Una panoramica generale sulla famiglia F²MC, i microcontrollori ad 8 bit di Fujitsu: i campi di applicazione, le modalità di indirizzamento, le istruzioni assembler speciali, i tools di sviluppo.

Modelli e campi di applicazione.

La gamma dei microcontrollori della Fujitsu spazia su più di 500 dispositivi, con differenti architetture e prestazioni. Si va dalla famiglia base ad 8  bit (F²MC-8L e F²MC-8FX), fino alla serie più evoluta a 32 bit  (FRlite) caratterizzata da una tecnologia a 90nmn,  passando per la famiglia intermedia a 16 bit (F²MC -16L). Le MCU della Fujitsu sono largamente utilizzate in applicazioni industriali, home ed automotive. In quest’ultimo campo di applicazione, in particolare, vengono impiegati  per gestire il controllo  dei display, della sicurezza, dei sensori elettronici e della trazione. Questi chip riescono soddisfare le stringenti specifiche  del  mercato  dell’automotive,  grazie anche alle interfacce on-board quali:

• CAN;
• LIN;
• IDB1394;
• FlexRay;
• Ethernet.

La Figura 1 illustra un esempio di utilizzo di questi micro per il controllo elettronico di una autovettura, videnziando come ciascuna delle suddette interfacce abbia un suo specifico impiego per svolgere tutti i sofisticati compiti che le attuali vetture devono assolvere. Si noti come tutte le diverse periferiche vengano controllate mediate un unico bus con protocollo FlexRay.

Figura 1. Esempio di una architettura FlexRay, basata su chip Fujitsu, per il controllo automotive

Le principali novità che bisogna evidenziare, in quella che la Fujitsu considera la quarta generazione di questi controllori, sono:

1. Livelli di tensione delle porte programmabili.
2. Modulazione del clock.
3. Comunicazione seriale potenziata.

Infatti, a differenza di altri micro, le loro linee di input/output sono compatibili  non solo con i livelli logici TTL e CMOS, ma anche con i cosiddetti “automotive level”. Inoltre,  la modulazione del clock ha permesso di ridurre notevolmente le emissioni elettromagnetiche (EMI), requisito questo divenuto di grande importanza con l’aumento delle frequenze di clock. La terza caratteristica fondamentale è la presenza di una  potente  interfaccia di comunicazione  seriale, con supporto hardware del protocollo LIN ed una velocità della porta USART che può raggiungere anche i 4Mbaud.

La famiglia F²MC ad 8 bit

Le sotto-famiglie della serie ad 8 bit

La serie dei micro ad 8 bit della Fujitsu si suddivide in due principali sotto-categorie:

1. F²MC-8L (indicati con la sigla MB89xxxx), che si distinguono per il basso consumo e la ridotta tensione di alimentazione.
2. F²MC-8FX (indicati con la sigla MB95xxxx), che si distinguono, oltre che per la ridotta potenza dissipata, anche per le più elevate prestazioni rispetto ai “fratelli” minori (nel seguito saranno evidenziati alcuni aspetti in cui essi si differenziano dalla serie 8L).

È importante specificare alcuni dettagli sulle sigle, al fine di districarsi al meglio tra i tanti modelli esistenti:

• MB89Pxxx, indica un dispositivo OTP, ossia programmabile una sola volta;
• MB89Txxx, indica un chip non dotato di memoria ROM;
• MB89Fxxx/ MB95Fxxx, indica un dispositivo equipaggiato di memoria Flash.

Prendendo come riferimento  il modello MB95xxxx serie 100,  si nota  subito  una discreta quantità  di memoria ROM (64KB) ed una frequenza del clock di 10MHz (è utilizzabile in questo caso anche il PLL onboard con un quarzo di 32KHz); notevole risulta anche la quantità di porte disponibili (pari a 54) ed il numero di canali analogici per la conversione in digitale (ben 12 canali di acquisizione con una risoluzione di 10 bit); questo modello, in particolare, non dispone di un controller  LCD, a differenza di altre serie come la 120 e 150, le quali sono dotate di controller, rispettivamente, per display 4x40 e 4x16. Anche la disponibilità di RAM risulta sufficiente per lo sviluppo di progetti di piccole e medie dimensioni (in questi modelli si arriva fino a 2KB).

