內(nèi)含CalmRISC CPU的８位單片機S3CK215及其應用

　　摘要：C3CK215是韓國三星公司生產(chǎn)的8－bit單片機芯片，它使用CamRISC CPU作為核心，同時整合了LCD控制驅(qū)動器、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)構特點，給出了S3CK215在校音器設計中的具體應用。

    關鍵詞：CalmRISC；校音器；S3CK215

１ 概述

　?。樱常茫耍玻保凳琼n國三星公司生產(chǎn)的一種高性能微控制器，它采用三星公司新開發(fā)的８－ｂｉｔ ＣＰＵ╟╟ＣａｌｍＲＩＳＣ作為核心。該芯片不僅包括有ＲＯＭ、ＲＡＭ、定時器、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)動器可以直接驅(qū)動高達１２０個點的ＬＣＤ顯示屏）。由于這些單元拓展了該單片機的功能，因此，使用該單片機設計電路時，只需附加簡單的外部電路就可以構成一個完整的單片機系統(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的應用提供了一套有效的開發(fā)工具和在線仿真器，從而方便了設計者基于Ｓ３ＣＫ２１５的軟硬件設計。

　　本文介紹了使用Ｓ３ＣＫ２１５設計的校音器電路。該校音器在采集到樂器所產(chǎn)生的聲音信號后，可計算出聲音頻率，同時顯示其與理想頻率的偏差，然后以此作為樂器調(diào)整的依據(jù)，使之發(fā)出標準聲音。

２?。樱常茫耍玻保到榻B

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

　　●使用ＣａｌｍＲＩＳＣ作為中央處理單元；

　　●內(nèi)含八位乘法器；

　　●具有深度達１６級的硬件堆棧，每級寬度為１６－ｂｉｔ；

　　●帶有ＬＣＤ驅(qū)動控制器；

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

　　●內(nèi)含兩個運算放大器。

２．１ ＣａｌｍＲＩＳＣ處理器

　　ＣａｌｍＲＩＳＣ是三星公司新開發(fā)的一種８－ｂｉｔ低功耗ＲＩＳＣ微處理器，它滿足哈佛體系結(jié)構，具有獨立的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，其指令和數(shù)據(jù)可以通過各自的路徑同時進行訪問。

　　ＣａｌｍＲＩＳＣ的內(nèi)部結(jié)構包括一個８－ｂｉｔ ＡＬＵ、１６個通用寄存器、１１個專用寄存器、１６級硬件堆棧以及程序存儲器地址生成單元以及數(shù)據(jù)存儲器地址生成單元等。其中１６個通用寄存器分為四組（Ｂａｎｋ ０－Ｂａｎｋ ３）,每組包括四個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)存儲器索引寄存器。ＣａｌｍＲＩＳＣ中的１６級硬件堆棧除了可以作為數(shù)據(jù)暫存空間外，還可以用來進行低功耗堆棧操作。

　?。茫幔欤恚遥桑樱镁哂腥壛魉€。圖２所示是Ｃａｌｍ-ＲＩＳＣ處理器的三級流水線示意圖。對ＣａｌｍＲＩＳＣ的操作可采用寄存器－存儲器指令集方式。操作時首先取指令（ＩＦ）并將程序計數(shù)器（ＰＣ）指向指令地址，接著將指令放入指令寄存器（ＩＲ），然后進行指令譯碼和數(shù)據(jù)存儲器讀?。ǎ桑模停牛停?，同時執(zhí)行指令和回寫（ＥＸＥ／ＷＢ），最后由ＡＬＵ來執(zhí)行指令并將指令執(zhí)行結(jié)果寫入目標寄存器。

　?。茫幔欤恚遥桑樱貌捎昧魉€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，取指操作只需一個時鐘周期即可完成；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時鐘周期。

２．２ ８位乘法器

　　Ｓ３ＣＫ２１５整合了一個８－ｂｉｔ乘法器，通過設置乘法器控制寄存器（ＭＵＬＣＯＮ）可支持８－ｂｉｔ符號數(shù)或無符號數(shù)的乘法運算，而且只需兩個時鐘周期即可輸出運算結(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乘法運算器。調(diào)用乘法器實現(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 運算放大器

　　Ｓ３ＣＫ２１５中有兩個運算放大器，ＭＩＣ放大器和濾波放大器，一個用于從輸入信號中濾除噪聲以提高信號的信噪比，另一個用于輸入信號的放大，以便進行后續(xù)的信號處理。當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。

２．４ Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器

　?。樱常茫耍玻保祪?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)換過程需要５０個時鐘周期。模擬信號輸入端口是與Ｉ／Ｏ Ｐｏｒｔ２（８－ｂｉｔ Ｉ／Ｏ端口）復用的，通過Ｐｏｒｔ２的控制寄存器（Ｐ２ＣＯＮＨＰ２ＣＯＮＬ）可確定Ｐｏｒｔ２是否用于Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的模擬信號輸入，而通過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。輸入信號的模擬電平值應在ＡＶＲＥＦ和ＡＶＳＳ之間。

　?。梗猓椋?Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器的主體為Ｒ－２Ｒ陣列結(jié)構，它由Ｒ－２Ｒ陣列結(jié)構、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　Ｓ３ＣＫ２１５在校音器中的應用

　?。樱常茫耍玻保祮纹瑱C在校音器中的應用電路如圖４所示。由圖可見，使用Ｓ３ＣＫ２１５只需要設計簡單的電路即可實現(xiàn)所需功能。首先通過ＭＩＣ采集聲音模擬信號，并使用片內(nèi)運算放大器進行信號濾波和放大；接著通過Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器得到數(shù)字信號并對數(shù)字信號進行處理以得到聲音信號的頻率信息，同時將其轉(zhuǎn)換成對應的音名音階及音分值，最后通過片內(nèi)ＬＣＤ控制驅(qū)動器將結(jié)果輸出到ＬＣＤ進行顯示。

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

　　圖５給出了該校音器的軟件設計流程圖。該軟件采用中斷來進行數(shù)據(jù)采樣因而大大簡化了程序設計。具體方法是在主程序初始化后，根據(jù)數(shù)據(jù)采樣率再設置定時器并由定時器產(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后，關閉中斷以返回主程序，然后由主程序進行采樣數(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

　　筆者用Ｓ３ＣＫ２１５模擬器實現(xiàn)的校音器系統(tǒng)經(jīng)實際測試得到了比較好的效果。實際使用證明，基于Ｓ３ＣＫ２１５芯片實現(xiàn)的校音器，比同類產(chǎn)品更具有電路簡單、功耗小、成本低的特點，具有一定的實用開發(fā)價值。