单片机复用设计技术研究

胡子阳

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

单片机复用设计技术研究

胡子阳

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

集成电路产业沿着摩尔定律高速发展，工艺水平每两年升级换代一次，由此导致了元器件行业的高速发展，也带来了快速的更新换程。然而许多应用要求集成电路要长期稳定工作，不希望元器件更新速度太快以至于提高系统潜在风险，这就与元器件生命周期越来越短形成了矛盾，在单片机方面，由于早期MCS51架构单片机品种众多而且需求量大，此种问题尤其严重。技术上需要利用新的工艺技术，使已有的单片机通过复用扩展，设计出可以同时替代多款单片机的集成电路产品，以满足应用需求。利用L89C51RD2单片机，结合flash可配置的特点，设计了一款单片机产品，可以灵活配置其功能，从而实现对多个系列MCS51架构单片机的替代。

L89C51RD2设计；CMOS工艺；MCS51架构；单片机；复用技术；硬件兼容

1　引　言

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。

2　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0.18μm CMOS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。

表1　各个公司MCS51产品对比

3　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［4］。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［5］。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。

图1　SPI接口部分设计框图

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［6］。芯片复用选择的功能框图如图2所示。

图2　NVRB区选择功能框图

4　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［7］，仿真波形如图3所示。，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。

图3　部分仿真波形

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。

5　结束语

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［8］。

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。

［1］Philips Semiconductors.P89C51RB2／P89C51RC2／P89－C51RD2 DATA SHEET［Z］.Philips Semiconductors，2001.

［2］Philips Semiconductors.P89V51RD2 8－bit 80C51 5V low power microcontroller［Z］.Philips Semiconductors，2004.

［3］Atmel corporation.AT89S52 DATA SHEET，revision D［Z］.Atmel corporation，2008.

［4］刘滨，綦声波，杨梅，等.P89C51RD2的Boot ROM与ISP功能的实现［J］.单片机与嵌入式系统应用，2002（6）：43－47.Liu Bin，Qi Sheng－Bo，Yang Mei，et al.Boot ROM and ISP Function Design on P89C51RD2［J］.Microcontrollers＆Embedded Systems，2002（6）：43－47.

［5］王瑜新，殷瑞祥.基于并行通信方式的新型ISP和IAP设计［J］.桂林电子工业学院学报，2005，25（6）：23－26.Wang Yu－Xin，Yin Rui－Xiang.New ISP and IAP Design Based on Parallel Comunication［J］.JOURNAL OF GUILIN UNIVERSITY OF ELECTRONIC TECHNOLOGY，2005，25（6）：23－26.

［6］李哲英，骆丽.SOC与单片机应用技术的发展［J］.单片机与嵌入式系统应用，2001（2）：9－12.Li Zhe－Ying，Luo Li.Technology Development on SOC and SCM Technology［J］.Microcontrollers＆Embedded Systems，2001（2）：9－12.

［7］王国章，须自明，刘战，于宗光.SOC芯片验证技术的研究［J］.微计算机信息，2007，23（8－2）：132－154.WANG GUOZHANG，XU ZIMING，LIU ZHAN，YU ZONGGUANG.A Study on SoC's Verification Techniques［J］.MICROCOMPUTER INFORMATION，2007，23（8－2）：132－154.

［8］古海云.可重构SOC设计技术研究［D］.南京：东南大学，2006.Gu Hai－yun.RESEARCH ON THE DESIGN TECHNOLOGY OF RECONFIGURABLE SOC［D］.NanJing：Southeast University，2006.

Research on Microcontroller Multi－in－One Design Technology

Hu Ziyang
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

With the rapid development of IC industry，according to Moore＇s Law，the process will upgrade each two years to increase the development of IC chip.But some applications still need stable and long term working rather than the higher upgrade for preventing the system from the potential risks.In Single－Chip－Microcontroller field，this problem is more serious because MCS51 chips have more types and are in great demand.A new process technology is required to introduce a flexible product based on L89C51RD2 microcontroller and some features of flash.It can be configured to replace multi－series microcontroller with MCS51 architecture.

L89C51RD2；CMOS；MCS51；SCM；Flexible Technology；Hardware Compatible

10.3969／j.issn.1002－2279.2016.01.004

TN492

B

1002－2279（2016）01－0015－03

胡子阳（1978－），男，辽宁省铁岭市人，高级工程师，硕士研究生，主研方向：集成电路设计与应用。

2015－08－28