CC BY
64Компоненты и технологии, № 8'2003
8-разрядные микроконтроллеры Renesas серии H8/300L Super Low Power
для применения в электронных счетчиках
Недавно образованная компания Renesas предлагает микроконтроллеры серии H8/300L Super Low Power для устройств со сверхнизким энергопотреблением.
Дмитрий Чоловский
dmitry_tcholovsky@macroteam.ru
1 апреля 2003 года полупроводниковые производства компаний Hitachi и Mitsubishi Electrics были объединены в единую компанию Renesas. Основой бизнеса является производство микроконтроллеров с разрядностью от 4 до 32. Целью объединения компаний было:
• Увеличение производства микросхем с большой степенью интеграции.
• Снижение затрат на разработку новых изделий.
• Выход на лидирующие позиции в производстве компонентов для сотовых сетей, автомобилей и бытовых цифровых устройств.
В новую компанию перешли только полупроводниковые производства компаний за исключением подразделений, выпускающих DRAM. За рамками компании Renesas остались производство ЖК-дисплеев, которое осталось в Hitachi (подразделение «Дисплеи»), производство силовых модулей (производства остались как в прежней компании Hitachi (подразделение «Силовые компоненты»), так и в Mitsubishi), а также производство уси-
лительных RF-модулей, которое присутствовало в прежней компании Mitsubishi. Таким образом, в Renesas из материнских компаний были перемещены только полупроводниковые производства, не требующие использования каких-либо дополнительных гибридных технологий. Это объединение позволяет новой компании сфокусироваться только на выпуске микроконтроллеров, схем памяти, логических микросхем, аналоговых и дискретных компонентов общего назначения и сразу же занять лидирующие позиции на рынке. По данным аналитической компании Dataquest, объединенная компания Renesas должна стать производителем полупроводников № 2 в мире, уступая только такому монстру, как Intel, а также должна стать производителем № 1 микроконтроллеров для промышленного применения. Вклад Hitachi в новую компанию составляет 55% против 45% у Mitsubishi.
В дальнейшем в статье будет использовано обозначение Renesas (H) для разработок, которые были выполнены инженерами бывшей компании Hitachi,
Таблица 1. Обзор микроконтроллеров Renesas серии H8/300L SLP
H8/3887 H8/3867 H8/3847 H8/3827 H8/3847R H8/3827R H8/38024 H8/3802
Ядро 6 МГц H8/300L 6 МГц H8/300L 6 МГц H8/300L 6 МГц H8/300L 16 МГц H8/300L 16 МГц H8/300L 16 МГц H8/300L 16 МГц H8/300L
Flash Нет Нет Нет Нет Нет Нет H8/38004F* H838024F
OTP Да Да Да Да Да Да Да Да
ROM 60-16 кбайт 60-16 кбайт 60-16 кбайт 60-16 кбайт 60-16 кбайт 60-16 кбайт 16-8 кбайт 32-8 кбайт
SRAM 1-2 кбайт 1-2 кбайт 1-2 кбайт 1-2 кбайт 1-2 кбайт 1-2 кбайт 512-1 кбайт 512-1 кбайт
ЖК-контроллер 40x4 32x4 40x4 32x4 40x4 32x4 25x4 32x4
Источник питания для ЖКИ Да Да Нет Нет Нет Нет Нет Нет
16-разр. таймер 1 1 1 1 1 1 1 1
8-разр. таймер 3 3 3 3 3 3 1 3
Асинхронный таймер 1 1 1 1 1 1 1 1
Сторожевой таймер 1 1 1 1 1 1 0 1
USART 2 2 2 2 2 2 1 1
Последовательный интерфейс 1 0 1 0 1 0 0 0
АЦП 12 каналовх10-разр. 8 каналовх10-разр. 12 каналовх10-разр. 8 каналовх10-разр. 12 каналовx10-разр. 8 каналовx10-разр. 4 каналовx10-разр. 8 каналовx10-разр.
Порты ввода-вывода 84 64 84 64 84 64 50 66
Корпус 100 выводов 80 выводов 100 выводов 80 выводов 100 выводов 80 выводов 64 выводов 80 выводов
Компоненты и технологии, № 8'2003
Типовая система измерителя
Калибровка/
ЖКИ пользователя
Рис. 1. Типовая структура электронного счетчика электроэнергии.
Компания Renesas (H) поставляет для счетчиков микроконтроллер и последовательную EEPROM
но сейчас предлагаются покупателям под маркой и от имени компании Renesas.
