Z86K15 键盘控制器：特性、功能与应用解析

在电子设备的设计中，键盘控制器扮演着至关重要的角色。今天，我们就来深入了解一下 ZiLOG 公司的 Z86K15 键盘控制器，探讨它的特性、功能以及在实际应用中的表现。

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一、架构概述

1.1 独特架构优势

Z86K15 是 Z8® MCU 家族的一员，拥有独特的寄存器到寄存器架构，避免了累加器瓶颈，相比 RISC 处理器，具有更高的代码效率。对于对 I/O 能力有较高要求的键盘应用，它提供了 32 个专用的输入输出引脚，可用于行、列、时钟、数据和 LED 控制。

1.2 关键特性一览

特性	详情
设备 ROM	4 KB
I/O 线路	32 条
速度	3 - 5 MHz
引脚数/封装	40 - Pin DIP、44 - Pin PLCC、Chip On Board
工作电压范围	4.5 V 到 5.5 V
工作温度范围	0ºC 到 +70ºC
RAM	188 字节
功耗	40 mW @ 5 MHz
中断	5 个向量、优先级中断，来自 5 个不同源
计数器/定时器	可编程 8 位计数器/定时器，带 6 位可编程预分频器
复位功能	上电复位（POR）定时器，硬件看门狗定时器（WDT）
输入特性	数字输入 CMOS 电平，带内部上拉电阻
LED 驱动	4 个直接连接的 LED 驱动端口
振荡器	片上 RC 振荡器
EMI 特性	低系统 EMI 发射
仿真功能	Z86E15 仿真 OTP

1.3 功能框图

其功能框图展示了各个模块的布局，包括输出输入、RC 振荡器、ALU、计数器/定时器、中断控制等部分，清晰地呈现了控制器的工作原理。

二、引脚描述

2.1 40 - Pin DIP 配置

该配置下，不同引脚承担着不同的功能。例如，P30 - P33 为输入引脚，用于接收外部信号；P00 - P07 为输出引脚，可输出控制信号；VCC 为电源引脚，GND 为接地引脚。详细的引脚功能可参考下表：	引脚编号	符号	功能	方向
1 - 4	P30 - P33	Port 3, Pins 0,1,2,3	输入
5 - 6	GND	接地
7 - 10	P27 - P24	Port 2, Pins 7,6,5,4	输入/输出
11	GND	接地
12	VCC	电源供应	电源
13 - 20	P00 - P07	Port 0, Pins 0,1,2,3,4,5,6,7	输出
21 - 28	P10 - P17	Port 1, Pins 0,1,2,3,4,5,6,7	输出
29	VCC	电源供应	电源
30	GND	接地
31	GND	接地
32	RC IN	RC 输入	输入
33 - 36	P34 - P37	Port 3, Pins 4,5,6,7	输出
37 - 40	P20 - P23	Port 2, Pins 0,1,2,3	输入

2.2 44 - Pin PLCC 配置

此配置下，引脚功能也各有不同。部分引脚与 40 - Pin DIP 配置类似，同时还有一些特殊的引脚，如 NC 表示未连接。具体引脚功能如下：	引脚编号	符号	功能	方向
1 - 4	P30 - P33	Port 3, Pins 0,1,2,3	输入
5 - 7	GND	测试引脚 - 接地
8 - 11	P27 - P24	Port 2, Pins 4,5,6,7	输入/输出
12	GND	接地
13	VCC	电源供应	电源
14 - 21	P00 - P07	Port 0, Pins 0,1,2,3,4,5,6,7	输出
22 - 28	P10 - P16	Port 1, Pins 0,1,2,3,4,5,6	输出
29	NC	未连接
30	P17	Port 1, Pin 7	输出
31	VCC	电源供应	电源
32	GND	接地
33	AGND	接地
34	NC	未连接
35	RC IN	RC 输入	输入
36 - 38	P34 - P36	Port 3, Pins 4,5,6	输出
39	NC	未连接
40	P37	Port 3, Pin 7	输出
41 - 44	P20 - P23	Port 2, Pins 0,1,2,3	输入/输出