Caratteristiche generali

Entrambe le sotto-categorie dei micro ad 8 bit presentano la struttura descritta in Figura 2.

Figura 2. Struttura interna dei micro ad 8 bit della Fujitsu

Nei micro Fujitsu ad 8 bit esistono due differenti tipi di registri: quelli dedicati, che sono presenti nella CPU e quelli general-purpouse, che sono invece contenuti nell’area di memoria. Ovviamente, i primi risultano più veloci, ma in numero minore rispetto ai secondi. La Figura 3 mostra i registri del primo tipo ed il loro valore di default all’avvio del processore.

Figura 3. Registri dedicati

Oltre al classici registri A (Accumulatore) e PC (Program Counter), esistono anche l’accumulatore temporaneo (T) che serve ad eseguire alcune operazioni assembler in combinazione con A, il registro indice (IX) che viene utilizzato per l’omonimo tipo di indirizzamento, lo stack pointer (SP) utilizzato nelle chiamate a subroutine ed indica l’indirizzo dell’ultimo dato inserito nello stack; la Figura 4 mostra un esempio di inserimento nello stack di un dato contenuto nell’accumulatore.

Figura 4. Esempio di inserimento di un dato nello stack

Altri registri dedicati sono l’extra pointer (EP) utilizzato per indicare indirizzi di memoria ed infine il registro di stato (PS) che fornisce utili informazioni sullo stato della CPU. Tutti  i registri dedicati hanno una dimensione pari a 16 bit. I registri general-purpouse sono invece utilizzati per la memorizzazione dei dati ed hanno una ampiezza di 8 bit. Essi sono organizzati in banchi di 8 registri ciascuno, per un massimo di 32 banchi. Il banco corrente viene referenziato mediante il puntatore al registro dei banchi (RP), come illustrato in Figura 5.

Figura 5. Banco dei registri

Sempre nella categoria dei registri per usi generali rientrano i banchi di registri diretti, che sono localizzati tra l’indirizzo di memoria 0080h e 047Fh. L’organizzazione di tali registri è riportata in Figura 6.

Figura 6. Banco dei registri diretti

Modalità di indirizzamento

È  interessante esaminare le  diverse modalità  di indirizzamento  della memoria,  in  quanto  il  loro uso appropriato permette di incrementare l’efficienza di ciascuna istruzione e conseguentemente compattare l’intero codice. In particolare, si distinguono i seguenti nove modi di indirizzare la memoria (l’indirizzo è rappresentato in generale con 16 bit):

1. Indirizzamento diretto, in cui è possibile indicare solo gli 8 bit meno significativi dell’indirizzo;
2. Indirizzamento esteso, in cui è possibile specificare tutti i 16 bit dell’indirizzo;
3. Indirizzamento diretto al bit.
4. Indirizzamento indicizzato, in cui vengono sommati gli 8 bit dell’operando al registro indice (IX) ed il risultato utilizzato come indirizzo vero e proprio.
5. Indirizzamento con puntatore, in cui viene utilizzato il contenuto del registro EP come indirizzo.
6. Indirizzamento ai registri general-purpouse, in cui l’operando rappresenta un registro per uso generico.
7. Indirizzameno immediato, in cui viene specificato l’indirizzo tramite un numero ad 8 bit.
8. Indirizzamento vettoriale.
9. Indirizzamento relativo, in  cui  la  posizione  di memoria puntata  viene calcolata sommando un certo offset al PC.

