Z86C15：8位CMOS Z8 MCU鍵盤控制器的技術(shù)剖析

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，選擇合適的微控制器至關(guān)重要。今天我們要深入探討的是Zilog公司的Z86C15，一款8位CMOS Z8 MCU鍵盤控制器，它在性能、功能和應(yīng)用方面都有獨(dú)特之處。

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產(chǎn)品特性

基本參數(shù)

Z86C15具有236字節(jié)的RAM和32條I/O線，運(yùn)行速度可達(dá)5MHz，工作電壓范圍為4.5V - 5.5V，工作溫度范圍是0°C - 70°C。其低功耗特性表現(xiàn)出色，在5MHz時(shí)典型功耗僅30mW。

架構(gòu)優(yōu)勢(shì)

它采用獨(dú)特的寄存器到寄存器架構(gòu)，避免了累加器瓶頸，比RISC處理器具有更高的代碼效率。對(duì)于需要強(qiáng)大I/O能力的應(yīng)用，它提供32個(gè)專用的輸入輸出引腳，這些引腳分為四個(gè)端口，每個(gè)端口有8條線，可通過軟件配置提供定時(shí)、狀態(tài)信號(hào)以及串行或并行I/O端口。

功能模塊

• 計(jì)數(shù)器/定時(shí)器：片上有兩個(gè)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，具有多種用戶可選模式，可減輕系統(tǒng)管理實(shí)時(shí)任務(wù)的負(fù)擔(dān)，如計(jì)數(shù)/定時(shí)和I/O數(shù)據(jù)通信。
• 中斷系統(tǒng)：六個(gè)不同的內(nèi)部或外部中斷源可屏蔽和優(yōu)先級(jí)排序，提供向量地址，實(shí)現(xiàn)高效的中斷子程序處理和多任務(wù)功能。
• 低EMI設(shè)計(jì)：通過對(duì)輸出驅(qū)動(dòng)器和時(shí)鐘電路的多項(xiàng)修改，Z86C15實(shí)現(xiàn)了低電磁干擾（EMI）。
• 擴(kuò)展寄存器文件：設(shè)計(jì)師可以訪問三個(gè)額外的系統(tǒng)控制寄存器，為額外的外圍設(shè)備、I/O端口和寄存器地址提供支持。

引腳識(shí)別

Z86C15提供40引腳DIP、44引腳PLCC和44引腳QFP三種封裝形式，每種封裝的引腳功能和配置都有詳細(xì)說明。例如，在40引腳DIP封裝中，VCC為電源輸入，CLKOUT為Z8系統(tǒng)時(shí)鐘輸出，RCIN為RC振蕩器時(shí)鐘輸入等。不同引腳的功能和方向明確，方便工程師進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和連接。

電氣特性

絕對(duì)最大額定值

Z86C15的電源電壓范圍為 -0.3V - +7.0V，存儲(chǔ)溫度范圍是 -65°C - +150°C，工作環(huán)境溫度范圍為0°C - +105°C。超過這些絕對(duì)最大額定值可能會(huì)對(duì)設(shè)備造成永久性損壞。

電容和頻率

在25°C、VCC = GND = 0V、f = 1.0MHz的條件下，輸入、輸出和I/O電容最大值均為12pF。其工作頻率范圍為4MHz - 5MHz，頻率公差為±10%，該公差僅適用于封裝后的設(shè)備。

直流特性

在Vcc = 5.0V ±10%、0°C - +70°C的條件下，對(duì)時(shí)鐘輸入、復(fù)位輸入、輸出電壓等參數(shù)都有明確的規(guī)定。例如，時(shí)鐘輸入高電壓范圍為0.7VCC - (VCC + 0.3)V，典型值為2.5V；輸出高電壓在IOH = -2.0mA時(shí)，范圍為(VCC - 0.4)V - VCC，典型值為3.1V等。

交流電氣特性

在0°C - +70°C、Vcc = 5MHz的條件下，對(duì)輸入時(shí)鐘周期、時(shí)鐘輸入上升和下降時(shí)間、定時(shí)器輸入低寬度等多個(gè)參數(shù)都有詳細(xì)的時(shí)間要求。例如，輸入時(shí)鐘周期為125 - 100000ns，時(shí)鐘輸入上升和下降時(shí)間最大為25ns等。

引腳功能

特殊引腳

• RCIN：與精密電阻和電源連接，構(gòu)成精密RC振蕩器。
• CLKOUT：Z8 MCU的系統(tǒng)時(shí)鐘，運(yùn)行頻率與RC振蕩器相同。

  端口功能

• Port 0：8位、半字節(jié)可編程、雙向、CMOS兼容的I/O端口，可配置為半字節(jié)輸入端口或半字節(jié)開漏輸出端口。
• Port 1：8位、字節(jié)可編程、雙向、CMOS兼容的I/O端口，可配置為字節(jié)輸入端口或開漏輸出端口。
• Port 2：8位、位可編程、雙向、CMOS兼容的I/O端口，可逐位獨(dú)立編程為輸入或輸出，也可配置為開漏輸出。
• Port 3：8位、CMOS兼容的I/O端口，有四個(gè)固定輸入和四個(gè)固定輸出，輸出具有10.4Kohm上拉電阻，可直接驅(qū)動(dòng)多達(dá)四個(gè)LED。

