[嵌入式]MC9S2XS28单片机基本知识点

MC9S12XS128单片机简介

一、MC9S12系列命名规则

MC9S12系列单片机是飞思卡尔半导体推出的基于 CPU12内核的 16位车用MCU，其命名规则如下：

1. 表示质量认定状态

   MC=完全合格产品

   XC=初始产品

   PC=预质量产品

2. 表示存储器类型为Flash。

3. 表示内核类型。

4. 表示系列

5. 表示Flash大小

6. 表示Flash版本标志，反映不同的擦写电压

7. 表示工作温度范围。

   C=-40 ℃ ~ 85℃； V=-40 ℃ ~ 105℃； M=-40 ℃ ~ 125℃

8. 表示封装形式

   FU = 80QFP

   PV = 112LQFP

二、MC9S12XS128特性

MC9S12XS MCU的组成框架如下

其主要的硬件特性有：

• 16位 CPU 主频40~50MHz
• 内部存储器
  128KB Flash
  8KB RAM
  8KB Data Flash
• 外围设备
  2个增强型串行通讯接口（SCI）
  2个串行外设接口（SPI）
  1个 msCAN 模块
  2个8通道12位 A/D
  8通道16位 定时器（TIM）
  8通道8位PWM
  4通道24位周期中断定时器（PIT）

具体芯片的结构框图如下：

三、引脚说明

MC9S12 有 144/112/80 三种引脚，我们先宏观看一下 MC9S12XS128 112引脚芯片的引脚图，具体如下：

我们主要关注他比较重要的几个引脚：

3.1 振荡器引脚

振荡器引脚 XTAL 和 EXTAL （47、46） 通过外接振荡器，输入周期性的脉冲，为整个 MCU 系统提供时间基准 ，外接时钟可以按如下进行分类：

外接时钟单元有两种接法， 第一种是外接晶振，第二种是外接时钟单元

外接晶振有无源晶振和有源晶振两种，单片机通过 EXTAL 输出晶振驱动信号到晶振，晶振产生周期信号输入到 XTAL 作为时钟基准，常用晶振接法如下：

这种接法的优点是接法简单，缺点是不那么容易起振，需要借助 C1，C2 起振电容

3.2 复位引脚

复位引脚对应的是单片机的 42 脚， 该引脚控制电平信号是低电平有效的双向控制信号 。该引脚做输入时，将其拉低，可将MCU复位成默认状态； 如果时钟监视器或者COP看门狗检测到内部故障，该引脚作为开漏输出引脚对外指示这种状态，通常会接入一个复位电路，按键按下后电平拉低，手动复位系统

3.3 背景调试引脚

背景调试引脚 BKGD 位于23脚， 该引脚采用特殊的自定时协议接收串行的背景调试命令 ，并发送命令执行结果。该引脚设定为输入时，内部设有有源上拉，但是无上拉开、关控制。

3.4 模式选择输入引脚

模式选择引脚分别为 MODA 、MODB 、MODC 对应 38、37、23 引脚， 这 三个引脚在复位期间的状态决定了MCU的运行模式 ，复位期间，MODA、MODB 处于下拉状态，模式引脚在复位信号上升沿采样并锁存到模式寄存器，对应的模式控制如下表

3.4.1 普通运行模式
普通模式共分三种，都是应用系统开发结束后的最终运行模式。它们都支持背景调试模式（BDM），但对于某些操作必须首先将BDM使能，然后再激活后才能通过BDM命令进行调试。

• 普通单芯片模式： 该模式无外部总线，端口A、端口B和端口E被设置成通用I/O接口。端口E的两个引脚PE1和PE0仅能工作在内部上拉的输入方式，其它22个引脚均可设置为输入或输出，不过复位后它们均被默认设置为高阻输入方式，另外复位后，端口E的上拉有效，端口A和端口B的上拉被禁止。