L’area di memoria in cui vengono utilizzate tali modalità sono riportate nella Figura 7. Indirizzamento con puntatore, in cui viene utilizzato il contenuto del registro EP come indirizzo.

Figura 7. Spazio di memoria e modalità di indirizzamento

Istruzioni assembler speciali

Tra le principali differenze che esistono tra la serie L e quella FX, vi è la presenza, in questi ultimi processori, di  alcune istruzioni  assembler particolari che permettono una gestione più efficiente e compatta del codice. Esse sono di seguito elencate, riportando  per ognuna una breve descrizione del loro utilizzo:

1. JMP @A: si tratta di una operazione di branching incondizionato che permette di modificare il valore del PC, assegnandogli  quello contenuto nell’accumulatore A.
2. MOVW A,PC: è l’operazione inversa alla precedente, in quanto permette di acquisire nel registro A il valore attuale del PC.
3. MULU A,T: l’istruzione permette di moltiplicare gli 8 bit meno significativi dei registri A e T; il risultato dell’operazione viene posto nell’accumulatore. Questo è un esempio in cui risulta utile la presenza dell’accumulatore temporaneo.
4. DIVU A,T: l’istruzione permette di dividere i 16 bit del registro A con i 16 bit del registro T e memorizzare il  risultato  nell’accumulatore,  mentre  il resto viene inserito in T.
5. XCHW A,PC: l’istruzione consente di scambiare il valore di A con quello del PC e viceversa. La Figura 8  riporta un segmento di codice assembler in cui viene effettuato un salto ad una subroutine; in questo caso risulta molto utile l’istruzione descritta combinata con la JMP @A. Infatti, con l’istruzione di scambio di A e del PC si ottiene il duplice effetto di saltare alla subroutine e salvare in A il valore del PC.

Figura 8. Esempio di utilizzo delle istruzioni XCHW e JMP

Un’altra caratteristica interessante del micro  F²MC-8FX è la possibilità di effettuare trasferimenti di dati a 16 bit pur essendo il core ad 8 bit. Ciò garantisce una maggiore velocità nell’esecuzione delle operazioni.

Come mostrato in Figura 9 il dato contenuto nell’accumulatore (a 16 bit)  viene memorizzato a partire dalla sua parte alta in memoria, secondo la cosiddetta notazione Little Endian.

Figura 9. Esempio di trasferimento di un dato a 16 bit

Utilizzo degli interrupt

Come ogni micro che si rispetti, anche quelli della Fujitsu sono dotati di una gestione ad interrupt  che consente di velocizzare il flusso operazioni eseguite. In particolare, essi si distinguono per la possibilità di settare ben quattro  livelli di priorità. Il flusso logico delle operazioni eseguite nella chiamata di un interrupt è descritto in Figura 10.

Figura 10. Dettaglio del funzionamento interno degli interrupt

Come si evince dalla Figura 10, quando una periferica invia una richiesta di interrupt vengono eseguite le seguenti operazioni:

1. Controllo dello stato del bit di abilitazione: se questo è attivato allora l’interrupt  può “scattare”.
2. L’interrupt  controller  riceve la richiesta, valuta il livello di priorità ed il tipo di interruzione e quindi trasferisce l’informazione direttamente alla CPU.
3. La CPU confronta la priorità dell’interrupt  ricevuto con quello indicato nei due bit IL0 e IL1, localizzati nel registro PS (Program Status).
4. Se  la priorità  dell’interrupt  ricevuto è maggiore di quella indicata dai registri IL0 e IL1 e se il flag I è attivato allora la CPU trasferisce il controllo del programma alla routine di interrupt che ne ha fatto richiesta.
5. Contemporaneamente la CPU aggiorna il valore dei registri IL0 e IL1 con il nuovo valore di priorità (se questo risulta superiore a quello precedentemente memorizzato).

