Z86C91：高效ROMless微控制器的技術(shù)剖析

在電子設(shè)計領(lǐng)域，微控制器的選擇至關(guān)重要，它直接影響著產(chǎn)品的性能、成本和開發(fā)周期。ZiLOG的Z86C91作為一款CMOS Z8 ROMless微控制器，以其獨特的特性和豐富的功能，在眾多應(yīng)用場景中展現(xiàn)出強大的競爭力。今天，我們就來深入剖析一下這款微控制器。

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一、架構(gòu)概覽

Z86C91是ZiLOG的Z8系列8位ROMless微控制器中的一員，擁有236字節(jié)的RAM。它具備快速執(zhí)行能力、高效的內(nèi)存使用、復(fù)雜的中斷處理、輸入/輸出位操作能力，以及便于硬件/軟件系統(tǒng)擴展的特性，同時還具有低成本和低功耗的優(yōu)勢。

1. 強大的I/O能力

Z86C91為需要強大I/O能力的應(yīng)用提供了24個專用輸入/輸出引腳，這些引腳被分為四個端口，每個端口由8條線組成，可在軟件控制下進行配置，以提供定時、狀態(tài)信號、串行或并行I/O（帶或不帶握手）以及用于連接外部存儲器的地址/數(shù)據(jù)總線。

2. 多地址空間支持

該微控制器具有三個基本地址空間：程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器和236個通用寄存器，以支持廣泛的配置需求。

3. 工作參數(shù)

Z86C91的工作頻率為16 MHz，電壓范圍為4.5至5.5VDC。為了減輕系統(tǒng)處理實時任務(wù)（如計數(shù)/定時和數(shù)據(jù)通信）的負擔，它還提供了兩個片上計數(shù)器/定時器，具有大量用戶可選模式，以及一個全雙工硬件UART。此外，Z86C91是一款無ROM的器件，支持使用外部存儲器，適用于高產(chǎn)量應(yīng)用或需要代碼靈活性的場景。

二、特性亮點

1. 通信與封裝

• 異步收發(fā)器UART：支持高效的數(shù)據(jù)通信。
• 多種封裝形式：提供40引腳DIP、44引腳PLCC和QFP封裝，滿足不同的應(yīng)用需求。

  2. 工作范圍

• 電壓范圍：4.5 - 5.5伏特的工作電壓，保證了在不同電源環(huán)境下的穩(wěn)定運行。
• 溫度范圍：標準工作溫度范圍為0°C至70°C，擴展工作溫度范圍為 -40°C至105°C，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。

  3. I/O與中斷

• 豐富的I/O線：24條輸入/輸出線，可實現(xiàn)多樣化的輸入輸出配置。
• 中斷功能：具有六個向量式、優(yōu)先級中斷，來自八個不同的源，能夠快速響應(yīng)各種事件。

  4. 計數(shù)器/定時器與振蕩器

• 可編程計數(shù)器/定時器：兩個可編程的8位計數(shù)器/定時器，每個都帶有兩個6位可編程預(yù)分頻器，可實現(xiàn)精確的計數(shù)和定時功能。
• 片上振蕩器：可接受晶體、陶瓷諧振器、LC或外部時鐘，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的時鐘源。

  5. 低功耗模式

• 兩種待機模式：STOP和HALT模式，可有效降低功耗，延長設(shè)備的續(xù)航時間。
• 自動鎖存：自動鎖存功能可確保所有未外部驅(qū)動的輸入保持有效的CMOS電平，減少輸入緩沖器中的過量電源電流。

三、引腳詳解

1. 引腳配置

Z86C91提供了40引腳DIP、44引腳PQFP和44引腳PLCC三種封裝形式，不同封裝的引腳配置有所不同。每個引腳都有其特定的功能，包括電源、時鐘、復(fù)位、讀寫控制、數(shù)據(jù)選通、地址選通等。

2. 引腳功能

• 數(shù)據(jù)選通（(overline{DS})）：在每次外部存儲器傳輸時激活一次，用于指示數(shù)據(jù)的有效性。
• 地址選通（(overline{AS})）：在每個機器周期開始時脈沖一次，用于指示地址的有效性。
• 時鐘引腳（XTAL1和XTAL2）：用于連接晶體、陶瓷諧振器、LC網(wǎng)絡(luò)或外部時鐘，為系統(tǒng)提供時鐘信號。
• 讀寫信號（(R / overline{W})）：用于控制對外部數(shù)據(jù)存儲器的讀寫操作。
• 復(fù)位引腳（RESET）：用于初始化微控制器，為避免異步和噪聲復(fù)位問題，帶有復(fù)位濾波器。
• 端口引腳（Port 0 - Port 3）：提供不同的輸入/輸出功能，可在軟件控制下進行配置，部分端口還支持握手控制。

