单片机复用设计技术

随着集成电路的高速发展，集成电路的升级换代越来越快，早期经典ＭＣＳ５１系列产品已经退出市场，这与许多装备要求的长期稳定供应形成矛盾。利用现有技术基础，设计完成一款单片机产品，该产品能够兼容大多数早期ＭＣＳ５１单片机产品，为各类装备持续供应和维护提供了一种可借鉴手段。

一、单片机复用设计总体方案

ＭＣＳ５１架构来源于Ｉｎｔｅｌ，在Ｉｎｔｅｌ公司完成该单片机架构后，进行了架构公开，这样就允许其它公司也利用ＭＣＳ５１架构设计单片机产品。在１２时钟架构的单片机产品系列中，应用最广泛的就是Ｐｈｉｌｉｐｓ公司和Ａｔｍｅｌ公司的产品。

Ｌ８９Ｃ５１ＲＤ２采用０．１８μｍＣＭＯＳ工艺设计制造，内部包含６４ＫＢｆｌａｓｈ和１ＫＢＲＡＭ，其工作频率最高可达４０ＭＨｚ，从性能上讲，该款单片机产品具备兼容早期单片机的基础。由于采用了０．１８μｍ工艺平台进行设计生产，该产品的生命周期更长。

Ｌ８９Ｃ５１ＲＤ２可直接替代Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的Ｐ８９Ｃ５１ＲＤ２产品，并且质量等级更高。在Ｌ８９Ｃ５１ＲＤ２的基础上开展设计技术研究，目标是能够替代ＡＴ８９Ｓ５２系列单片机产品和Ｐ８９Ｖ５１ＲＤ２系列产品。下面列举各个单片机的不同点，以便开展替代设计工作，如表１所示。

二、单片机设计

Ｌ８９Ｃ５１ＲＤ２采用０．１８μｍ工艺进行设计，其端口性能和频率性能已经做了优化，实际性能已经达到和超越了Ｐ８９Ｃ５１ＲＤ２，可以对Ｐ８９Ｃ５１ＲＤ２完全替代，因此设计的主要目的是要同时兼容和替代Ｐ８９Ｖ５１ＲＤ２和ＡＴ８９Ｓ５２。

要想替代Ｐ８９Ｖ５１ＲＤ２，需要在两个功能上进行设计，一个是ＳＰＩ接口。这个接口在Ｐ１．４－Ｐ１．７端口复用，设计时不仅要在端口上增加电路，还需要在ＳＦＲ区的Ｄ５Ｈ，ＡＡＨ，８６Ｈ，８１Ｈ四个地址增加特殊功能寄存器，并且在中断２３Ｈ入口地址，增加ＳＰＩ中断向量，这部分功能是新增功能，通过ｖｅｒｉｌｏｇ语言设计的电路来实现。另一个功能是上电后的ＩＳＰ功能。Ｌ８９Ｃ５１ＲＤ２的ＩＳＰ功能，是首先对ＰＳＥＮ置０，然后进行ＲＥＳＥＴ复位，让程序区进入ＦＣ００Ｈ的ＩＳＰ里面。Ｐ８９Ｖ５１ＲＤ２的做法，是首先在上电复位时，先完成对ＦＣＦ寄存器（Ｂ１Ｈ地址）的清零，然后改寄存器的启动功能，保证在复位完成后，首先程序区进入和用户程序区相重叠的Ｂｏｏｔ程序区。在这个８ＫＢ程序区，程序检测串行口，如果发现串行口有“Ｕ”字符出现，即进入ＩＳＰ状态，执行ＩＳＰ擦除和下载操作，如果没有发现串口，则在４００ｍｓ后退出Ｂｏｏｔ程序区，切换回用户程序区，并从００００Ｈ地址开始执行用户指令。这部分功能的设计，通过软件来实现，首先定义Ｌ８９Ｃ５１ＲＤ２的Ｂｏｏｔ字节不为０，这样上电以后，就直接从ＦＣ００Ｈ地址开始执行。此处设计４００ｍｓ的校验程序，然后根据端口是否出现“Ｕ”来判断是否退出启动下载程序。

要想替代ＡＴ８９Ｓ５１系列单片机，需要Ｌ８９Ｃ５１ＲＤ２增加ＳＰＩ接口实现ＩＳＰ的功能。ＡＴ８９Ｓ５２系列单片机的ＩＳＰ编程接口，没有选择ＵＡＲＴ，而是直接复用了Ｐ１．５、Ｐ１．６、Ｐ１．７三个端口。在上电复位时，三个端口有ＩＳＰ功能，可以接收编程允许命令，一旦编程允许命令被收到，器件就进入到ＩＳＰ编程环境里，可以通过上位机控制串行编程器对器件编程。Ｌ８９Ｃ５１ＲＤ２为Ｐ８９Ｖ５１ＲＤ２新增的ＳＰＩ功能，可以覆盖这个ＳＰＩ接口功能，只要保证此时的ＳＰＩ功能不会出现中断等信息，就能够实现嵌入。嵌入以后，还要有专门的程序缓冲区和ｆｌａｓｈ编程接口，以便对ｆｌａｓｈ进行在系统编程。最终完成的设计框图如图１所示。

在完成各个模块设计和整体设计后，还要完成选择设计，即改进的Ｌ８９Ｃ５１ＲＤ２需要一个选择功能，以便复用成不同的器件。这里面用到了ｆｌａｓｈ的ＮＶＲｂ区。Ｆｌａｓｈ的ＮＶＲｂ区专门为芯片设计者使用，一般不提供给用户。在此程序区里面，可以存放出厂信息和初始化信息，也包括芯片选择的信息。Ｌ８９Ｃ５１ＲＤ２在上电以后，会从ＮＶＲｂ区读取三个字节作为初始化数据，这里面我们利用这个初始化数据，直接设定芯片选择位，从而实现产品的软件选择和出厂选择设定。芯片复用选择的功能框图如图２所示。

三、单片机仿真及流片结果

设计完成后，通过数字平台和混合信号平台，对设计进行了仿真分析。在上电过程中，ｒｓｔ还保持高电平时，即读取ＮＶＲｂ区内容，从而确定当前芯片采用的是哪种功能。仿真结果表明，通过ｆｌａｓｈ的ＮＶＲｂ区读取，器件先后执行了Ｌ８９Ｃ５１ＲＤ２的功能、Ｐ８９Ｖ５１ＲＤ２的功能和ＡＴ８９Ｓ５２的功能，证明器件复用的方法可行。

流片结果显示，改进型Ｌ８９Ｃ５１ＲＤ２达到了预期设计指标，并且电路的工作频率能够达到高于ＡＴ８９Ｓ５２的水平。在用户整机试用中，能够实现对ＡＴ８９Ｓ５２等单片机电路的插拔替代，并且由于内部ｆｌａｓｈ容量和ＲＡＭ容量更大，对系统升级也有帮助。

总结

随着集成电路的高速发展，集成电路产品的升级换代速度越来越快，这就对一些需要长期稳定供货的场合提出了挑战。为解决这个问题，在先进的集成电路工艺上，完成多款老产品的归一化平台设计，无疑为这个问题找到了一个圆满的解决方案。

同时，随着集成电路生产能力的提升，集成成本越来越低，同一个产品越来越倾向于同一平台。但从市场角度看，却要求产品能够多样化，层次化，所以集成电路复用设计技术的研究，不仅面向老产品的问题解决，也能够对新产品的市场定位，起到重要的促进作用。