La possibilità di impostare differenti livelli di priorità, consente quindi di gestire interrupt multipli  (o annidati). Un classico esempio in cui ciò risulta utile è la conversione di un segnale analogico in digitale tramite l’uso dell’ADC. In questo caso si potrebbe utilizza re la routine di interrupt  dell’ADC con una priorità più bassa rispetto all’interrupt  del timer, il quale servirebbe a scandire le varie operazioni eseguite. La Figura 11 mostra il flusso di esecuzione del programma, interrotto  prima dall’interrupt  dell’ADC e poi da quello  del timer.  Si noti  che l’operazione opposta sarebbe impossibile in quanto violerebbe la priorità impostata.

Figura 11. Esempio di utilizzo di interrupt multipli

Oscillatore

Tutti i vari blocchi del micro hanno necessità, ovviamente, di utilizzare una sorgente di clock oppure un quarzo esterno, secondo le configurazioni rappresentate in Figura 12.

Figura 12. Forma d’onda e possibili configurazioni del clock.

La Figura 12 riporta anche le caratteristiche che deve possedere la forma d’onda qualora si decida di utilizzare una sorgente di clock esterna. I valori dei vari parametri  riportati  in Figura 12 sono specificati in Tabella 1. Tra le altre informazioni  riportate  nella Tabella 1 si nota anche la presenta di un sub-clock; si tratta di un clock secondario la cui frequenza deve essere pari a 32.768KHz ed è utilizzato per generare valori di frequenza programmabili tramite il PLL on-board.

Tabella 1. Range di valori della forma d’onda del clock

Convertitore analogico/digitale

Un altro blocco fondamentale che caratterizza la struttura interna dei micro della Fujitsu è il convertitore analogico/digitale, fondamentale per tutte le operazioni  di  trattamento  dei  segnale analogici.  Uno schema a blocchi di massima è riportato in Figura 13.

Figura 13. Schema a blocchi dell’ADC

Come si nota,  il  segnale di  ingresso (AN0…ANx) attraverso un MUX arriva allo stadio SH (Sample and Hold) ed infine al comparatore. La conversione viene effettuata confrontando  il segnale di  ingresso con quello proveniente da un D/A (Digital  to Analog), mediante il metodo delle approssimazioni successive (SAR).  È importante notare che gli ingressi analogici possono essere  utilizzati anche come comparatori, impostando il blocco di conversione in modalità Sense Mode (praticamente assegnando valore 1 al bit SIFM del registro ADC1) e scrivendo nel registro ADC Data il valore di soglia oltre cui far “scattare”  il comparatore. Se il segnale analogico di  ingresso supera tale soglia, allora il flag ADI verrà asserito, altrimenti esso rimarrà a 0. La predisposizione  di una alimentazione e di una massa analogica (AVSS e AVCC) sono ormai  una soluzione tipica per tutti i circuiti mixedsignal. In questa maniera si evita che il rumore generato dalla parte digitale si propaghi su tutta la catena di conversione e quindi riduca le prestazione dell’ADC (si ricordi infatti che una riduzione del rapporto segnale-rumore comporta una riduzione della risoluzione effettiva del convertitore A/D). Per la configurazione ed il controllo delle operazioni dell’ADC esistono due appositi registri ADC1 e ADC2. La Figura 14 riporta una descrizione dettagliata di tali registri. Una volta selezionato il canale su cui effettuare la conversione, esistono tre diversi modi  per avviare la conversione:

Figura 14. Registri per la configurazione dell’ADC

1. Software  Trigger:  la  modalità  viene  selezionata impostando  il bit  EXT del registro ADC2 a 0; la conversione ha inizio quando viene settato il bit AD del registro ADC1.
2. Hardware trigger (tipo 1): la modalità viene selezionata impostando  ad 1 il bit  EXT e a 0 il bit ADCK; la conversione avviene periodicamente tramite un clock interno derivato dal master clock.
3. Hardware trigger (tipo 2): la modalità viene selezionata impostando a 1 il bit EXT ed il bit ADCK; in questo caso la conversione avviene mediate un segnale esterno.

