Z86C91：高效ROMless微控制器的技术剖析

在电子设计领域，微控制器的选择至关重要，它直接影响着产品的性能、成本和开发周期。ZiLOG的Z86C91作为一款CMOS Z8 ROMless微控制器，以其独特的特性和丰富的功能，在众多应用场景中展现出强大的竞争力。今天，我们就来深入剖析一下这款微控制器。

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一、架构概览

Z86C91是ZiLOG的Z8系列8位ROMless微控制器中的一员，拥有236字节的RAM。它具备快速执行能力、高效的内存使用、复杂的中断处理、输入/输出位操作能力，以及便于硬件/软件系统扩展的特性，同时还具有低成本和低功耗的优势。

1. 强大的I/O能力

Z86C91为需要强大I/O能力的应用提供了24个专用输入/输出引脚，这些引脚被分为四个端口，每个端口由8条线组成，可在软件控制下进行配置，以提供定时、状态信号、串行或并行I/O（带或不带握手）以及用于连接外部存储器的地址/数据总线。

2. 多地址空间支持

该微控制器具有三个基本地址空间：程序存储器、数据存储器和236个通用寄存器，以支持广泛的配置需求。

3. 工作参数

Z86C91的工作频率为16 MHz，电压范围为4.5至5.5VDC。为了减轻系统处理实时任务（如计数/定时和数据通信）的负担，它还提供了两个片上计数器/定时器，具有大量用户可选模式，以及一个全双工硬件UART。此外，Z86C91是一款无ROM的器件，支持使用外部存储器，适用于高产量应用或需要代码灵活性的场景。

二、特性亮点

1. 通信与封装

• 异步收发器UART：支持高效的数据通信。
• 多种封装形式：提供40引脚DIP、44引脚PLCC和QFP封装，满足不同的应用需求。

  2. 工作范围

• 电压范围：4.5 - 5.5伏特的工作电压，保证了在不同电源环境下的稳定运行。
• 温度范围：标准工作温度范围为0°C至70°C，扩展工作温度范围为 -40°C至105°C，适应各种恶劣环境。

  3. I/O与中断

• 丰富的I/O线：24条输入/输出线，可实现多样化的输入输出配置。
• 中断功能：具有六个向量式、优先级中断，来自八个不同的源，能够快速响应各种事件。

  4. 计数器/定时器与振荡器

• 可编程计数器/定时器：两个可编程的8位计数器/定时器，每个都带有两个6位可编程预分频器，可实现精确的计数和定时功能。
• 片上振荡器：可接受晶体、陶瓷谐振器、LC或外部时钟，为系统提供稳定的时钟源。

  5. 低功耗模式

• 两种待机模式：STOP和HALT模式，可有效降低功耗，延长设备的续航时间。
• 自动锁存：自动锁存功能可确保所有未外部驱动的输入保持有效的CMOS电平，减少输入缓冲器中的过量电源电流。

三、引脚详解

1. 引脚配置

Z86C91提供了40引脚DIP、44引脚PQFP和44引脚PLCC三种封装形式，不同封装的引脚配置有所不同。每个引脚都有其特定的功能，包括电源、时钟、复位、读写控制、数据选通、地址选通等。

2. 引脚功能

• 数据选通（(overline{DS})）：在每次外部存储器传输时激活一次，用于指示数据的有效性。
• 地址选通（(overline{AS})）：在每个机器周期开始时脉冲一次，用于指示地址的有效性。
• 时钟引脚（XTAL1和XTAL2）：用于连接晶体、陶瓷谐振器、LC网络或外部时钟，为系统提供时钟信号。
• 读写信号（(R / overline{W})）：用于控制对外部数据存储器的读写操作。
• 复位引脚（RESET）：用于初始化微控制器，为避免异步和噪声复位问题，带有复位滤波器。
• 端口引脚（Port 0 - Port 3）：提供不同的输入/输出功能，可在软件控制下进行配置，部分端口还支持握手控制。

