řada H8S a 8/300H

Obsah:
Úvod
Základní rozdělení 1čipových procesorů Hitachi
Rozdělení 16bitových procesorů

Jádro 16bitových procesorů
CPU
Instrukční soubor
Stavy CPU / Režim nízké spotřeby
Přerušení
Paměť
Řadič sběrnice
Řadič přímého přístupu do paměti (DMA)
Řadič “Data transfer”
Časovač
Programovatelný pulsní generátor
Sériové rozhraní
A/D převodník
D/A převodník
Vstupně / výstupní blok
Závěr

Úvod:

Firma Hitachi je jedním z předních výrobců polovodičových součástek. V jejím sortimentu naleznete součástky pro vf techniku, optoelektronické součástky, paměti a v neposlední řadě mikroprocesory. Obvody firmy Hitachi naleznete i v automobilové elektronice, převážně u vozů japonských značek, přičemž Hitachi je druhým největším dodavatelem 16 bitových procesorů na evropském trhu.
 
 

Základní rozdělení 1čipových mikroprocesorů firmy Hitachi:
 
4 bitový H 400 Speciální aplikace pro dosažení co nejnižších cenových relací.

Procesory obsahují speciální obvody určené přímo pro daný typ aplikace

( LCDC, DTMF, A/D )

8 bitový Nejširší oblast uplatnění – jednoduché, nenáročné aplikace až po speciální. 

Jsou kódově kompatibilní

  H8/300 Pro náročné průmyslové aplikace – všude tam, kde jsou kladeny nároky na výkon, jako jsou telekomunikační ústředny apod.
  H8/300L Spotřební aplikace – kladeny nižší nároky na výkon, nízkou cenu
16 bitový  (H8/300H,H8S) Zavedena koncepce minimum periferních obvodů, tzn. obvody obsaženy přímo v procesoru. Tím je dosaženo lepšího poměru cena/výkon

Využití pro náročné aplikace

32 bitový RISC (SH series). Velmi náročné výpočetní operace (až 350MIPS ), technologie SuperHTM – optimalizace typů procesorů pro různé druhy použití k dosažení co nejvyšších výkonů ( pro DSP, apod. )

 

Rozdělení 16-bit řady HITACHI:
 

Obr. 1 Základní rozdělení 16-bit řady procesorů HITACHI

CPU

Celá řada H8 má stejnou architekturu CPU. Navíc lze programovat i v jazyku C. 8-mi bitová rodina H8 má 16-bit registry a 16-bit rodina 32-bit registry, které však nemusí být úplně využity. Řada H8S má navíc registr EXR (Extended Code Registr) pro obsluhu přerušení a řada H8S /2655 multiple accumulátor pro zlepšení v DSP aplikacích. Stejně jako u kteréhokoliv jiného procesoru i zde máme příznakový registr CCR (8-bit) a čítač programu (PC).
 
 
Obr.2 Registry procesorů Hitachi H8 / H300H
Obr.3 Blokové schéma procesorů řady H8/H300 

Instrukční soubor

Programátor má k dispozici 62 instrukcí, řada H8S jich má 69. Je možné i nepřímé adresování
 

Snížení spotřeby

Nízká spotřeba a její řízení zajímá nejednoho návrháře. V přenosných aplikacích a také v automobilovém průmyslu je nejdůležitějším požadavkem.

Proto procesory umožňují: Uvedené metody je možné kombinovat s cílem dosažení co nejnižší spotřeby.
 
 

Ukázka spotřeby v různých režimech procesoru je na následujícím obrázku:
 
Obr. 4 Závislost spotřeby na pozastavených činnostech procesoru

 
 
Obr. 5 Závislost spotřeby na taktovací frekvenci

 
zastaveno odběr [mA]
DTC 0,3
TPU 9
TMR 2
DAC 2,2
ADC 2
každá SCI 2

Typické hodnoty pro napájení H8, 5 V, 20 MHz

Obsluha přerušení

Odezva na přerušení by měla být bezprostřední, v nejhorším případě 1,5 us pro H8S na 20 MHz a 2,6 us pro H8 / 300H na 16 MHz. Přerušení lze nastavit programově v registru CCR bitem I, v závislosti na jevech, které mohou v programu nastat (přetečení, dělení nulou, …) nebo ovládat vnějším signálem. Pokud je bit I nastaven, přerušení je zakázáno. Procesor je zároveň vybaven progresivním přerušením (bit UI), které rozlišuje prioritu od různých zdrojů. Lze nastavit celkem 4 režimy přerušení:

Paměť programu

Tradicí firmy Hitachi je osazovat procesory pamětmi FLASH s velkou kapacitou. Což s sebou přináší řadu výhod:

U takových typů procesorů je třeba rozlišovat druhy provozu, které se nastaví příslušnými vývody:
 
BOOT mod: V tomto režimu se procesor nastartuje z paměti ROM a inicializuje sériovou linku, po které z počítače natáhneme program do FLASH paměti procesoru.
Uživatelský mod: Program běží z vnější paměti RAM.
PROM mod: Program běží z paměti FLASH. Paměti FLASH jsou naprogramované a zablokované proti přepsání.

Dále je procesor vybaven pamětí RAM, která dle typu může být až 512 kByte a pamětí ROM až 16 kBytů.

Obsluha sběrnice

Procesory HITACHI řady H8S a H8/300H používají 16-ti bitové adresování sběrnic. Řadič sběrnice (Buss State Controller). Tento řadič rozděluje paměťový prostor na 8 sektorů.

Řadič je navržen tak, aby bylo možno adresovat až 16MB paměti. To je velmi výhodné při připojování vnějších pamětí, protože není třeba dalších podpůrných obvodů (alespoň ve většině případů).

Lze připojit i dynamickou paměť DRAM, u které procesor zajistí přístup k datům signály CAS a RAS a navíc umí obnovování (refresh) paměti s pomocí speciálního čítače.

Hlavní výhodou je vysoká rychlost vykonávání instrukcí ( pro 1 cykl instrukce při interním zpracovávání je f´max až 20 MHz což je 50ns.

Další výhody :
 
  Podpora stránkování DRAM
  Burst mode ROM
  Zápisový buffer ( zápis dat do dočasné paměti než se data zapíší do externí paměti, která může být pomalejší, nečeká se až se dokončí zápis do vnější paměti )
  Zrychlení čtení dat ( vpodst. nastavení adresy při sestupné hraně hod. impulsu – menší časové prodlevy )

Přímý přístup do paměti

Procesory HITACHI nabízí přímý přístup do paměti (DMA). Toho lze využít při zásahu externího zařízení na adresování externích pamětí. Znamená to, že procesor se pustí řídících vodičů pamětí.

Pro DMA procesorů HITACHI je typické:

Módy DMA:
 
Short address adresa pro první periferii se generuje s šířkou 8/16 bitů dle typu procesoru, druhá se generuje celá, tzn. 24 bitů. První adresa je zejména použitelná pro adresování registrů.
Sekvenční mód podobný short adres, ovšem dlouhá adresa se automatiky inkrementuje/dekrementuje, příp. cykluje ve vybraném okruhu dat ( např. data pro krokové motory ) 
Full address obě adresy stejně dlouhé ( 24 bitů ) přesuny mezi paměťmi

 

Řadič “data transfer”

Obdoba řadiči DMA ovšem je určen pro pomalejší periferie, kde není kladen nárok na vysokou rychlost přenosu dat. Stejně jako řadič DMA nevytěžuje činnost procesoru. Je cca 3x pomalejší než DMA. Je vhodný např. při nastavování A/D převodníku, při čtení jeho dat a zápisu dat do paměti. Při vhodném naprogramování činnosti probíhají přesuny dat aniž by vytěžovaly nějakým způsobem CPU.
 
 

Časovač

Jedna z nejdůležitějších součástí procesoru.

Využití pro PWM – pulsně-šířková modulace, WDT – sledování procesoru proti výpadkům napájení ( měření po jakou dobu má ještě procesor běžet ), programovatelný čítač, programovatelný časovač, apod.
 
 

Dle typů jsou obsaženy různé počty čítačů s přepínatelnými vstupy/výstupy:
 
H8 / H300H 5kanálový 16 bitový čítač 10 vstupový Input capture ( čítač událostí ) , oututput compare (výstup definované délky dle nastavení čítače )
H8S 6kanálový 16bit. čítač 16 vstupový Input capture / output compare

Další modifikace čítačů 8bitové , 14 bitové dle speciálních typů procesorů řady H8/H300S.
 
 

Frekvence čítače je nastavitelná fOSC, fOSC/2, fOSC/4, fOSC/8, případně přivedeno z externího vstupu.

Pro práci s čítači je použito 10 registrů.
 
 

Režim

Output compare :

Výstupem je impuls definované délky dle nastavení hodnoty čítače. Aktivní hodnota výstupu lze definovat na log 0, log. 1, případně změna na opačný stav.