四、功能描述

1. 復(fù)位功能

Z86C91需要外部復(fù)位電路來實現(xiàn)上電復(fù)位，內(nèi)部復(fù)位引腳帶有上拉電阻。在復(fù)位周期內(nèi)，(overline{DS})保持低電平，(overline{AS})以 (T_{P} C ÷2) 的速率循環(huán)。復(fù)位釋放后，程序從地址000Ch開始執(zhí)行。

2. 存儲器管理

• 程序存儲器：可尋址高達64 KB的外部程序存儲器，前12個字節(jié)用于存儲中斷向量。
• 數(shù)據(jù)存儲器：可尋址高達64 KB的外部數(shù)據(jù)存儲器，通過P34引腳的DM信號區(qū)分數(shù)據(jù)和程序存儲器空間。

  3. 寄存器文件

  寄存器文件包含三個I/O端口寄存器、236個通用寄存器和16個控制和狀態(tài)寄存器。指令可以直接或通過8位地址字段間接訪問寄存器，還支持使用寄存器指針進行4位寄存器尋址。

  4. 計數(shù)器/定時器

  兩個8位可編程計數(shù)器/定時器（T0和T1），每個由其自己的6位可編程預(yù)分頻器驅(qū)動。預(yù)分頻器可將時鐘源的輸入頻率除以1至64之間的任意整數(shù)。計數(shù)器可配置為啟動、停止、繼續(xù)或重新加載初始值，達到計數(shù)結(jié)束時會產(chǎn)生定時器中斷請求。

  5. 中斷處理

  Z86C91具有六個不同的中斷，來自八個不同的源，這些中斷是可屏蔽和優(yōu)先級的。中斷通過程序存儲器中的向量進行處理，當中斷請求被授予時，會激活中斷機器周期，將中斷請求標志復(fù)位，并跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷服務(wù)例程。

  6. 時鐘系統(tǒng)

  片上振蕩器具有高增益、并聯(lián)諧振放大器，可連接晶體、LC、陶瓷諧振器或任何合適的外部時鐘源。晶體應(yīng)選擇AT切割，頻率范圍為1 MHz至20 MHz，串聯(lián)電阻小于等于100Ω。

  7. 低功耗模式

• HALT模式：關(guān)閉內(nèi)部CPU時鐘，但不關(guān)閉XTAL振蕩或外設(shè)時鐘，計數(shù)器/定時器和外部中斷IRQ0 - IRQ3保持活躍，可通過外部或內(nèi)部中斷恢復(fù)。
• STOP模式：關(guān)閉內(nèi)部時鐘和外部晶體振蕩，將待機電流降低到10微安或更低，通過復(fù)位終止，處理器從地址000Ch重新啟動應(yīng)用程序。

五、控制寄存器

Z86C91的控制寄存器包括串行I/O寄存器、定時器模式寄存器、計數(shù)器/定時器寄存器、預(yù)分頻器寄存器、端口模式寄存器、中斷優(yōu)先級寄存器、中斷請求寄存器、中斷屏蔽寄存器、標志寄存器、寄存器指針寄存器和堆棧指針寄存器等。這些寄存器用于控制微控制器的各種功能，部分寄存器為只讀或只寫，使用時需要注意。

六、電氣特性

1. 絕對最大額定值

包括電源電壓、存儲溫度和工作環(huán)境溫度等參數(shù)，超過這些額定值可能會對器件造成永久性損壞。

2. 標準測試條件

所有電壓參考地，正電流流入?yún)⒖家_。

3. 電容特性

輸入、輸出和I/O電容的范圍為0至12 pF。

4. DC電氣特性

包括最大輸入電壓、時鐘輸入高/低電壓、輸入高/低電壓、輸出高/低電壓、復(fù)位輸入高/低電壓、輸入/輸出泄漏電流、復(fù)位輸入電流、電源電流和待機電流等參數(shù)，不同溫度范圍下的特性有所不同。

5. AC電氣特性

包括外部I/O或存儲器讀寫時序、時鐘依賴公式、額外時序和握手時序等參數(shù)，用于描述微控制器在交流信號下的工作特性。

七、封裝與訂購信息

1. 封裝形式

提供40引腳DIP、44引腳PLCC和44引腳PQFP三種封裝，每種封裝都有詳細的尺寸規(guī)格。

2. 訂購信息

根據(jù)不同的引腳數(shù)、封裝和工作溫度范圍，提供了不同的訂購編號。例如，Z86C9116PSC表示16 MHz、40引腳DIP、工作溫度范圍為0°C至70°C、塑料標準流的產(chǎn)品。

Z86C91以其豐富的功能、靈活的配置和良好的電氣特性，為電子工程師提供了一個強大的設(shè)計平臺。在實際應(yīng)用中，工程師可以根據(jù)具體需求選擇合適的封裝和配置，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的系統(tǒng)設(shè)計。你在使用Z86C91或其他微控制器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。