• 普通宽扩展模式：端口A和端口B为外部地址和数据总线，其中A15_A8和D15D8分时使用端口A的8个引脚，A7_A0和D7D0分时使用端口B的8个引脚。R/W等总线控制信号复位后默认有效。

• 普通窄扩展模式：端口A和端口B为16位外部地址总线，其中端口A输出高8位（A15_{A8），其中端口B输出低8位（A7}A0），8位外部数据总线D7~D0与高8位地址线分时复用端口A的8个引脚。

3.4.2 特殊运行模式
特殊模式主要用于系统开发和器件检验。

• 特殊单芯片模式：该模式可用于强制MCU激活BDM，以允许通过BKGD引脚进行系统调试。在该模式下，MCU不像在其它模式下那样，取中断向量，然后执行应用程序代码等，而是以激活的BDM固件接受来自BKGD引脚的串行命令，并控制CPU的运行。该模式下没有外部总线。MCU作为一个独立器件运行，所有程序和数据存储空间均位于片内，外部接口均可作为通用I/O。

3.4.3 单片运行模式

• 单片运行模式是MC9S12单片及最常用的一种运行模式。系统复位时，CPU检测到MODA（PE5）和MODB（PE6）引脚为低电平时进入单片运行模式。单片运行模式又分为普通单片模式和特殊单片模式。普通单片模式是正常运行应用程序时应使用的模式，特殊单片模式是指BDM调试模式。进入特殊模式时，要求单片及复位时引脚MODC（BKGD）为低电平。通常，当单片及输入引脚浮空时，CPU默认高电平，BKGD引脚上的低电平是由BDM调试工具的相应引脚提供的。故可以理解为，当插上BDM头时，可进入特殊单片模式；当不插BDM头时，自动进入普通单片模式。
• 注意，进入单片模式还是扩展模式，或者什么其它模式，是在复位时，复位信号上升沿锁存MODA、MODB等引脚上的输入电平状态到运行模式寄存器（MODE Register）中相应位来实现的，模式寄存器的默认地址为$000B。在运行过程中，应用程序时可以动态的在单片模式和扩展模式之间相互切换的，方法是向运行模式寄存器写入不同的运行模式控制字。

3.4.4 扩展运行模式

扩展运行模式又有普通运行模式和特殊运行模式之分，其区别是有些寄存器只能在特殊模式下读写。

80引脚的单片机A、B、K口都没有引出，故不能使用扩展运行模式。

S12单片机有8种运行模式，还有扩展仿真模式，可以看到，总线上的控制信号，可接逻辑分析仪用于调试；还有测试模式、外设模块测试模式等用于芯片生产中的测试，这些模式一般用不到。

3.4.5 低功耗模式

除了上面的运行模式，MC9S12XS128 还有三种低功耗模式，该模式通过另外的寄存器来控制，三种低功耗模式如下：

3.5 中断请求引脚

3.5.1 可屏蔽中断请求引脚
可屏蔽外部中断输入引脚 IRQ（55脚），可以用于从STOP或WAIT模式唤醒MCU

3.5.2 不可屏蔽中断请求引脚
不可屏蔽外部中断输入引脚 XIRQ（56脚），可以用于从STOP或WAIT模式唤醒MCU

3.7 供电电源引脚

四、存储器结构

4.1 地址空间组成

MC9S12XS128 单片机地址空间如下图：

• 在 CPU12 复位时，I/O寄存器占用从 $00 开始的 1KB 地址空间（ $0000~ $03FF），虽然用户可以将I/O寄存器重新定义到前32KB地址空间的任何一个2KB空间的前 1KB ，但最好不要这样做。因为I/O空间放在 $00 开始处，使得读写 $0000 到 $00FF 这256个 I/O 寄存器可以使用直接寻址方式，直接寻址方式的指令比扩展寻址方式短1个字节，速度会比读写其它地址空间快一些。别的存储器模块如EEPROM、RAM和部分Flash也都可以定义到其它地址空间。不是特别必要时，尽量使用系统的默认设置。

