Микроконтроллеры семейства ХС166. Вводный курс разработчика

МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ
СЕМЕЙСТВА ХС166

ВВОДНЫЙ КУРС РАЗРАБОТЧИКА

Майкл Бич 
Дэвид Гринхилл 

Серия «МИРОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА» 

МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ 
СЕМЕЙСТВА ХС166 

Вводный курс разработчика 

Перевод с английского 

2-е издание, электронное

Москва 
ДМК Пресс, Додэка-XXI 
2023

УДК 004.31
ББК 32.973-04
Б67

Б67
Бич, Майкл.
Микроконтроллеры семейства ХС166. Вводный курс разработчика / М. Бич, Д. Грин-
хилл ; пер. с англ. С. В. Турецкого. — 2-е изд., эл. — 1 файл pdf : 201 с. — Москва : ДМК Пресс, 
Додэка-XXI, 2023. — (Мировая электроника). — Систем. требования: Adobe Reader XI либо 
Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 10". — Текст : электронный.
ISBN 978-5-89818-445-2

Микроконтроллеры семейства XC16x фирмы Infineon — это современные многофункциональные 
быстродействующие приборы, использующие процессорное ядро на основе RISС-архитектуры.
Данная книга представляет собой справочное руководство по их применению, призванная дополнить 
официальное руководство пользователя XC16x сведениями, имеющими практическую ценность 
при проектировании аппаратуры с применением этих микроконтроллеров. В книге подробно рассматриваются 
особенности архитектуры и функционирования как микроконтроллера в целом, так и его 
отдельных узлов и периферийных модулей, приведены практические рекомендации по использованию 
управляющих линий и портов ввода/вывода в пользовательских приложениях.
Предназначена для разработчиков радиоэлектронной аппаратуры, инженеров, студентов технических 
вузов, специалистов в области микроконтроллерной техники.

УДК 004.31 
ББК 32.973-04

Электронное издание на основе печатного издания: Микроконтроллеры семейства ХС166. Вводный курс разработчика / 
М. Бич, Д. Гринхилл ; пер. с англ. С. В. Турецкого. — Москва : ДМК Пресс, Додэка-XXI, 2016. — 200 с. — 
(Мировая электроника). — ISBN 978-5-97060-357-4. — Текст : непосредственный.

Все права защищены. Никакая часть этого издания не может быть воспроизведена в любой форме или любыми средствами, 
электронными или механическими, включая фотографирова. ние, ксерокопирование или иные средства копирования или сохранения 
информации, без письменного разрешения издательства.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, 
правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

ISBN 978-5-89818-445-2
© Infineon Technologies
© Макет, Издательский дом «Додэка-XXI»
© Издание, ДМК Пресс, 2016

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

Глава 1. RISCархитектура для встроенных приложений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.1. Введение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2. RISCподобное ядро C166S V2: предпосылки создания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3. Использование RISCархитектуры во встроенных системах управления . . . . . . . . . . 16
1.3.1. Шинный интерфейс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.2. Реакция на прерывание RISCпроцессора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3.3. Регистры и многозадачность. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3.4. Использование сокращенного набора команд RISCпроцессора . . . . . . . . . . . 22
1.4. Связь RISCпроцессора с внешними устройствами  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.5. Преимущества использования RISCпроцессоров во встроенных приложениях  . . . 24
1.6. Сравнение новых и традиционных RISCпроцессоров. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Глава 2. Начинаем работу с микроконтроллерами XC166. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.1. Ключевые вопросы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.1.1. Обзор семейства микроконтроллеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.1.2. Основные принципы проектирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.1.3. Установка опций аппаратной конфигурации микроконтроллера . . . . . . . . . . . 29
2.2. Расчёт номиналов конфигурирующих резисторов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3. Стартовая конфигурация микроконтроллера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.1. Конфигурация для внутреннего старта. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.2. Конфигурация для внешнего запуска . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.4. Управление сбросом  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.5. Тактовые сигналы и их источники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.5.1. Запуск системы ФАПЧ (PLL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.5.2. Запуск от внешней шины  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