Anche per determinare la fine della conversione esistono tre differenti metodi:

1. Interrogazione periodica (polling)  del bit  ADMV: quando esso viene portato a 0 allora la conversione è terminata.
2. Polling del bit ADI: esso ha logica inversa rispetto al bit ADMV; inoltre, deve essere resettato via software dal programmatore.
3. Routine di interrupt: appena la conversione è termina, viene lanciata un routine di interrupt per la gestione del valore ottenuto.

Tools per il debug e la programmazione

Ovviamente, per mettere in pratica tutta la teoria è necessario anche disporre di strumenti semplici ed efficienti che permettano  di sviluppare e testare la propria applicazione. Per quanto riguarda i chip della Fujitsu la scelta è davvero ampia, i dispositivi spaziano dai debugger ai programmatori,  fino ad arrivare agli emulatori. Un esempio di questa ultima categoria è rappresentato dal C-ICE (Compact  In-Circuit Emulator) che permette di effetture l’emulazione del micro della sotto-famiglia ad 8 bit F²MC-8L; un’immagine di questo tool è mostrata in Figura 15.

Figura 15. Emulatore Fujitsu per lo sviluppo su micro ad 8 bit

Tale strumento offre, non solo la possibilità di emulare i chip ad 8 bit, ma anche di effettuare un sofisticato debug, che prevede la possibilità di impostare breakpoints multilivello, eventi attivabili sul livello dei bit e supporto combinato per linguaggi ad alto e basso livello (C e assembler). La compatibilità  dell’ambiente di sviluppo integrato Softune, di cui è mostrato un dettaglio in Figura 16, è garantita con tutti i sistemi operativi Microsoft.

Figura 16. Dettaglio dell’ambiente di sviluppo Softune

Per quanto riguarda lo sviluppo di progetti  con la sotto-famiglia F²MC-8FX è possibile utilizzare l’adattatore BGM, che consente di effettuare il debug, con una apposita scheda di valutazione, come illustrato in Figura 17.

Figura 17. Adattatore BGM e evaluation board

La Figura 18 mostra, invece, la scheda di valutazione CONCERTO che rappresenta un’altra possibile soluzione per testare i chip della famiglia 8FX; tale scheda è equipaggiata con il chip MB95F108H.

Figura 18. Demo board CONCERTO con chip MB95F108H

Esempio di programmazione con i Fujitsu (modello MB89630)
Di seguito è riportato un esempio di programmazione dei chip Fujitsu in linguaggio c. In particolare, viene presentata la routine  per la conversione A/D,  scandita da un clock interno  derivato del master clock (Hardware trigger) e mediante interrogazine del bit ADMV (polling di ADMV). Il codice riportato costituisce anche un’utile base per iniziare a sviluppare semplici programmi di test per questa famiglia di micro.

#include <MB89630.H>     /* definisce le informazioni sul processore utilizzato */
#include <EVABIOS.H>
const char InitMsg[] = "MB89630 A/D Programma test ADC\n";
const char ADCmsg[] = " A/D : ";
const char LsChar[] = "° ù__";
BYTE MsADval;
direct char dummy1;
direct char dummy2 = 5;
void main ()
{
  BYTE i;
      puts(InitMsg);
      do {
          ADC2 = 0x01;    /* Utilizzo del clock interno */
          ADC1 = 0x61;    /* Canale 6, Start AD */
          while (ADMV) ;  /* interrogazione del bit ADMV */
          putch(13);
          puts(ADCmsg);
          printHexByte(ADDH);
          printHexByte(ADDL);
          putch(' ');
          MsADval = ADDL >> 2;
          for (i=0;i<MsADval;i++) {
              putch('Û');
          }
          putch(LsChar[ADDL & 0x03]);
          for (i=MsADval;i<63;i++) {
              putch('° ');
         }
    } while(1);
}

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