四、功能描述

1. 复位功能

Z86C91需要外部复位电路来实现上电复位，内部复位引脚带有上拉电阻。在复位周期内，(overline{DS})保持低电平，(overline{AS})以 (T_{P} C ÷2) 的速率循环。复位释放后，程序从地址000Ch开始执行。

2. 存储器管理

• 程序存储器：可寻址高达64 KB的外部程序存储器，前12个字节用于存储中断向量。
• 数据存储器：可寻址高达64 KB的外部数据存储器，通过P34引脚的DM信号区分数据和程序存储器空间。

  3. 寄存器文件

  寄存器文件包含三个I/O端口寄存器、236个通用寄存器和16个控制和状态寄存器。指令可以直接或通过8位地址字段间接访问寄存器，还支持使用寄存器指针进行4位寄存器寻址。

  4. 计数器/定时器

  两个8位可编程计数器/定时器（T0和T1），每个由其自己的6位可编程预分频器驱动。预分频器可将时钟源的输入频率除以1至64之间的任意整数。计数器可配置为启动、停止、继续或重新加载初始值，达到计数结束时会产生定时器中断请求。

  5. 中断处理

  Z86C91具有六个不同的中断，来自八个不同的源，这些中断是可屏蔽和优先级的。中断通过程序存储器中的向量进行处理，当中断请求被授予时，会激活中断机器周期，将中断请求标志复位，并跳转到相应的中断服务例程。

  6. 时钟系统

  片上振荡器具有高增益、并联谐振放大器，可连接晶体、LC、陶瓷谐振器或任何合适的外部时钟源。晶体应选择AT切割，频率范围为1 MHz至20 MHz，串联电阻小于等于100Ω。

  7. 低功耗模式

• HALT模式：关闭内部CPU时钟，但不关闭XTAL振荡或外设时钟，计数器/定时器和外部中断IRQ0 - IRQ3保持活跃，可通过外部或内部中断恢复。
• STOP模式：关闭内部时钟和外部晶体振荡，将待机电流降低到10微安或更低，通过复位终止，处理器从地址000Ch重新启动应用程序。

五、控制寄存器

Z86C91的控制寄存器包括串行I/O寄存器、定时器模式寄存器、计数器/定时器寄存器、预分频器寄存器、端口模式寄存器、中断优先级寄存器、中断请求寄存器、中断屏蔽寄存器、标志寄存器、寄存器指针寄存器和堆栈指针寄存器等。这些寄存器用于控制微控制器的各种功能，部分寄存器为只读或只写，使用时需要注意。

六、电气特性

1. 绝对最大额定值

包括电源电压、存储温度和工作环境温度等参数，超过这些额定值可能会对器件造成永久性损坏。

2. 标准测试条件

所有电压参考地，正电流流入参考引脚。

3. 电容特性

输入、输出和I/O电容的范围为0至12 pF。

4. DC电气特性

包括最大输入电压、时钟输入高/低电压、输入高/低电压、输出高/低电压、复位输入高/低电压、输入/输出泄漏电流、复位输入电流、电源电流和待机电流等参数，不同温度范围下的特性有所不同。

5. AC电气特性

包括外部I/O或存储器读写时序、时钟依赖公式、额外时序和握手时序等参数，用于描述微控制器在交流信号下的工作特性。

七、封装与订购信息

1. 封装形式

提供40引脚DIP、44引脚PLCC和44引脚PQFP三种封装，每种封装都有详细的尺寸规格。

2. 订购信息

根据不同的引脚数、封装和工作温度范围，提供了不同的订购编号。例如，Z86C9116PSC表示16 MHz、40引脚DIP、工作温度范围为0°C至70°C、塑料标准流的产品。

Z86C91以其丰富的功能、灵活的配置和良好的电气特性，为电子工程师提供了一个强大的设计平台。在实际应用中，工程师可以根据具体需求选择合适的封装和配置，充分发挥其优势，实现高效、稳定的系统设计。你在使用Z86C91或其他微控制器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。