Содержание

Содержание

6

2.5.3. Внутренний старт от встроенного ПЗУ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.5.4. Выбор тактовой частоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.5.5. Выбор значений регистра PLLCON  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.6. Генерация тактовых импульсов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.6.1. Типы источников тактовых импульсов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.6.2. Расчёт схемы кварцевого генератора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.6.3. Процедура тестирования компонентов кварцевого генератора . . . . . . . . . . . . . 47
2.6.4. Разводка цепей тактового генератора на печатной плате  . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.6.5. Признаки неверного расчёта схемы тактового генератора . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.6.6. Тактовый генератор часов реального времени  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.6.7. Дополнительная информация по проектированию тактового генератора. . . . 51

Глава 3. Режимы работы и синхронизация шины. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.1. Гибкий шинный интерфейс. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.1.1 Использование линий выбора микросхем (СS). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.1.2. Перекрытие сигналов выбора (CS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.2. Настройка режима работы шины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2.1. Внутрисхемная загрузка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2.2. Внешняя загрузка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3. Оптимизация системы адресации. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3.1. Время доступа к внешней памяти  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.3.2. Расчёт временных соотношений для мультиплексированной шины  . . . . . . . . 56
3.3.3. Расчёт временных соотношений для немультиплексированной шины . . . . . . 58
3.3.4. Программные средства для расчёта временных параметров синхронизации 
шины. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

Глава 4. Сопряжение с внешними устройствами памяти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.1. Использование 16битных микросхем памяти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2. Использование 8битных микросхем памяти в 16битных системах на базе XC166 . 65
4.3. Использование сигнала /BHE при работе с 8битной памятью  . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.4. Сопряжение микросхем DRAM с микроконтроллерами семейства XC166. . . . . . . . . 68
4.5. Использование карт флэшпамяти совместно с XC166  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.5.1. Недорогая гигабайтная память. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.5.2. Использование карт Compact Flash для обновления программ 
микроконтроллеров XC166 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.5.3. Интерфейс для подключения карт SD/Multimedia Card . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.5.4. Интерфейс для подключения карт Compact Flash  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.5.5. Управление флэшкартами с большим объёмом памяти. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.5.6. Программный интерфейс приложения (API) файловой системы для встроенных 
программ на языке C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.5.7. Ресурсы, необходимые для реализации файловой системы для 
микроконтроллера XC166 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

Глава 5. Встроенная программируемая флэшпамять  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

Содержание

7

5.1. Введение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2. Организация внутренней флэшпамяти  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.3. Обеспечение надёжности флэшпамяти  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.3.1. Динамическая коррекция ошибок. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.3.2. Долговечность флэшпамяти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.3.3. Обеспечение работоспособности флэшпамяти в особых условиях . . . . . . . . . 81
5.3.4. Прогнозирование будущих отказов флэшпамяти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.4. Программаторы флэшпамяти. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.4.1. Программирование флэшпамяти микроконтроллера XC166 при массовом 
производстве . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.4.2. Краткие сведения о программах начальной загрузки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.4.3. Тестирование программаторов флэшпамяти на соответствие IEC61508 и 
другим стандартам  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.5. Отладка режима начальной загрузки  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.5.1. Проблемы, возникающие при отладке режима начальной загрузки в случае 
использования модуля JTAG  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.5.2. Отладка режима начальной загрузки с использованием внутрисхемного 
эмулятора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.6. Аппаратные аспекты программирования внутрисхемной флэшпамяти. . . . . . . . . . . 90
5.7. Программирование флэшпамяти через интерфейс CAN  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.8. Программирование флэшпамяти через интерфейс SPI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.9. Программирование флэшпамяти insitu («на месте»)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

Глава 6. Схема распределения памяти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

6.1. Регистрыуказатели страниц данных (Data Page Pointer — DPP)  . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.1.1. Быстрый доступ к данным с использованием DPP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.1.2. Доступ к большим объёмам данных. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.1.3. Влияние способа адресации данных на компиляторы C/C++ . . . . . . . . . . . . . . 98
6.2. Выбор схемы распределения памяти и конфигурирации внешней шины. . . . . . . . . . 99
6.2.1. Использование регистровуказателей страницы данных (DPP). . . . . . . . . . . . . 99
6.2.2. Использование памяти PSRAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.2.3. Влияние внешней шины на производительность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.2.4. Внутренняя флэшпамять . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.2.5. Внешнее ПЗУ (ROM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.3. Увеличение количества линий ввода/вывода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

