Renesas 3858 组单芯片 8 位 CMOS 微计算机深度解析

在电子设备不断发展的今天，微计算机作为核心部件，其性能和特性对于整个系统的运行起着至关重要的作用。今天我们就来深入探讨一下 Renesas 3858 组单芯片 8 位 CMOS 微计算机，了解它的各项功能、特点以及使用中的注意事项。

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一、产品概述

Renesas 3858 组微计算机是基于 740 家族核心技术的 8 位微计算机，专为家用产品和办公自动化设备设计。它具备多种功能，如串行接口功能、8 位和 16 位定时器以及 A/D 转换器等，为各类应用提供了强大的支持。

1.1 主要特性

• 时钟生成电路：内置 2 个电路，可连接外部陶瓷谐振器或石英晶体振荡器。
• 看门狗定时器：16 位定时器，为系统提供可靠的监控和复位功能。
• 电源电压：不同模式下有不同的电源电压范围，例如高速模式下为 4.0 - 5.5V（12.5MHz 振荡频率）或 2.7 - 5.5V（6MHz 振荡频率）。
• 工作温度范围：-20 至 85°C，能适应较宽的工作环境。
• 指令系统：采用标准的 740 家族指令集，基本机器语言指令有 71 条，最小指令执行时间为 0.32µs。
• 内存大小：ROM 为 48K 字节，RAM 为 1.5K 字节。
• 中断源：19 个中断源，16 个中断向量，可灵活应对各种事件。
• 可编程输入/输出端口：34 个端口，方便与外部设备进行连接和通信。

二、功能模块详解

2.1 中央处理器（CPU）

• 寄存器结构：包括累加器（A）、索引寄存器 X（X）、索引寄存器 Y（Y）、堆栈指针（S）、程序计数器（PC）和处理器状态寄存器（PS）等。这些寄存器在数据处理、地址计算和程序执行中发挥着重要作用。
• 指令执行：使用标准的 740 家族指令集，但 FST 和 SLW 指令不能使用，而 STP、WIT、MUL 和 DIV 指令可以使用。
• 处理器状态寄存器（PS）：包含 5 个标志位，用于指示算术运算后的处理器状态，以及 3 个标志位用于决定 MCU 操作。通过测试这些标志位，可以进行分支操作。

2.2 内存

• 特殊功能寄存器（SFR）区域：零页中的特殊功能寄存器区域包含 I/O 端口和定时器等控制寄存器。
• RAM：用于数据存储和子程序调用及中断的堆栈区域。
• ROM：前 128 字节和最后 2 字节为设备测试保留区域，其余为用户存储程序的区域。
• 中断向量区域：包含复位和中断向量。
• 零页和特殊页：在零页寻址模式和特殊页寻址模式下，可仅用 2 字节访问这些区域。

2.3 I/O 端口

I/O 端口具有方向寄存器，可单独设置每个引脚的输入/输出方向。通过设置端口上拉控制寄存器，可对端口进行上拉控制，但对输出端口设置无效。不同端口具有不同的功能，如 P0 端口可作为串行 I/O2 功能引脚，P1 端口可输出大电流用于 LED 驱动等。

2.4 中断

3858 组的中断为向量类型，有 19 个中断源中的 16 个可触发中断。每个中断由中断请求位、中断使能位和中断禁用标志控制。当相应的中断请求和使能位为“1”且中断禁用标志为“0”时，中断发生。中断发生时，会自动执行一系列操作，如将程序计数器和处理器状态寄存器的内容压入堆栈等。

2.5 定时器

• 8 位定时器：包括定时器 1、定时器 2、定时器 X 和定时器 Y。它们使用不同的预分频器，且每个定时器和预分频器都有定时器锁存器或预分频器锁存器。
• 16 位定时器（Timer Z1 和 Timer Z2）：可选择不同的计数源和操作模式，如定时器模式、事件计数器模式、脉冲输出模式等。在不同模式下，定时器的功能和操作方式有所不同。

2.6 串行接口

• 串行 I/O1：可作为时钟同步或异步（UART）串行 I/O 使用，提供专用的波特率生成定时器。在不同模式下，数据传输的格式和控制方式有所不同。
• 串行 I/O2：只能作为时钟同步类型操作，可选择内部时钟或外部时钟作为同步时钟。在数据传输过程中，可通过比较发送引脚和接收引脚的状态输出 SCMP2 信号，并可生成 INT2 中断请求。