三、电气特性

3.1 绝对最大额定值

在使用 Z86K15 时，需要注意其绝对最大额定值，以避免对设备造成永久性损坏。例如，电源电压（VCC）的范围为 -0.3 V 到 +7.0 V，存储温度范围为 -65ºC 到 +150ºC，工作环境温度范围为 0ºC 到 +105ºC。	符号	描述	最小值	最大值	单位
VCC	电源电压*	-0.3	+7.0	V
TSTG	存储温度	-65	+150	ºC
IA	工作环境温度	0	+105	°C

注：*所有引脚相对于 GND 的电压。

3.2 标准测试条件

电气特性的测试是在标准测试条件下进行的，所有电压均参考 GND，正电流流入参考引脚。

3.3 电容特性

在 (T{A}=25^{circ} C) ，(V{CC}=GND=0 ~V) ，(f = 1.0 MHz) ，未测量引脚返回 GND 的条件下，输入电容、输出电容和 I/O 电容的最大值均为 12 pF。

3.4 DC 特性

直流特性包括时钟输入高电压、低电压，输入高电压、低电压，输出高电压、低电压等参数。例如，时钟输入高电压（VCH）在由外部时钟发生器驱动时，范围为 0.7 VCC 到 VCC + 0.3 V。	符号	参数	最小值	最大值	单位	条件
VCH	时钟输入高电压	0.7 VCC	VCC + 0.3 V	V	由外部时钟发生器驱动
VCL	时钟输入低电压	GND - 0.3	0.2 VCC	V	由外部时钟发生器驱动
VIH	输入高电压	0.7 VCC	VCC + 0.3	V
VIL	输入低电压	GND - 0.3	0.2 VCC	V
VOH	输出高电压	VCC - 0.4		V	IOH = -2.0 mA
VOH	输出高电压	VCC - 0.6		V	IOH = -2.0 mA 1
VOL	输出低电压		0.4	V	IOL = 4 mA
VOL	输出低电压		0.8	V	IOL = 4 mA 1
IOL	输出低电流	10	20	mA	VOL = VCC - 2.2 V 1,2
IOL	输出泄漏电流	-1	1	µA	VIN = 0 V, 5.25 V
ICC	VCC 电源电流		8	mA	@ 5.0 MHz
ICC1	暂停模式电流		3	mA	@ 5.0 MHz
ICC2	停止模式电流		60	µA
RP	上拉电阻	6.76	14.04	KΩ
RP	上拉电阻 (P26 - P27)	1.8	3	KΩ

3.5 AC 电气特性

交流电气特性在 0ºC 到 70ºC 的环境温度下，5 MHz 的频率下进行测试。例如，输入时钟周期（TpC）的范围为 200 ns 到 333 ns。	编号	符号	参数	VCC	最小值	最大值	单位	注释
1	TpC	输入时钟周期	5.0 V	200	333	ns	1
2	TrC, TfC	时钟输入上升和下降时间	5.0 V		25	ns	1
3	TwC	输入时钟宽度	5.0 V	37		ns	1
4	TwIL	中断请求低时间	5.0 V	3TpC			1,2
5	TwIH	中断请求输入高时间	5.0 V	3TpC			1,3
6	Tost	振荡器启动时间	5.0 V		5TpC		4
7	Twsm	停止模式恢复宽度规格	5.0 V	5TpC		ns
8	Twdt	看门狗定时器延迟时间	5.0 V	53		ms
9	Tpor	上电复位	5.0 V	50	200	ms

四、引脚功能

4.1 Port 0 和 Port 1

Port 0 和 Port 1 均为 8 位、CMOS 兼容的高阻抗上拉/低阻抗下拉输出端口，可用于输出控制信号。

4.2 Port 2

Port 2 是 8 位 CMOS 兼容端口，具有 4 位输入和 4 位可编程 I/O。P20 - P25 具有 10.4 - KΩ（±35%）上拉电阻，P26 - P27 具有 2.4 - KΩ（±25%）上拉电阻。为满足键盘应用要求，P24 - P27 为开漏输出。