Глава 7. Оптимизация потребляемой мощности  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

7.1. Уменьшение потребляемой мощности путём оптимизации тактовой частоты  . . . . 105
7.2. Сравнение токов потребления разных микроконтроллеров. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
7.3. Напряжение питания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

Глава 8. Системное программирование  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

8.1. Передача данных через последовательные порты  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
8.1.1. Синхронные последовательные порты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

Содержание

8

8.1.2. Модуль I2C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
8.2. Подключение USBустройств к микроконтроллерам семейства XC166  . . . . . . . . . . 109
8.2.1. Подключение микроконтроллера XC166 к шине USB с помощью микросхемы 
FT245B  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
8.2.2. Программное обеспечение для реализации USBинтерфейса . . . . . . . . . . . . . 112
8.2.3. Начало работы с USBинтерфейсом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
8.3. Обслуживание запросов на прерывание  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
8.3.1. Задержки при обработке прерываний. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
8.3.2. Программные прерывания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
8.3.3. Аппаратные прерывания  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
8.3.4. Структура прерываний. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
8.3.5. Замечания по использованию системы прерываний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
8.4. Пересылка данных с использованием периферийного контроллера
 событий (PEC). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
8.5. Организация стеков в микроконтроллерах семейства XC166  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
8.6. DSPсопроцессор для микроконтроллеров семейства XC166 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
8.6.1. Реализация функций DSP в микроконтроллерах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
8.6.2. Работа компилятора с модулем MAC  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
8.6.3. DSPбиблиотеки фирмы Infineon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
8.7.1. Синхровременной режим CAN, запускаемый с помощью модуля TwinCAN123
8.7.2. Режим замкнутой передачи CAN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

Глава 9. Назначение выводов и портов в пользовательском приложении. . . . . . . . 125

9.1. Общие замечания о параллельных портах ввода/вывода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
9.2. Назначение линий портов микроконтроллера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
9.2.1. Порт 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
9.2.2. Порт 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
9.2.3. Порт 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
9.2.4.  Модули CAPCOM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
9.2.5. Порт 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
9.2.6. Порт 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
9.2.7. Порт 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
9.2.8. Порт 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
9.2.9. Порт 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
9.2.10.Порт 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
9.2.11.Порт 20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
9.3. Прерывания по линиям порта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

Глава 10. АЦП микроконтроллера XC166  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

10.1. Расширенные режимы аналогоцифрового преобразования  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
10.2. Базовая частота преобразования АЦП. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
10.3. Калибровка АЦП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
10.4. Защита аналоговых входов от повышенного напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

Содержание

9

10.5. Согласование входов АЦП с источниками сигналов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
10.6. Аналоговое опорное напряжение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
10.7. Вопросы разработки печатной платы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
10.7.1.Размещение компонентов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
10.7.2. Источник питания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
10.7.3. Шины заземления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
10.8. Подключение АЦП к источникам сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
10.8.1. Метод измерения отношения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
10.8.2. Источник опорного напряжения с фиксированной точностью  . . . . . . . . . . . 160
10.8.3. Режим с коррекцией преобразования  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
10.8.4. Измерение аналоговых напряжений, превышающих уровень 5 В  . . . . . . . . . 162

Глава 11. Типовые применения микроконтроллеров семейства XC166  . . . . . . . . . 163

11.1. Применение в автомобильной электронике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
11.2. Применение в промышленных системах управления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
11.3. Применение в системах телекоммуникации. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
11.4. Применение на транспорте  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
11.5. Применение в потребительской радиоэлектронике  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
11.6. Применение в измерительных приборах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
11.7. Медицинское и аэрокосмическое оборудование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

Глава 12. Совместимость XC166 с микроконтроллерами другой архитектуры  . . . 170

Глава 13. Монтаж микроконтроллеров семейства XC166 на печатной плате  . . . . 172

13.1. Типы корпусов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
13.2. Подключение эмуляторов к микроконтроллерам семейства XC166. . . . . . . . . . . . . . 172
13.2.1. Типы разъёмов для корпусов микроконтроллеров. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
13.2.2.Отладка устройств на основе микроконтроллера семейства XC. . . . . . . . . . . . 173
13.3. Подключение внутрисхемного эмулятора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
13.3.1.Схема QuadConnect. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
13.3.2.Разъём фирмы Yamaichi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
13.3.3.Припаиваемая сборка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
13.3.4.Припаиваемые эмулирующие микроконтроллеры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
13.3.5.Адаптеры «PressOn» для эмулятора  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
13.4. Разводка печатных плат для микроконтроллеров семейства XC166 . . . . . . . . . . . . . . 180