2.7 PWM（脉冲宽度调制）

3858 组具有 8 位分辨率的 PWM 功能，基于时钟输入 XIN 或该时钟输入除以 2 的信号。通过设置 PWM 预分频器和 PWM 寄存器，可设置 PWM 周期和输出脉冲的“H”期。

2.8 A/D 转换器

A/D 转换器用于将模拟信号转换为数字信号。通过 AD 控制寄存器控制 A/D 转换过程，转换结果存储在 AD 转换寄存器中。在进行 A/D 转换时，需要注意时钟频率和参考电压等因素，以确保转换精度。

2.9 看门狗定时器

看门狗定时器用于在程序无法正常运行时将系统恢复到复位状态。它由 8 位看门狗定时器 L 和 8 位看门狗定时器 H 组成。在复位或写入看门狗定时器控制寄存器时，看门狗定时器 H 和 L 被设置为“FF16”。当看门狗定时器 H 下溢时，会发生内部复位。

2.10 复位电路

要复位微计算机，需将 RESET 引脚保持在“L”电平 20 个 XIN 周期以上，然后将其返回“H”电平（电源电压需在 2.7V 至 5.5V 之间，且振荡稳定），复位释放后，程序从复位向量地址开始执行。

2.11 时钟生成电路

3858 组具有两个内置振荡电路，可通过连接谐振器在 XIN 和 XOUT（XCIN 和 XCOUT）之间形成振荡电路。可选择不同的频率控制模式，如中速模式、高速模式、低速模式和低功耗模式。在不同模式下，内部时钟的频率和振荡控制方式有所不同。

三、电气特性

3.1 绝对最大额定值

规定了微计算机在各种参数下的最大允许值，如电源电压、输入电压、输出电压、功耗、工作温度和存储温度等。在使用过程中，必须确保各项参数不超过这些额定值，以保证微计算机的正常运行和可靠性。

3.2 推荐工作条件

给出了微计算机在不同模式下的推荐工作参数，如电源电压、参考电压、输入电压、输出电流等。遵循这些推荐条件，可以使微计算机在最佳状态下工作，提高系统的性能和稳定性。

3.3 电气特性和 A/D 转换器特性

详细描述了微计算机在不同条件下的电气性能，如输出电压、输入电流、电源电流等，以及 A/D 转换器的分辨率、绝对精度、转换时间等特性。这些特性对于设计和评估系统的性能至关重要。

3.4 时序要求和开关特性

规定了微计算机在各种操作中的时序要求，如复位输入脉冲宽度、外部时钟输入周期时间、串行 I/O 时钟输入周期时间等，以及开关特性，如时钟输出脉冲宽度、输出延迟时间等。在设计电路时，必须满足这些时序和开关要求，以确保系统的正常通信和操作。

四、编程和使用注意事项

4.1 编程注意事项

• 处理器状态寄存器：在复位后，必须初始化影响程序执行的标志位，特别是 T 和 D 标志位，因为它们对计算有重要影响。
• BRK 指令：在满足特定条件时，BRK 指令会从具有最高优先级的中断向量地址开始执行中断。
• 十进制计算：在进行十进制计算时，需使用 ADC 和 SBC 指令，并设置十进制模式标志（D）为“1”。在十进制模式下，部分标志位的值无效。
• JMP 指令：在间接寻址模式下使用 JMP 指令时，不要指定页面的最后地址作为间接地址。
• 乘法和除法指令：MUL 和 DIV 指令不受索引 X 模式（T）和十进制模式（D）标志的影响，且执行这些指令不会改变处理器状态寄存器的内容。
• 端口操作：端口方向寄存器的内容不能读取，某些指令和寻址模式不能用于端口方向寄存器，应使用 LDM 和 STA 等指令设置端口方向寄存器。
• 指令执行时间：指令执行时间可通过将内部时钟 φ 的频率乘以 740 家族软件手册中提到的周期数来获得。
• 保留区域和位：不要向 SFR 区域和特殊页中的保留区域写入数据。
• CPU 模式寄存器：必须将 CPU 模式寄存器（地址 003B16）的位 3 固定为“1”。

