内含CalmRISC CPU的８位单片机S3CK215及其应用

摘要：C3CK215是韩国三星公司生产的8－bit单片机芯片，它使用CamRISC CPU作为核心，同时整合了LCD控制驱动器、放大器以及A／D、D／A转换器等功能单元。文中介绍了S3CK215的结构特点，给出了S3CK215在校音器设计中的具体应用。 关键词：CalmRISC；校音器；S3CK215 １ 概述 Ｓ３ＣＫ２１５是韩国三星公司生产的一种高性能微控制器，它采用三星公司新开发的８－ｂｉｔ ＣＰＵ╟╟ＣａｌｍＲＩＳＣ作为核心。该芯片不仅包括有ＲＯＭ、ＲＡＭ、定时器、Ｉ／Ｏ接口以及中断控制单元等模块，还整合了ＬＣＤ控制驱动器、放大器以及Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ转换器等非常有用的功能单元（比如ＬＣＤ控制驱动器可以直接驱动高达１２０个点的ＬＣＤ显示屏）。由于这些单元拓展了该单片机的功能，因此，使用该单片机设计电路时，只需附加简单的外部电路就可以构成一个完整的单片机系统，而且功耗低、体积小、系统可靠性高。此外，三星公司还为Ｓ３ＣＫ２１５的应用提供了一套有效的开发工具和在线仿真器，从而方便了设计者基于Ｓ３ＣＫ２１５的软硬件设计。 本文介绍了使用Ｓ３ＣＫ２１５设计的校音器电路。该校音器在采集到乐器所产生的声音信号后，可计算出声音频率，同时显示其与理想频率的偏差，然后以此作为乐器调整的依据，使之发出标准声音。 图1 ２　Ｓ３ＣＫ２１５介绍 图１是Ｓ３ＣＫ２１５的内部结构模块图。从图１可以看出，该单片机具有以下特点： ●使用ＣａｌｍＲＩＳＣ作为中央处理单元； ●内含八位乘法器； ●具有深度达１６级的硬件堆栈，每级宽度为１６－ｂｉｔ； ●带有ＬＣＤ驱动控制器； ●具有１０－ｂｉｔ Ａ／Ｄ转换器和９－ｂｉｔ Ｄ／Ａ转换器； ●内含两个运算放大器。 ２．１ ＣａｌｍＲＩＳＣ处理器 ＣａｌｍＲＩＳＣ是三星公司新开发的一种８－ｂｉｔ低功耗ＲＩＳＣ微处理器，它满足哈佛体系结构，具有独立的程序存储器和数据存储器，其指令和数据可以通过各自的路径同时进行访问。 ＣａｌｍＲＩＳＣ的内部结构包括一个８－ｂｉｔ ＡＬＵ、１６个通用寄存器、１１个专用寄存器、１６级硬件堆栈以及程序存储器地址生成单元以及数据存储器地址生成单元等。其中１６个通用寄存器分为四组（Ｂａｎｋ ０－Ｂａｎｋ ３）,每组包括四个８－ｂｉｔ寄存器（Ｒ０, Ｒ１, Ｒ２, Ｒ３）。而专用寄存器包括状态寄存器、链接寄存器以及数据存储器索引寄存器。ＣａｌｍＲＩＳＣ中的１６级硬件堆栈除了可以作为数据暂存空间外，还可以用来进行低功耗堆栈操作。 ＣａｌｍＲＩＳＣ具有三级流水线。图２所示是Ｃａｌｍ-ＲＩＳＣ处理器的三级流水线示意图。对ＣａｌｍＲＩＳＣ的操作可采用寄存器－存储器指令集方式。操作时首先取指令（ＩＦ）并将程序计数器（ＰＣ）指向指令地址，接着将指令放入指令寄存器（ＩＲ），然后进行指令译码和数据存储器读取（ＩＤ／ＭＥＭ），同时执行指令和回写（ＥＸＥ／ＷＢ），最后由ＡＬＵ来执行指令并将指令执行结果写入目标寄存器。 ＣａｌｍＲＩＳＣ采用流水线工作的示意图如图３所示。图中，前一指令获取完毕后马上可以进行下一指令的取指操作，而不必等到前一指令执行完毕。