Глава 14. Включение и настройка новых плат . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

14.1. Оборудование для настройки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
14.2. Прежде, чем включить питание… . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
14.3. Тестирование платы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
14.3.1. Приложения с внешним запуском . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
14.3.2.Использование режима последовательной загрузки и утилиты MINIMON для 
тестирования новых плат. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

Содержание

10

14.3.3.Использование JTAG для тестирования новых плат . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
14.3.4.Типичные проблемы при работе с внешней шиной. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
14.3.5.Тестирование устройств с внутренним запуском . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
14.3.6.Тестирование системы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

Заключение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

Дополнительная литература  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

Приложение 1. Система обозначений микроконтроллеров семейства XC166 . . . . 196

Приложение 2. Цоколёвка основных модификаций микроконтроллеров ХС166  . 197

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы хотели бы поблагодарить
Карла Смита (Karl Smith),
 Майка Коплэнда (Mike Copeland)
 и Манфреда Чутку (Manfred Choutka)
 из фирмы Infineon Technologies,
Хоакима Клейна (Joachim Klein)
из фирмы Hitex Development Tools GmbH,
а также Стива Брауна (Steve Brown)
и Венди Уокера (Wendy Walker)
и выразить свою благодарность
сотням пользователям
микроконтроллеров семейства 166
в Великобритании
за их вклад в написание этой книги.

 

Данное руководство содержит основные сведения, необходимые для разработки вашего первого устройства на основе микроконтроллера XC166. Это простые, но основополагающие сведения, знание которых, особенно на начальном
этапе разработки, позволит сэкономить немало времени и денег. Цель этой книги
– дополнить официальное руководство пользователя XC166 теми фактами, которые пригодятся вам на практике.
Коечто из материала книги можно отыскать в спецификациях на семейство
XC166, но большая часть информации получена в результате нашей практической
работы и найти ее можно только в данной книге. Многие из поднятых в ней тем
отнюдь не очевидны или вообще не рассматривались ранее. Если руководство
пользователя на микроконтроллер XC166 достаточно полно освещает какойлибо
вопрос, то в книге делается ссылка на него и информация не дублируется. Данное
издание является далеко не полным и немало дополнительной информации можно найти на вебсайте фирмы Infineon.
Достоверность информации, представленной в данной книге, подтверждена
специалистами фирмы Hitex. Однако, несмотря на это, фирма Hitex не берет на
себя ответственности за возможные неточности. Те или иные субъективные или
неподтвержденные сведения, содержащиеся в книге,  не всегда отражают официальную точку зрения фирм Hitex Development Tools Ltd. и Infineon Technologies
AG.

Материал подготовили:
Майкл Бич (Michael Beach)
Дэвид Гринхилл (David Greenhill)
Дополнительный материал предоставили:
Карл Смит (Karl Smith), Infineon Technologies UK
Хоаким Клейн (Joachim Klein), Hitex Development Tools

Предисловие

Популярность RISCмикроконтроллеров непрерывно растёт. В процессорном
ядре C166S V2, на базе которого построена серия микроконтроллеров XC166, широко используются принципы архитектуры вычислений с сокращённым набором
команд (Reduced Instruction Set Computer — RISC), благодаря чему удалось достичь очень высокой производительности процессора при весьма умеренной его
стоимости. Чтобы понять, почему именно RISCтехнологии больше подходят для
встроенных приложений, работающих в режиме реального времени, полезно будет вспомнить, как развитие традиционной архитектуры микропроцессоров с
полным набором команд (Complex Instruction Set Computer — CISC), пик популярности которой пришелся на период с конца 1980х по середину 1990х годов,
привело к появлению RISCархитектуры. Тем не менее, необходимо учитывать,
что несмотря на множество достоинств, присущих RISCтехнологии, не все
RISCмикроконтроллеры, по определённым причинам, полностью их используют. В данной главе мы рассмотрим несколько таких «критических» случаев.