4.2 外设功能注意事项

• 输入和输出端口：在待机状态下，要避免 I/O 端口的输入电平“未定义”，特别是 N 沟道开漏输出端口。在修改端口锁存器时，要注意未指定位的值可能会改变。
• 未使用引脚的端接：对于未使用的 I/O 端口，可将其设置为输入模式并通过电阻连接到 VCC 或 VSS，或设置为输出模式并将其开路为“L”或“H”。对于不使用的 A/D 转换器的 AVSS 引脚，应将其连接到 VSS 引脚。
• 中断：在更改相关寄存器设置时，可能会设置中断请求位，此时应按照特定的顺序进行操作，以避免不必要的中断发生。在检查中断请求位时，应在清除中断请求位后执行一条或多条指令，再执行 BBC 或 BBS 指令。
• 定时器：写入定时器锁存器的值会影响频率分频比，在切换计数源时，要注意定时器计数值可能会发生变化，应先选择计数源，再设置预分频器和定时器的值。
• 串行接口：在选择时钟同步或异步串行 I/O 时，要注意传输和接收操作的停止条件、SRDY1 输出的设置、控制寄存器的重新设置、数据传输控制以及外部时钟的使用等问题。
• PWM：PWM 在 PWM 使能位设置为使能后开始工作，并从 PWM 引脚输出“L”电平，其“L”电平输出的长度与计数源选择位和预分频器的值有关。
• A/D 转换器：要确保模拟输入引脚的信号源阻抗低，或为其配备外部电容，以提高 A/D 转换精度。无论是否使用 A/D 转换功能，都应将 AVSS 引脚连接到 VSS 线。在 A/D 转换期间，要保证时钟频率满足要求。
• 看门狗定时器：要确保在等待停止释放期间，看门狗定时器不会下溢。当 STP 指令功能选择位设置为“1”后，无法通过程序将其切换为“0”。
• RESET 引脚：在 RESET 信号上升时间较长时，可在 RESET 引脚和 VSS 引脚之间连接陶瓷电容等。在电源开启后释放复位时，要确保 XIN 经过 20 个周期以上，且电源电压在 2.7V 以上，XIN 振荡稳定。
• 停止模式和等待模式：在停止模式下，返回正常模式时需重新设置预分频器 12 和定时器 1 的值。在等待模式下，若通过复位释放等待模式，可能会改变系统时钟的设置，需注意振荡稳定。
• 振荡重启：通常在通过 STP 指令停止时钟振荡后，释放 STP 指令时会自动重新加载定时器 1 和预分频器 12 的固定值，以稳定振荡。用户可通过设置 MISRG 的位 0 来禁止自动设置，但需在执行 STP 指令前根据振荡稳定时间设置合适的值。
• 源引脚处理：为避免闩锁现象，应在电源引脚（VCC 引脚）和 GND 引脚（VSS 引脚）以及电源引脚（VCC 引脚）和模拟电源输入引脚（AVSS 引脚）之间连接合适的高频旁路电容。
• 电源电压：当微计算机的电源电压低于推荐工作条件时，可能会导致系统运行不稳定，应在电源电压下降时及时复位微计算机，以避免系统出现错误。
• 空白产品和 QzROM 版本：对于空白产品，可能会出现约 0.1% 的写入错误，需注意写入环境。对于 QzROM 版本，应将 CNVSS/VPP 引脚尽可能短地连接到为微计算机 VSS 引脚提供的 GND 模式，并可串联一个约 5kΩ 的电阻以提高抗噪能力。
• QzROM 写入订单：在订购写入后的 QzROM 产品时，需提交由掩码文件转换器 MM 生成的掩码文件，并设置 ROM 选项数据。同时，需提供 QzROM 写入确认表、标记规格表和 ROM 数据等。

五、总结

Renesas 3858 组单芯片 8 位 CMOS 微计算机具有丰富的功能和特性，适用于多种应用场景。在设计和使用过程中，我们需要深入了解其各项功能模块和电气特性，严格遵循编程和使用注意事项，以确保系统的稳定运行和性能优化。希望本文能为电子工程师在使用该微计算机时提供有价值的参考。你在实际应用中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。