• 从 $0400 到 $1000 是 EEPROM 空间。一些 CPU12 构成的单片机有 4KB 的 EEPROM，因为从 $0000 开始的 1KB 空间被 I/O 寄存器占用了，不重新定义EEPROM的地址的话，实际可以使用的 EEPROM 只有 3KB。若一定要使用片内的 4KB EEPROM，则要重新将EEPROM定义到其它空间，或者将I/O寄存器移到其它空间。

• 从 $1000 到 $3FFF 是 RAM 空间，不同型号的 CPU12 构成的单片机有不同的片内RAM配置。从 2KB、4KB、8KB到12KB。MC9S12DP256有12KB的RAM，占据 $1000 到 $3FFF 的全部空间，而 MC9S12DG128 默认为 $0000到 $1FFF，我们在监控程序中定义到 $2000 到 $3FFF 为 8KB

• $4000 到 $FFFF 的 48KB 为 Flash 存储器空间，分成3个 16KB 空间。

• 最后16KB空间的最后256B，即 $FF00 到 $FFFF 是中断向量表空间。

CPU12构成的单片机还有一种特殊工作方式（特殊单片方式或特殊扩展方式）。被称之为调试方式或BDM方式。在这种方式下，CPU12用内部的256B的ROM将 $FE00 到 $FEFF 的前 256B 的 Flash 空间覆盖掉。当然覆盖掉的空间在BDM模式下还是可以通过BDM指令访问到的

4.2 内存空间扩展

CPU12 构成的单片机 片内Flash可以超过64KB寻址空间达到128KB、256KB或者512KB ，参见上图，256KB的Flash先 被分成64KB一块，共4块（Block0~Block3） ，每块还可以细分为16KB一页，共16页。每夜再细分为4KB、2KB、1KB或512B一段。

片内Flash在64KB级以上的CPU12构成的单片机，有一个存储器页面寄存器PPAGE，该寄存器为5位，最多可管理32个16KB存储器页，故CPU12单片机最多可以有512KB片内Flash。

MC9S12DP256的256KB Flash可分为16KB存储器，每个存储器页面编号为 $30~ $3F 的某个值。CPU12在64KB内存的 $8000 到 $BFFF 这一段开了一个窗口，永远只能看到页面寄存器的某一页，这里指 $30~ $3D 这14个页面。256KB的Flash中， $3F 这一页永远定位在 $C000 到 $FFFF 这一段，$3E 页永远定位在 $4000到 $7FFF 这一段，另外14页只能通过 $8000 到 $BFFF 这一窗口访问，Flash的换页是通过向PPAGE寄存器（地址为 $30 ）写入页面编号实现的。

Flash存储器页面寄存器 PPAGE 的值 $00 ~ $2F 留给扩展方式下使用外部存储器时对外部存储器分页使用。

4000 到 FFFF 是 CPU12 构成的单片机又连续 48KB 的程序空间 (存放程序代码)，对于 Flash 低端的 512B 或者 1KB、2KB、4KB 空间可以通过写保护寄存器保护起来，即3E这一页，从 4000 开始的 512B 或者 1KB 、2KB、4KB 空间页面可以通过写保护寄存器保护起来，使之成为不可局部擦除的，除非整体擦除。32、36、3A页面也有同样的特性，但地址从 8000 开始。

对于 Flash 的高端地址，Flash 也可以按一定的大小保护起来， 保护的含义是禁止局部擦除 。高端的保护总是从最高地址开始的某一指定大小的存储块，被保护存储块的大小可以是 2KB、4KB、8KB 或整个 16KB ，也可以是全部 Flash，可以对Flash和EEPROM加密，这部分管理Flash和EEPROM的寄存器不在I/O寄存器空间，在BDM模式下的FF00~ FF07处。