深入解析 Z80C30/Z85C30 CMOS SCC 串行通信控制器

在电子设计领域，串行通信控制器是实现数据高效传输的关键组件。Zilog 公司的 Z80C30 和 Z85C30 CMOS SCC 串行通信控制器凭借其出色的性能和丰富的功能，在众多应用场景中得到了广泛应用。今天，我们就来深入探讨一下这两款控制器的特点、功能及应用。

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一、产品概述

Z80C30 和 Z85C30 是 Zilog 公司推出的引脚和软件兼容的 CMOS 成员，属于 SCC 家族。它们是双通道、多协议数据通信外设，能轻松与具有复用或非复用地址/数据总线的 CPU 进行接口。这两款控制器具有低功耗、高性能和出色的抗噪能力，适用于各种串行数据传输应用。

1.1 主要特性

• 优化设计：Z85C30 针对非复用总线微处理器进行了优化，而 Z80C30 则针对复用总线微处理器进行了优化。
• 双独立通道：拥有两个独立的 0 至 4.1 Mbps 全双工通道，每个通道都有单独的晶体振荡器、波特率发生器（BRG）和数字锁相环（DPLL），可实现时钟恢复。
• 多协议操作：支持多种协议，可通过程序控制实现 NRZ、NRZI 或 FM 数据编码。
• 异步和同步模式：具备异步模式（5 - 8 位字符，1、1.5 或 2 个停止位）和同步模式（内部或外部字符同步，CRC 生成和校验）。
• SDLC/HDLC 模式：支持 SDLC/HDLC 模式，具有全面的帧级控制、自动零插入和删除等功能。
• 软件中断确认：具备软件中断确认功能，这是 NMOS 版本所没有的。
• 本地回环和自动回显：支持本地回环和自动回显模式。
• 增强的 DMA 支持：提供增强的 DMA 支持，具有 10 x 19 位状态 FIFO 和 14 位字节计数器。

1.2 Z85C30 独有特性

Z85C30 还具备一些独有的特性，部分特性默认开启，部分特性（带 * 标记）默认禁用，可通过 WR7 进行编程启用。

• 新的可编程写寄存器：新增可编程写寄存器 7 素数（WR7），可启用新功能。
• SDLC 模式改进：改进了对同步通信 SDLC 模式的支持，包括更轻松地发送连续帧、自动 SDLC 起始标志传输等。
• AC 时序改进：缩短了访问恢复时间，可编程 DTR/REQ 时序，消除了写数据到 WR 下降沿的建立时间要求，减少了 INT 时序。
• 其他特性：具有扩展读取功能，可读取写寄存器的写入值；在读取时锁存 RRO；RRO 的 D7 位和 RR10 的 D6 位现在有默认复位值。

二、引脚描述

2.1 通用引脚

Z85C30 和 Z80C30 有一些通用引脚，这些引脚在不同模式下具有不同的功能。

• CTSA、CTSB：清除发送（输入，低电平有效），可用于自动启用功能或作为通用输入。
• DCDA、DCDB：数据载波检测（输入，低电平有效），可作为接收器启用或通用输入。
• DTR/REQA、DTR/REQB：数据终端就绪/请求（输出，低电平有效），可作为通用输出或 DMA 控制器的请求线。
• IEI、IEO：中断使能输入/输出，用于形成中断菊花链。
• INT：中断请求（输出，开漏，低电平有效）。
• INTACK：中断确认（输入，低电平有效）。
• PCLK：时钟输入，用于同步内部信号。
• RxDA、RxDB：接收数据输入。
• RTxCA、RTxCB：接收/发送时钟输入，可配置多种工作模式。
• RTSA、RTSB：请求发送（输出，低电平有效）。
• SYNCA、SYNCB：同步（输入或输出，低电平有效），可作为输入、输出或晶体振荡器电路的一部分。
• TxDA、TxDB：发送数据输出。
• TRxCA、TRxCB：发送/接收时钟（输入或输出，低电平有效），可配置多种工作模式。
• W/REQA、W/REQB：等待/请求（输出，开漏或驱动高/低电平），可作为 DMA 控制器的请求线或等待线。

2.2 特定引脚

• Z85C30 特定引脚：A/B 用于选择通道，CE 为芯片使能，D7 - D0 为数据总线，D/C 用于选择数据或控制信息，RD 为读信号，WR 为写信号。
• Z80C30 特定引脚：AD7 - AD0 为地址/数据总线，AS 为地址选通，CS0、CS1 为片选信号，DS 为数据选通，R/W 用于指定读写操作。

三、功能描述

3.1 I/O 接口能力

系统与 SCC 设备之间的通信通过其寄存器组完成。SCC 有十六个写寄存器（WR）和八个读寄存器（RR），通过这些寄存器可以进行数据、状态和控制信息的读写操作。数据传输方式有三种：轮询、中断（向量和非向量）以及 CPU/DMA 块传输。