1.2.
RISCподобное ядро C166S V2: 
предпосылки создания

Причиной снижения интереса к микропроцессорам, использующим архитектуру с полным набором команд (CISC), стала необходимость существенно увеличить производительность микропроцессорных систем. В первую очередь, речь
идёт о требованиях, предъявляемых графическими рабочими станциями и современными компьютерными видеоиграми. Традиционно, стандартные наборы ассемблерных команд (инструкций) микропроцессоров разрабатывались таким образом, чтобы максимально упростить работу программиста. Это достигалось путём широкого использования микрокодов, позволяющих создавать всё более
мощные инструкции, такие, например, как команда перемножения трёх операнГл ав а 1 ____________________________________________________

RISCархитектура 
для встроенных приложений

1.1.
Введение

Глава 1. RISCархитектура для встроенных приложений

14

дов. Благодаря этому, программист, пишущий на ассемблере (или разработчик
компилятора языка высокого уровня), может добиваться тех же результатов, что и
с применением простых команд, но с меньшей затратой сил. 
Чем большее количество различных инструкций необходимо распознавать и
обрабатывать (декодировать) центральному процессору, тем сложнее электронные схемы, размещённые на его кристалле, и тем большее количество циклов
тактовой частоты занимает процесс обработки команд. Увеличение площади полупроводникового кристалла повышает стоимость устройства и потребляемую
им мощность. Поскольку максимальная тактовая частота работы электронных
схем микропроцессора физически ограничена возможностями полупроводниковых технологий, очевидно, что максимальная производительность напрямую зависит от количества машинных циклов, требуемых для выполнения команд процессора. 
RISCтехнология переносит основную нагрузку на программистов, пишущих
на ассемблере и разработчиков компиляторов языка высокого уровня, а не на
программирование в микрокодах. Исследования, проведённые учёными и производителями полупроводниковой техники, показали, что при одной и той же тактовой частоте корректно запрограммированный RISCпроцессор обеспечивает
гораздо более высокую производительность, чем процессор, использующий технологию CISC.
Как ни странно, разработчики встроенных приложений средней производительности не спешат отказываться от CISCмикроконтроллеров. Если в сфере
высокопроизводительных устройств RISCпроцессоры, такие как ARM9, MIPS и
Hyperstone, создают жёсткую конкуренцию традиционным CISCпроцессорам
PowerPC и Pentium, то для более распространённых задач встроенных приложений RISCустройства используются относительно редко. Между тем, возрастающая сложность современных алгоритмов управления встроенными устройствами
приводит к тому, что выполнение практически любых задач, кроме самых элементарных, требует использования больших вычислительных мощностей. Кроме
того, в таких областях, в отличие от использования микропроцессоров в рабочих
станциях, весьма критична величина максимального времени реакции на недетерминированные события — параметр, с которым у CISCпроцессоров дело обстоит особенно плохо. Впрочем, большинство RISCпроцессоров ARM также не
обладают выдающимися характеристиками по времени реакции.
Многие современные 16битные микроконтроллеры средней производительности построены на базе существующих CISCархитектур (S12, H8, M16C и т. п.),
которые, как и 8битные устройства (например, 8051), разработаны более 20 лет
назад. Производители микросхем обеспечивают потребителям возможность модернизации существующих систем, поэтому микропроцессоры новых серий часто разрабатываются на базе уже существующих. Использование тех же или близких архитектуры и набора команд избавляет потребителя от необходимости тратить деньги на переписывание уже существующих ассемблерных программ.
Микроконтроллеры, как и рабочие станции, могут быть запрограммированы
на языках высокого уровня, что позволяет сократить время написания программ
и улучшить удобство обслуживания системы. К сожалению, использование даже