Компания Renesas (Н) разработала серию микроконтроллеров H8/300L SLP (Super Low Power) специально для новейших микропроцессорных систем, где требуется сверхнизкое энергопотребление. В настоящее время существует более 100 представителей этого семейства, которые предлагаются потребителям с различными типами ПЗУ, разными объемами ОЗУ, периферийных модулей, а также типов корпусов (табл. 1).
Основными областями применения микроконтроллеров семейства H8/300L SLP являются системы, где важна длительность работы системы и индикатора от автономного или ограниченного по мощности источника питания. В частности, такими системами являются:
• автоответчики;
• регистраторы данных;
• пожарные и охранные системы;
• датчики потока;
• электронные однофазные и трехфазные счетчики электроэнергии;
• медицинское диагностическое оборудование: измерители давления, измерители уровня сахара в крови, датчики сердечного ритма;
• телеметрическое оборудование.
В настоящее время в Европе микроконтроллеры серии H8/300L SLP уже используются в таких приложениях, как электронные счетчики электроэнергии (рис. 1), воды, газа, а также в медицинском оборудовании. Компания Renesas с этой серией микроконтроллеров смогла занять около 70% европейского рынка электрических счетчиков. Успех связан в первую очередь с великолепным набором характеристик, идеально подходящим для электронных счетчиков. Основой микроконтроллера является высокопроизводительное ядро Н8, в контроллер встроена вся необходимая для счетчиков периферия, включая драйвер ЖК-дисплея, часы реального времени и специализированный асинхронный счетчик. Также микроконтроллеры характеризуются сверхнизким энергопотреблением, множеством энергосберегающих режимов и широким диапазоном рабо---------------------www.finestreet.ru-
чего напряжения: от 1,8 до 5,5 В. По словам производителя, энергии типовой для счетчиков батареи питания емкостью 1400мА ч должно хватить более чем на 9 лет автономной работы. Это стало возможным благодаря встроенной функции быстрого запуска осциллятора, за счет чего существенно снижены ненужные потери электроэнергии при переходных процессах.
Для быстрейшего внедрения в производство электронных счетчиков на базе микроконтроллеров H8/300L Super Low Power производитель предлагает базовые эталонные платформы (рис. 2 и 3), а также полный комплект документации, включающий в себя принципиальную схему, исходные коды программ на языке С и т. д. Документация становится доступна заказчикам после подписания договора о неразглашении информации третьим лицам.
Рис. 2. Эталонная платформа однофазного многотарифного счетчика электроэнергии
Рис. 3. Эталонная платформа измерителя сахара в крови
Несколько слов об архитектуре микроконтроллеров и их периферии. Микроконтроллеры семейства Н8/300Ь вЬР имеют общее для всех 8-разрядных микроконтроллеров Renesas (Н) 8/16-разрядное ядро Н8/300 и полностью совместимы по коду со всеми старшими членами семейств Н8 компании Renesas (Н). Полная программная совместимость дает пользователю возможность при необходимости легко перейти с 8-разрядного микроконтроллера на более передовой 16-разрядный (семейства Н8/300Н или Н88). Этот переход может быть необходим в дальнейшем, когда понадобится более производительный микроконтроллер с увеличенными объемами ОЗУ и ПЗУ. В случае такого перехода не возникнет необходимости снова разрабатывать систему, затрачивать средства на отладочные системы и т. д.
Как и во всех других микроконтроллерах Renesas (Н), ядро микроконтроллеров семейства Н8/300Ь вЬР специально разработано для программирования на языках высокого уровня. Микроконтроллер обладает линейным адресным пространством с возможностью адресации до 64 К ячеек ПЗУ, а также регистрами общего назначения (РОН). РОН могут использоваться или как 8 16-разрядных регистров или как 16 8-разрядных регистров (рис. 4).
Ядро характеризуется следующими показателями производительности:
• все основные команды, к которым относятся и математические команды, выполняются за 2-4 такта;
• 8- или 16-разрядные операции по сложению или вычитанию «регистр-регистр» выполняются за 0,67 мкс (на тактовой частоте 3 МГц);
• умножение 8х8-бит: 4,67 мкс (на тактовой частоте 3 МГц);
• деление 16^8-бит: 4,67 мкс (на тактовой частоте 3 МГц);
Все микроконтроллеры серии Н8/300Ь 8ЬР, за исключением новейшего Н8/3802 и его клонов с £ЫЬ-памятью Н8/38004 и Н8/38002, имеют очень близкий набор периферийных устройств.
