的誤操作。

總線擴展技術(shù)

　　MB90F540/545的外部總線擴展與其它單片機總線擴展的方法基本相同，由于該單片機的ROM和RAM采用統(tǒng)一編址方式，所以它與ROM和RAM接口電路是完全相同，但通常ROM訪問速度要慢于RAM，所以訪問ROM應(yīng)該使用RDY信號或插入自動等待周期來保證ROM的讀/寫時序。圖3為MB90F540/545單片機外部RAM擴展電路結(jié)構(gòu)圖。

　　單片機的所有信號都為CMOS電平，即信號的最小輸入高電平電壓為0.8Vcc，最大低電平電壓為0.2Vcc。在單片機的工作時鐘為16MHz，0等待情況下，進行外部訪問只需3個時鐘周期，要保證CPU能夠讀到正確的數(shù)據(jù)，就要求下沿到數(shù)據(jù)變?yōu)橛行У臅r間(記作tRLDV)必須小于33.75ns，也就是說下沿發(fā)生后的33.75ns內(nèi)，數(shù)據(jù)必須上升到0.8Vcc，才能被正確地讀作邏輯1。這一段時間包括RAM輸出使能時間、數(shù)據(jù)總線的電容以及RAM的輸出驅(qū)動能力的影響時間等?？偩€負載也會影響數(shù)據(jù)信號的上升時間，進而影響總訪問時間。此外，有的RAM輸出為TTL電平輸出(2.5V@1mA)，有的則為CMOS電平輸出(4.5V@100mA)，因此，必須認真檢查RAM器件的有關(guān)技術(shù)參數(shù)。

　　在電路設(shè)計中，鎖存器可選用TI公司的CD74ACT573，其最大延遲時間為9.4ns，由于鎖存器經(jīng)常輸出使能，所以其輸出使能延遲時間可不考慮。為了提高總線的負載能力，采用上拉電阻，既不影響數(shù)據(jù)的時序，也有助于提高輸出驅(qū)動能力，還可防止數(shù)據(jù)線上出現(xiàn)懸浮態(tài)。

總線電容和上拉電阻的影響及對策

　　實際上，總線擴展時遇到的最大問題是延遲和信號畸變。延遲直接與線長成正比，而信號畸變則是由于線間電容所致。傳輸線的增長和線間電容增大加重了信號負載。該電容會在數(shù)據(jù)流移動時充放電使接收到的信號幅度減小，信號波形畸變；同時，電容的充放電流會隨著傳輸速度的增大而增加，造成接收端不能正確的判斷所傳輸?shù)男盘枴?/P>

　　MB90F540/545單片機給定的最大輸入電容為80pF，典型值為10pF。一般在22pF的輸入電容時，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)總線上數(shù)據(jù)上升沿的時間增加約10ns，48pF時數(shù)據(jù)上升時間會增加約20ns，80pF時情況會更壞。隨著總線電容的增加，為保證的下沿到數(shù)據(jù)變?yōu)橛行У臅r間tRLDV小于33.75ns(16MHz工作時鐘時)，就必須選用速度更快的RAM，若總的時間不能滿足，就必須插入適當(dāng)?shù)牡却龝r鐘。

　　如果外擴RAM為TTL電平輸出(2.5V@1mA)，其輸出高電平難于滿足單片機CMOS電平0.8Vcc的要求，可以在數(shù)據(jù)總線上加上拉電阻來提高其輸出電平，通常RAM的輸出電阻都很小，上拉電阻不會影響總線的時序。

結(jié)語

　　在分析富士通MB90F540/545系列單片機存儲器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對其總線擴展的接口中總線電容及TTL電平等對總線時序的影響提出了相應(yīng)的對策，實驗證明這些技術(shù)措施是有效的。但由于受電路布線的多種因素的影響，要準(zhǔn)確估計電容對總線時序的影響是很難的，若總線時序不能滿足要求，可以通過插入等待時鐘或用速度較快的RAM器件來解決。■

參考文獻：

1. Fujitsu Microelectronics, Inc. ，‘F2MC-16LX 16-BIT MICROCONTROLLER MB90540/545 Series HARDWARE MANUAL’，2001

2. 王向周等，‘Fujitsu F2MC-16LX系列單片機的特點及應(yīng)用’，電測與儀表，2003年第X期