实际上，大多数ＣａｌｍＲＩＳＣ指令都是单字节指令，取指操作只需一个时钟周期即可完成；但是 “ＣＡＬＬ”和“ＪＰ”等跳转指令是双字节指令，它们的取指操作需要两个时钟周期。 ２．２ ８位乘法器 Ｓ３ＣＫ２１５整合了一个８－ｂｉｔ乘法器，通过设置乘法器控制寄存器（ＭＵＬＣＯＮ）可支持８－ｂｉｔ符号数或无符号数的乘法运算，而且只需两个时钟周期即可输出运算结果。它的组成包括操作数寄存器（ＭＸＩＮＰＭＹＩＮＰ）、结果寄存器（ＭＲＨＭＲＬ）和８－ｂｉｔ乘法运算器。调用乘法器实现乘法的程序段如下： 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 运算放大器 Ｓ３ＣＫ２１５中有两个运算放大器，ＭＩＣ放大器和滤波放大器，一个用于从输入信号中滤除噪声以提高信号的信噪比，另一个用于输入信号的放大，以便进行后续的信号处理。当然这些放大器可以根据用户需要自行定义它们的用途。实际上，该放大器模块包括滤波放大器、ＭＩＣ放大器、放大器控制寄存器以及参考电压产生器。 图4 ２．４ Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ转换器 Ｓ３ＣＫ２１５内部整合了１０－ｂｉｔ模数转换器（Ａ／Ｄ）和９－ｂｉｔ数模转换器Ｄ／Ａ。其中，Ａ／Ｄ转换器的转换过程需要５０个时钟周期。模拟信号输入端口是与Ｉ／Ｏ Ｐｏｒｔ２（８－ｂｉｔ Ｉ／Ｏ端口）复用的，通过Ｐｏｒｔ２的控制寄存器（Ｐ２ＣＯＮＨＰ２ＣＯＮＬ）可确定Ｐｏｒｔ２是否用于Ａ／Ｄ转换器的模拟信号输入，而通过Ａ／Ｄ转换器的控制寄存器（ＡＤＣＯＮ）可控制选择器以确定Ｐｏｒｔ２的哪一位作为Ａ／Ｄ输入端口。输入信号的模拟电平值应在ＡＶＲＥＦ和ＡＶＳＳ之间。 ９－ｂｉｔ Ｄ／Ａ转换器的主体为Ｒ－２Ｒ阵列结构，它由Ｒ－２Ｒ阵列结构、Ｄ／Ａ控制寄存器、Ｄ／Ａ数据寄存器、Ｄ／Ａ输出端口等组成。 ３　Ｓ３ＣＫ２１５在校音器中的应用 Ｓ３ＣＫ２１５单片机在校音器中的应用电路如图４所示。由图可见，使用Ｓ３ＣＫ２１５只需要设计简单的电路即可实现所需功能。首先通过ＭＩＣ采集声音模拟信号，并使用片内运算放大器进行信号滤波和放大；接着通过Ａ／Ｄ转换器得到数字信号并对数字信号进行处理以得到声音信号的频率信息，同时将其转换成对应的音名音阶及音分值，最后通过片内ＬＣＤ控制驱动器将结果输出到ＬＣＤ进行显示。 此电路设计充分利用了Ｓ３ＣＫ２１５提供的片内特殊功能模块，它可将以往需要在片外实现的信号放大及Ａ／Ｄ转换移到片内来实现，因而大大简化了电路的设计，提高了系统集成度，降低了功耗，同时也使系统更加稳定并利于维护。 图５给出了该校音器的软件设计流程图。该软件采用中断来进行数据采样因而大大简化了程序设计。具体方法是在主程序初始化后，根据数据采样率再设置定时器并由定时器产生内部中断，接着在中断处理程序中读取输入端口以作为数据采样值，并在获得足够的采样点后，关闭中断以返回主程序，然后由主程序进行采样数据的处理，最后将有效的处理结果在ＬＣＤ上显示输出。 ４　结束语 笔者用Ｓ３ＣＫ２１５模拟器实现的校音器系统经实际测试得到了比较好的效果。实际使用证明，基于Ｓ３ＣＫ２１５芯片实现的校音器，比同类产品更具有电路简单、功耗小、成本低的特点，具有一定的实用开发价值。