• 轮询：所有中断禁用，CPU 定期读取状态寄存器，根据寄存器内容决定是否进行数据传输。
• 中断：支持向量和嵌套中断，通过 INTACK 信号实现中断确认。每个中断源有三个相关位：中断待决（IP）、服务中中断（IUS）和中断使能（IE）。有三种类型的中断：发送、接收和外部/状态中断。
• CPU/DMA 块传输：提供块传输模式，可使用 WAIT/REQUEST 输出与 WR1 中的等待/请求位配合，实现 CPU 块传输功能和 DMA 控制器的数据传输。

3.2 SCC 数据通信能力

• 异步模式：每个通道可独立发送和接收数据，字符长度为 5 - 8 位，可选择奇偶校验，发送器可提供 1、1.5 或 2 个停止位，并可提供中断输出。接收器具有瞬态脉冲抑制机制，可检测并缓冲帧错误和溢出错误。
• 同步模式：支持字节和位导向的同步通信，可使用 6 位或 8 位同步字符（单同步）、12 位或 16 位同步模式（双同步）或外部同步信号进行字符同步。支持 CRC - 16 和 CCITT 错误检查多项式，可预设 CRC 生成器和校验器为全 1 或全 0。
• SDLC 模式：支持 SDLC 和 HDLC 等同步位导向协议，自动执行标志发送、零插入和 CRC 生成。接收器可自动在帧的起始标志处实现同步，并可根据地址进行帧过滤。
• SDLC 循环模式：支持 SDLC 循环模式，作为辅助站可监听并转发消息，在特定时间发送自己的消息。

3.3 波特率发生器和数字锁相环

• 波特率发生器（BRG）：每个通道都有一个可编程的波特率发生器，由两个 8 位时间常数寄存器、一个 16 位递减计数器和一个输出触发器组成。输出的 BRG 可作为发送时钟、接收时钟或两者，其时间常数与波特率的关系为：[Time Constant =frac{ PCLK or RTxC Frequency }{2 (Baud Rate)( Clock Mode )}-2]
• 数字锁相环（DPLL）：用于从 NRZI 或 FM 编码的数据流中恢复时钟信息，由一个标称频率为数据速率 32（NRZI）或 16（FM）倍的时钟驱动。

3.4 数据编码和回显功能

• 数据编码：SCC 可通过四种不同方法对串行数据进行编码和解码，包括 NRZ、NRZI、FM1 和 FM0。此外，还可通过 DPLL 在 FM 模式下对曼彻斯特数据进行解码。
• 自动回显和本地回环：支持自动回显功能，在异步、同步和 SDLC 模式下都可工作；本地回环模式将内部发送数据连接到内部接收数据，RxD 被忽略。

3.5 SDLC FIFO 帧状态 FIFO 增强

SCC 的 10 深 x 19 位宽状态 FIFO 可最大程度地提高接收高速连续 SDLC 帧的能力。当启用时，DMA 可继续将数据传输到内存，CPU 可稍后检查消息。每个 SDLC 帧的 14 位字节计数和 5 个状态/错误位存储在 FIFO 中，可通过读寄存器 6 和 7 访问。

四、编程与设置

4.1 寄存器编程

• Z85C30：数据寄存器通过 D/C 引脚直接寻址，其他寄存器（除 WR0 和 RR0）的编程需要两次写操作，读取需要一次写和一次读操作。
• Z80C30：所有 SCC 寄存器都可直接寻址，WR0B 中的命令控制如何解码地址/数据总线上的地址。

4.2 系统设置

系统程序首先发出一系列命令来初始化基本操作模式，然后根据所选模式设置其他条件，如异步模式下的字符长度、时钟速率、停止位和奇偶校验等，最后设置中断模式并启用接收器和发送器。

五、电气特性

5.1 绝对最大额定值

• Vcc 电源电压范围：–0.3 V 至 +7.0 V
• 所有引脚相对于 GND 的电压：–3 V 至 VCC + 0.3 V
• 工作环境温度：见订购信息章节
• 存储温度：–65° C 至 +150° C

5.2 标准测试条件

DC 特性和电容测量在标准测试条件下进行，所有电压以 GND 为参考，正电流流入参考引脚。

5.3 电容和 DC/AC 特性

文档还给出了输入、输出和双向电容的参数，以及 Z80C30 和 Z85C30 设备的 DC 和 AC 特性参数，包括输入输出电压、电流、时钟周期等。

六、封装与订购信息

6.1 封装

Z80C30 和 Z85C30 提供 40 引脚 DIP 封装和 44 引脚 PLCC 封装，文中给出了这两种封装的详细尺寸图。

6.2 订购信息

提供了不同速度（8 MHz、10 MHz、16 MHz）下的订购型号，同时介绍了部件编号后缀的含义，包括环境、温度范围、封装和速度等信息。

七、总结

Z80C30 和 Z85C30 CMOS SCC 串行通信控制器以其丰富的功能、出色的性能和灵活的编程能力，为电子工程师在串行数据通信设计中提供了强大的工具。无论是在异步通信还是同步通信应用中，它们都能满足不同的需求。在实际设计中，工程师需要根据具体的应用场景和系统要求，合理选择和配置这两款控制器，以实现高效、稳定的数据传输。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？或者对这两款控制器有什么其他的见解，欢迎在评论区分享交流。