  復(fù)位引腳

  RESET引腳為低電平有效，激活時(shí)初始化Z86C15，去激活后從內(nèi)部程序位置000CH開始執(zhí)行程序。該引腳有10.4Kohm（±35%）上拉電阻，拉低該引腳后，Z86C15需要150ms進(jìn)行初始化。

功能描述

程序內(nèi)存

16位程序計(jì)數(shù)器可尋址4KB的程序內(nèi)存空間，前12字節(jié)保留用于中斷向量，對(duì)應(yīng)六個(gè)可用中斷的16位向量。字節(jié)12到4095為片上掩膜編程ROM，地址4096及以上保留。

寄存器文件

由四個(gè)I/O端口寄存器、236個(gè)通用寄存器和15個(gè)控制與狀態(tài)寄存器組成，還包括擴(kuò)展寄存器組中的兩個(gè)系統(tǒng)配置寄存器。指令可直接或間接通過8位地址字段訪問寄存器，允許使用4位寄存器地址。

計(jì)數(shù)器/定時(shí)器

有兩個(gè)8位可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器（T0 - T1），每個(gè)由6位可編程預(yù)分頻器驅(qū)動(dòng)。T1預(yù)分頻器可由內(nèi)部或外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)，T0預(yù)分頻器僅由內(nèi)部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。6位預(yù)分頻器可將時(shí)鐘源輸入頻率除以1 - 64的任意整數(shù)，計(jì)數(shù)器可編程啟動(dòng)、停止、重啟等。

中斷系統(tǒng)

Z86C15有六個(gè)不同的中斷源，可屏蔽和優(yōu)先級(jí)排序。中斷請(qǐng)求由可編程優(yōu)先級(jí)編碼器解決，所有中斷通過程序內(nèi)存中的位置進(jìn)行向量處理。

EMI設(shè)計(jì)

通過電路修改降低了EMI，移除了內(nèi)部二分頻電路以進(jìn)一步減少干擾。

RC振蕩器

提供內(nèi)部電容以適應(yīng)RC振蕩器配置，需要1%精度的電阻來實(shí)現(xiàn)10%準(zhǔn)確的頻率振蕩，也可接受外部時(shí)鐘輸入。

看門狗定時(shí)器

硬件看門狗定時(shí)器在通電時(shí)自動(dòng)激活，是可重觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)定時(shí)器，達(dá)到終端計(jì)數(shù)時(shí)重置Z8。其可編程為4、9、18和75ms，必須在每個(gè)時(shí)間周期內(nèi)至少刷新一次，否則Z86C15將自動(dòng)重置。

上電復(fù)位（POR）

使用由板載專用RC振蕩器時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的定時(shí)器電路實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位功能，POR時(shí)間允許VCC和振蕩器電路在指令執(zhí)行開始前穩(wěn)定，標(biāo)稱時(shí)間為150ms ±20%。

HALT和STOP模式

• HALT：關(guān)閉內(nèi)部CPU時(shí)鐘，但不關(guān)閉RC振蕩器，計(jì)數(shù)器/定時(shí)器和外部中斷IRQ0 - IRQ3保持活動(dòng)，可通過內(nèi)部或外部中斷恢復(fù)。
• STOP：關(guān)閉內(nèi)部時(shí)鐘和外部晶體振蕩，將待機(jī)電流降低到10μA或更低，只能通過復(fù)位（WDT超時(shí)、SMR恢復(fù)或外部復(fù)位）終止，處理器將從地址000C（HEX）重新啟動(dòng)應(yīng)用程序。

  停止模式恢復(fù)寄存器（SMR）

  位于擴(kuò)展寄存器組的Bank F地址0BH，用于選擇時(shí)鐘分頻值和確定停止模式恢復(fù)的模式。

控制寄存器

文檔詳細(xì)介紹了多個(gè)控制寄存器，如定時(shí)器模式寄存器、計(jì)數(shù)器定時(shí)器寄存器、預(yù)分頻器寄存器、端口模式寄存器、中斷掩碼寄存器、標(biāo)志寄存器等，每個(gè)寄存器都有特定的功能和位定義，工程師可以根據(jù)需要進(jìn)行配置。

封裝信息

提供了40引腳DIP、44引腳PLCC和44引腳QFP三種封裝的尺寸信息，包括毫米和英寸兩種單位，方便工程師進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)。

訂購信息

根據(jù)不同的封裝、速度和溫度范圍，提供了相應(yīng)的產(chǎn)品編號(hào)。例如，Z86C1505PSC表示5MHz、40引腳DIP封裝、0°C - +70°C、塑料標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。

綜上所述，Z86C15是一款功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定的8位CMOS Z8 MCU鍵盤控制器，適用于多種需要強(qiáng)大I/O能力和低功耗的應(yīng)用場(chǎng)景。工程師在設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)具體需求，合理利用其各種特性和功能，實(shí)現(xiàn)高效、可靠的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過類似的微控制器？你對(duì)Z86C15的哪些特性最感興趣呢？