Основные параметры микроконтроллеров:
• Напряжение питания — от 1,8 до 5,5 В.
• Встроенный в микроконтроллер драйвер ЖКИ (25х4, 32х4 или 40х4).
• Один 16-разрядный таймер.
R0H R0L
R1H R1L
R2H R2L
R3H R3L
R4H R4L
R5H R5L
R6H R6L
R7H (S Р) R7L
SP: Указатель стека
Регистры управления (С(Ч)
15_______________________0
| РС | РС: Счетчик программ
76 5432 10 СО*11|и|н|и|м|2|у[с1 ССК: Регистр состояния кода
----Флаг переноса
----Флаг переполнения
----Флаг нуля
----Флаг отрицательного числа
----Флаг полуп ере носа
----Бит разрешения прерываний
----Бит пользователя
----Бит пользователя
Рис. 4. Структура регистров общего назначения и регистров управления
Є
Компоненты и технологии, № 8'2003
Все РОН могут использоваться как для хранения данных, так и в качестве указателей на данные (адресные регистры). Регистр R7 обычно используют как указатель стека (БР), который аппаратно будет использоваться при вызове подпрограмм.
Регистры управления СРи включают в себя 16-разрядный счетчик программ и 8-разрядный регистр состояния кода.
Счетчик программ: этот 16-разрядный регистр содержит адрес следующей инструкции, которая будет выполняться. Все инструкции являются 16-битными в каждый момент времени. По этой причине младший разряд счетчика программ игнорируется (и всегда равен 0).
Регистр состояния кода: этот 8-разрядный регистр содержит информацию о внутреннем состоянии СРи. Информация этого регистра доступна для чтения и записи (команды ЮС, БТС, ANDC, ORC и XORC) и содержит бит разрешения прерываний (I), полупереноса (Н), флаг отрицательного числа ^), нулевого результата (X), переполнения (V) и переноса (С). Флаги N X, V, и С используются при операциях ветвления, когда переход зависит от значения полученного результата.
Бит 7: Бит разрешения прерываний (I). По умолчанию все прерывания запрещены и этот бит установлен. Бит доступен для чтения и записи.
Биты 6 и 4: Биты для пользователей (и). Могут свободно использоваться.
Бит 5: Флаг полупереноса (Н). Если во время операций сложения и вычитания с учетом бита переноса или без учета, а также при выполнении команды сравнения произошел заем или перенос бита 3, то флаг устанавливается. Во всех других случаю бит сброшен.
Бит 3: Флаг отрицательного числа (ЭД. Бит содержит в себе самый старший бит (знаковый бит) результата.
Бит 2: Флаг нулевого результата {X) . Бит устанавливается, если результатом инструкции был нуль. Во всех других случаях бит сброшен.
Бит 1: Флаг переполнения (V). Флаг устанавливается, когда в ходе выполнения программы произошло переполнение. Во всех других случаях бит сброшен.
Бит 0: Флаг переноса (С). Бит устанавливается, если был перенос, и сброшен во всех остальных случаях. Флаг используется при следующих операциях:
• инструкции сложения;
• инструкции вычитания;
• сдвиговые инструкции (для сохранения значения сдвинутого бита).
Флаг переноса также используется как битовый аккумулятор при выполнении команд работы с битами.
H8/300L
Развитие семейства Super Low Power
H8Sr
ЮОріп
16-разрядное Н8/300Н Расширенная периферия Маленький корпус Малое энергопотребление
Массовое производство
В разработке
Планируется
Рис. 5. Развитие семейства Super Low Power
Три 8-разрядных таймера (один в Н8/3802 и клонах).
Один сторожевой таймер (нет в Н8/3802 и клонах).
Один асинхронный таймер для подсчета внешних событий.
Два ШАЯТ (один в Н8/3802 и клонах).
Для реализации часов реального времени есть возможность подключения к МК второго кварца с частотами 32,768 кГц или 38,4 кГц.
• От 4 каналов АЦП для Н8/3802 и его клонах до 10-12 каналов 10-разрядного АЦП со временем преобразования 15,5 мкс на канал при тактовой частоте 2 МГц.
• Встроенный в микроконтроллер Н8/3802 и его клоны интерфейс Е10Т, предназначенный для внутрисхемной отладки и программирования. Данный интерфейс отсутствует у микроконтроллеров с ОТР-ПЗУ.