1.2. RISCподобное ядро C166S V2: предпосылки создания

15

самых лучших компиляторов приводит к потерям быстродействия1), что ещё раз
подчеркивает необходимость увеличения производительности процессоров.
Помимо прямой обработки данных, микроконтроллеры также должны получать информацию от периферийных устройств, таких как АЦП, ШИМ, таймеров,
портов, ФАПЧ и т. п. Все это требует обработки информации в режиме реального
времени и быстрой реакции на прерывания.
Ниже приведены основные недостатки, свойственные CISCмикроконтроллерам:
1. Длительное и непредсказуемое время ожидания прерывания
Во время выполнения сложных «снижающих трудозатраты программиста»
ассемблерных команд все вычислительные ресурсы процессора оказываются
задействованы, что не позволяет обслуживать поступающие извне прерывания.
Это приводит к тому, что длительность ожидания обработки прерывания
оказывается непредсказуемо велика, что может создать серьезные проблемы в
быстродействующих 
системах 
реального 
времени. 
Одним 
из 
методов
уменьшения времени реакции CISCмикроконтроллеров является интеграция в
ядро «блока временной обработки» или использование внешнего процессора для
разгрузки критичных по времени операций. Однако, это повышает сложность
проектов и требует использования очень компактных микрокодов, в дополнение
к куда более распространённому языку С и ассемблеру для программирования
самого CISCядра.
2. Медленное декодирование вследствие слишком большого набора команд
Загруженные команды нужно распознать среди нескольких сотен или даже
тысяч возможных, поэтому процесс декодирования замедляется и усложняется.
3. Замедление работы устройств памяти, вызываемое частым доступом к ним
Данные обычно берутся процессором из внешней памяти, и помещаются в
регистры типа аккумулятора. С ними производятся математические или
логические операции, затем результат снова записывается в память. Часто при
выполнении процедуры то или иное значение может потребоваться несколько
раз, что требует дополнительных обращений к памяти для записи или чтения.
4. Медленный вызов процедур
Если при вызове подпрограммы используются параметры (что чаще всего и
происходит при качественном программировании на языке высокого уровня), то
они по отдельности помещаются в стек. Затем эти параметры обрабатываются в
регистре (регистрах) аккумулятора, и лишь после этого через стек возвращаются
вызывающей подпрограмме. 
5. Выполнение за один раз только одной операции
Каждое периферийное устройство или источник прерывания должны иметь
специализированную обслуживающую подпрограмму, которая, как минимум,
потребует помещения в стек и извлечения из него слова состояния программы и
счётчика команд, а также передачи данных от периферийного устройства или к
периферийному устройству.

1) По сравнению с программированием на языке ассемблера. (прим. ред.)

Глава 1. RISCархитектура для встроенных приложений

16

6. Пользовательская программа должна быть структурирована таким образом,
чтобы соответствовать аппаратным возможностям микроконтроллера
Программирование встроенных приложений часто представляет собой
множество отдельных задач, выполняемых в режиме реального времени и
связанных в единую систему. В типовых CISCпроцессорах переключение между
задачами происходит довольно медленно. Часто при поступлении новой задачи
оказывается, что многие регистры заняты и данные из них предварительно нужно
поместить в стек. Эта проблема усугубляется при использовании компиляторов
высокого уровня, характерным свойством которых является наличие в
библиотечных 
функциях 
большого 
количества 
подлежащих 
сохранению
локальных переменных.
7. Избыточные инструкции и режимы адресации
Почти повсеместное использование языков высокого уровня заставляет
производителей микроконтроллеров обеспечивать совместимость с различными
компиляторами путём введения в набор команд процессора соответствующих
дополнительных инструкций. На практике, компиляторы чаще всего используют
лишь несколько режимов адресации, а большое количество других инструкций
остаются незадействованными, что усложняет процесс декодирования команд.
8. Несогласованные наборы команд процессора
Наборы команд становится всё труднее использовать изза большого
количества доступных типов данных и разнообразия поддерживаемых режимов
адресации.
9. Неполная загруженность шины
Во время выполнения сложных команд  внутренняя шина микроконтроллера
простаивает.

1.3.
Использование RISCархитектуры 
во встроенных системах управления

Чтобы продемонстрировать, как использование RISCархитектуры позволяет
увеличить производительность микроконтроллеров, в качестве примера, мы взяли процессорное ядро C166S V2.
Основные определения:

1 такт = 1/частота генератора — базовая единица времени, используемая при
рассмотрении процессорных систем.
1 машинный цикл = такт — минимальное время, необходимое процессору для
выполнения наиболее простой операции. Поскольку машинный цикл
позволяет абстрагироваться от тактовой частоты, это понятие можно
использовать для сравнения RISCи CISCпроцессоров.
Все отсчёты машинных циклов как для S12X, так и для С166 М2 приводятся в
однокристальном режиме работы.