4.3 Port 3

Port 3 是 8 位、CMOS 兼容的 4 固定输入（P33 - P30）和 4 固定输出（P37 - P34）I/O 端口。输入具有 10.4 - KΩ 上拉电阻，输出能够直接驱动 LED。同时，Port 3 可在软件控制下提供 4 个外部中断请求信号（IRQ0 - IRQ3）。

五、功能描述

5.1 程序内存

12 位程序计数器可寻址 4 KB 的内部程序内存空间。前 12 字节为中断向量保留，对应 5 个可用中断的 6 个 16 位向量。字节 12 到 4095 为片上掩膜编程 ROM，地址 4096 及以上为保留地址。

5.2 寄存器文件

寄存器文件由 4 个 I/O 端口寄存器、188 个通用寄存器和 11 个控制和状态寄存器组成。指令可通过 8 位地址字段直接或间接访问寄存器，使用寄存器指针可实现 4 位寄存器寻址。

5.3 计数器/定时器

有一个 8 位可编程计数器/定时器（T0），由 6 位可编程预分频器驱动。预分频器可将时钟输入频率除以 1 到 64 之间的任意整数。当计数器和预分频器达到计数结束时，会产生定时器中断请求（IRQ4）。计数器可进行多种编程操作，如启动、停止、重启等，还可设置为单次通过模式或模 N 连续模式。

5.4 中断

Z86K15 具有 5 个不同的中断源，这些中断可屏蔽且具有优先级。中断源包括 Port 3 的 4 条线路（P33 - P30）和计数器/定时器。中断屏蔽寄存器可全局或单独启用或禁用 5 个中断请求。当多个中断挂起时，可编程优先级编码器会根据中断优先级寄存器解决优先级问题。

5.5 RC 振荡器

Z86K15 提供内部电容以实现 RC 振荡器配置，需要一个 1% 精度的电阻来实现 ±10% 准确的频率振荡。对于标称 4 - MHz 信号，可使用 7.68 KΩ 电阻。同时，它也可接受来自 ((RC_{IN})) 的外部时钟。

5.6 看门狗定时器

看门狗定时器（WDT）在电源开启且在掩码选项中启用时会自动激活。它是一个可重触发的单触发定时器，如果 Z8 达到终端计数，会重置 Z8。WDT 由系统时钟驱动，必须在每个 WDT 周期内至少刷新一次。WDT 超时时间为 294,912 ÷ f。

5.7 上电复位（POR）

上电复位由系统振荡器触发的定时器电路实现，用于在指令执行开始前使 VCC 和振荡器电路稳定。POR 周期为 (frac{589,824}{f}) ，标称时间为 50 到 200 ms，在停止模式恢复（SMR）期间会绕过 POR 定时器。

5.8 HALT 和 STOP 模式

HALT 模式会关闭内部 CPU 时钟，但 RC 振荡器仍工作，计数器/定时器和外部中断 IRQ0、IRQ1、IRQ2、IRQ3 保持活跃，可通过内部或外部中断恢复。STOP 模式会关闭内部时钟和振荡器，将待机电流降低到小于 60 µA，通过启用的外部中断终止，处理器会在地址 000Ch 或活动外部中断向量处重新启动应用程序。

六、控制寄存器

控制寄存器包括定时器模式寄存器、计数器/定时器 0 寄存器、预分频器 0 寄存器、端口 2 模式寄存器、端口 2 开漏模式寄存器、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、寄存器指针和堆栈指针等。这些寄存器的位定义用于控制和配置 Z86K15 的各种功能。

七、封装信息

Z86K15 有 40 - Pin DIP 和 44 - Pin PLCC 两种封装形式，文档中提供了详细的封装尺寸图，方便工程师进行设计和布局。

八、订购信息

8.1 订购选项

提供了两种订购选项，分别是 40 - Pin DIP 封装、5 MHz、标准温度的 Z86K1505PSC 和 44 - Pin PLCC 封装、5 MHz、标准温度的 Z86K1505VSC。

8.2 部件编号描述

ZiLOG 部件编号由多个组件组成，如 Z 为 ZiLOG 前缀，86K15 为产品编号，05 表示速度，P 表示封装，S 表示温度，C 表示环境流。例如，Z86K1