В настоящее время производитель массово
выпускает микроконтроллеры семейства Н8/300Ь БЬР первого поколения (см. рис. 5). Базовыми микроконтроллерами были Н8/3887 и Н8/3867, являющиеся наиболее высокотехнологичными изделиями. Оба этих микроконтроллера имеют на кристалле 5-В источник напряжения для нужд LCD-драйвера. Продолжением серии являются микроконтроллеры Н8/3847 и Н8/3827 полностью совместимы с вышеуказанными «соответственно» по выводам и программно, но являются более дешевыми по причине отсутствия некоторых особенностей. Все эти микроконтроллеры работают на максимальной частоте до 6 МГц.
Н8/3847R и Н8/3827R разработаны для приложений, где нужна более высокая производительность, но, в то же время, необходимо сверхнизкое потребление энергии. Эти микроконтроллеры также полностью совместимы по выводам с Н8/3887 и Н8/3867 соответственно. Кроме того, их максимальная тактовая частота составляет 16 МГц, и они не имеют встроенного источника напряжения для LCD-драйвера.
Самые младшие микроконтроллеры семейства H8/300L SLP Н8/3802, Н8/38024, а также выпущенный на рынок в сентябре 2003 года микроконтроллер Н8/38004 являются наиболее простыми и дешевыми. Кроме того, микроконтроллеры Н8/38024 и Н8/38004 в отличие от Н8/3802, который предлагается с масочной или ОТР-памятью, предлагаются также и с £ЫЬ-ПЗУ (объем 32 кбайт). Микроконтроллеры также оснащены модулем Е10Т для внутрисхемной отладки и программирования, который поддерживается новейшими
существенно более дешевыми средствами отладки. Помимо внутрисхемной отладки интерфейс E10T позволяет производить внутрисхемное и внутрисистемное программирование и перепрограммирование. Это функция обычно очень востребована в приложениях, где необходимо периодическое обновление программного обеспечения (удаленная телеметрия, охранные системы и т. д.).
Все микроконтроллеры серии H8/300L Super Low Power имеют на кристалле встроенную цепь понижения напряжения до 1,5 В независимо от напряжения Vcc. Работа этого преобразователя разрешается и запрещается программно. Результатом работы этого понижающего преобразователя является сверхнизкое потребление тока независимо от напряжения Vrc, которое может находиться в диапазоне от 1,8 до 5,5 В. Рис. 6 поясняет влияние этого встроенного понижающего
4.0 3,2
2.0 1,0 0,4
_1__________I________1_
_1_
_1_
1,8 2,6 4,5 5,5
2,2 3,0 Чес (В)
- Активный режим
- Спящий режим
- Встроенный понижающий преобразователь не исользуется
2,0
1,0
0,4
г
_|_
5,5 Vcc (В)
1,8 2,2
- Активный режим
- Спящий режим
- Встроенный понижающий преобразователь исользуется
Рис. 6. Зависимость тактовой частоты
микроконтроллеров на примере
микроконтроллера Н8/3867
Компоненты и технологии, № 8'2003
Таблица 2. Значения потребления тока в зависимости от режима работы
Режим работы П отребление тока Микроконтроллер
Активный режим (стандартная частота) 4 мА типовое 0,7 мА типовое 6,5 мА максимум на 10 МГц, Усс=5 В 1,0 мА максимум на 2 МГц, Усс=5В H8/3847R H8/3887
Активный режим (сниженная частота) 1,3 мА типовое 0,3 мА типовое 2,0 мА максимум на 10 МГц, Усс=5 В 0,5 мА максимум на 2 МГц, Усс=5В H8/3847R H8/3887
Спящий режим 2,5 мА типовое 0,4 мА типовое 4,0 мА максимум на 10 МГц, Усс=5В 0,6 мА максимум на 2 МГц, Усс=5 В H8/3847R H8/3887
Субактивный режим (ЖКИ включен) 15 мкА типовое 30 мкА максимум на 32 кГц, Усс=2,7 В
Субактивный режим 7,5 мкА типовое 16 мкА максимум на 32 кГц, Усс=2,7 В
Сторожевой режим 2,8 мкА типовое 6 мкА максимум на 32 кГц, Усс=2,7 В
Режим ожидания 1,0 мкА типовое 5 мкА
преобразователя, а также показывает зависимость максимальной тактовой частоты от напряжения питания.
Во время работы встроенного понижающего преобразователя таковая частота микроконтроллера может составлять от 0,4 до 2 МГц при V^ = 2,2...5,5 В и от 0,4 до 1 МГц при Vrc= 1,8... 2,2 В.