Minimální délka impulsu 62,5ns ( pro fosc= 16 MHz )
 
 

Input capture :

Čítač vnějších událostí. Opět lze nastavit Aktivní hodnotu na log 1, nebo log 0. Při aktivaci vstupu se hodnota přenese z čítače do jednoho z registru.

Při určitém nastavení lze využít pro měření délky pulsu. Rovněž je možno nastavit režim DMA, data se přímo přesunují do paměti.
 
 

Synchronizace:

Zápis definované hodnoty do čítače. Po dobu zápisu se hodnota čítače nemění.
 
 

PWM ( Pulsně šířková modulace ):

Pro funkci každého výstupu 2 registry, které kontrolují, kdy má být výstup aktivován, kdy vynulován. Viz Obr.

Obr. 6 Pulsně šířková modulace

 

Tab. maximální rozlišitelnosti pro různé frekvence osc.:

Čítač v závislosti na fázi 2 vstupních signálů:

Čítač čítá vstupní impulsy a porovnává fázi 2 vstupů, v závislosti na fázi těchto dvou signálů čítá vpřed, nebo vzad. viz obr.:

Obr. 7 Čítač v závislosti na fázi dvou vstupních signálů

 

Časový řadič pro vysílání tabulky dat:

V procesorech implementován řadič, který umožňuje přesun tabulky dat z paměti na výstupy v zadaných časových okamžicích dle nastavení čítače.

Sériové rozhraní

Využívá se pro komunikaci mezi procesory, diagnózu procesorů, nebo komunikaci s ostatními obvody.
Obvody tohoto typu mají minimálně jeden, v převážné většině 2 sériové kanály (některé i více).
Módy sériového kanálu : asynchronní, synchronní.
Mají nezávislé nastavení přenosové rychlosti (není třeba využívat vnitřní časovače procesoru).
Každý kanál má 4 nezávislé přerušovací vektory pro rozlišení vnějších událostí :
-prázdný buffer
-konec přenosu
-obdržena data
-chyba přenosu - rozlišuje se parita, rámec, přetečení (časové)

Maximální přenosové rychlosti:
 
Asynchronní režim 500kbit/s fosc=16 MHz
  625kbit/s fosc=20 MHz
Synchronní režim 2,666Mbit/s* fosc=16 MHz
  3,333Mbit/s* fosc=20 MHz
* externí hodinový vstup

Režim Master-Slave – komunikace mezi procesory viz. obr:

Procesory v režimu slave mají každý své id. číslo

Obr. 8 Komunikace mezi procesory

Rozhraní SMART CARD:

Jeden z režimů sériové komunikace ( ISO7816-3 ), vhodný pro čtení čipových karet použitých převážně v bankovnictví, GSM telefonních přístrojích apod. aplikacích.

Typické zapojení viz. obr.:

Obr. 9 Čtečka karet po sériové lince

A/D převodník

Procesory těchto řad obsahují 10bitové, 8vstupové A/D převodníky.
Typická rychlost převodu je 138 cyklů (tzn. 8. 6µs pro f =16 MHz, nebo 6. 7µs pro f=20 MHz).
Typicky se používá 1 vstupový mód, kdy je převáděn pouze 1 kanál. Je možno též použít rychlého převodu, kdy se převádí neustále za sebou 4 vstupy. Výsledné hodnoty se ukládají do spec. registrů určených pro každý kanál.

Procesory řady H8S obsahují:

  jednorázový odměr 1kanálu
  jednorázový odměr více kanálů
  neustálý odměr 1 kanálu
  neustálý odměr více kanálů

D/A převodník

Procesory obsahují 2kanálový 8bitový D/A převodník. Doba převodu je 10µs pro kapacitu 20pF. Výstupní napětí je v rozmezí 0 - Vref . Výstupní napětí Vout=(Data/256)*Vref.
Jednotlivé kanály se nastavují nezávisle, hodnota na výstupu setrvává do doby než je přepsána jinou hodnotou.

Vstupně-výstupní brána:
 
Obr. 10 Zapojení vstupně / výstupního bloku

Závěr:

Z výše uvedeného popisu názorně vidíme, jak všestranné mohou procesory HITACHI být. Naleznou uplatnění nejen v průmyslu, ale i v automobilových aplikacích či bankovnictví. Na závěr shrňme největší přednosti těchto obvodů.

Zpracovali: Jiří Sedmík a Martin Hlavička
Datum:       24.4.2001