Работа понижающего преобразователя не влияет на работу встроенного LCD-контроллера, на работы источника питания для LCD или на работу АЦП. Для напряжений ниже 1,8 В или выше 5,5 В производитель не гарантирует правильность работы преобразователя. Типовые значения тока потребления для некоторых микроконтроллеров в зависимости от режима работы приведены в таблице 2.
Очень важным элементом в различных электронных счетчиках является асинхронный счетчик внешних событий. Разумеется, основной обязанностью асинхронного таймера, присутствующего в микроконтроллерах серии H8/300L SLP, является именно подсчет событий. Счетчик умеет производить подсчет внешних событий независимо от тактовой частоты и частоты делителя. Счетчик имеет 16-разрядную конфигурацию и может производить подсчет до 65536 внешних событий. Также асинхронный счетчик может быть сконфигурирован как 2 независимых 8-разрядных счетчика. Перезагрузка и остановка счетчика происходит программно, в случае возникновения переполнения счетчика происходит автоматический вызов соответствующего прерывания, обслуживающего асинхронный счетчик. В случае, если в данный момент счетчик не используется, его можно программно отключить, дополнительно снизив энергопотребление микроконтроллера.
В качестве основного средства отладки микроконтроллеров с flash-памятью производитель предлагает универсальный внутрисхемный эмулятор Е7 (название для заказа HS0007TCU01H). Этот эмулятор использует функции самого микроконтроллера, а именно встроенный в микроконтроллер интерфейс Е10Т, являющий развитие интерфейса JTAG, который в настоящее время присутствует в 8-разрядных микроконтроллерах серии H8/300L Super Low Power, а также в 16-разрядных микроконтроллерах H8/300H Tiny. Как и всякий эмулятор реального времени, эмулятор Е7 позволяет проводить трассировку в режиме реального времени, используя высокоскоростное соединение, а также проводить отладку и загрузку программ в память микроконтроллера.
К особенностям эмулятора относится следующее:
• простота соединения с компьютером через последовательный порт USB 2.0;
• возможность быстрой загрузки программ в память микроконтроллера (скорость передачи через USB — до 12 МБ/c);
• 255 программных точек останова, а также одна аппаратная точка останова;
• буфер трассировочного счетчика программ (до 4 ветвей);
• бесплатный С-компилятор, пригодный для использования с микроконтроллерами H8/300L Super Low Power и H8/300H Tiny;
• интегрированная среда разработки Highperformance Embedded Workshop (HEW), включающая в себя отладчик, ассемблер и менеджер проектов
• генератор проектов, позволяющий создавать базовые программы инициализации микроконтроллера и создающий код на С;
• симулятор для программ, созданный для ядер Н8.
Производитель также обеспечивает всех заказчиков бесплатной поддержкой и бесплатными новыми версиями программного обеспечения по мере их выхода в свет.
Эмулятор работает на компьютерах с операционными системами Microsoft Windows 98SE, 2000, ME и XP. Для работы необходима шина USB 2.0.
Входящая в комплект поставки среда разработки HEW является общей для всех микроконтроллеров 8-, 16- и 32-разрядных микроконтроллеров и микропроцессоров от Renesas (H). Среда является достаточно простой в обращении, обладая в тоже время большими возможностями. Бесплатную полнофункциональную среду отладки HEW версии 2.2 можно найти на сайте www.gnuh8.com. Там же можно найти бесплатные компиляторы для всех существующих в настоящее время микроконтроллеров
производства Renesas (H) от стороннего производителя программного обеспечения KPIT. Подключение того или иного компилятора производится через меню среды разработки, обеспечивая таким образом универсальность системы для всех микроконтроллеров производства Renesas (H).
В настоящее время эмулятор Е7 поддерживает следующие типы микроконтроллеров:
• 8-разрядные МК серии H8/300L Super Low Power: 38024F, 38004F;
• 16-разрядные МК серии H8/300H Tiny: 3664F, 3664N, 3672F, 3670F, 3684F, 3687F, 3694F, 36014F, 36024F, 36037F, 36057F. Производитель собирается и в дальнейшем
изготовлять микроконтроллеры со встроенным отладочным интерфейсом Е10Т, что позволит использовать эмулятор Е7 и с другими новейшими микроконтроллерами.
Более полную информацию о внутрисхемном эмуляторе Е7 можно найти на сайте производителя по адресу http://www.eu.renesas.com/ products/mpumcu/tool/e7.
Рис. 7. Настройка поставляемого в комплекте с эмулятором компилятора
е
