Z86E61/Z86E63微控制器：性能、特性与应用全解析

在电子设计领域，微控制器是众多项目的核心组件，其性能和特性直接影响着整个系统的表现。今天，我们就来深入探讨Zilog公司的Z86E61/Z86E63微控制器，看看它有哪些独特之处，以及如何在实际设计中发挥作用。

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一、产品概述

Z86E61/Z86E63微控制器属于Z8®单芯片微控制器家族，拥有16K/32 KB的EPROM和236字节的通用RAM。它提供40引脚DIP、44引脚PLCC或44引脚LQFP封装形式，是Z86C61/63的引脚兼容EPROM版本，其中44引脚版本还提供无ROM引脚选项。

这款微控制器具有快速执行、高效内存使用、复杂中断处理、输入/输出位操作能力以及易于硬件/软件系统扩展等优点。对于需要强大I/O功能的应用，它提供32个专用输入输出引脚，分为四个端口，每个端口包含八条线路，可在软件控制下配置，提供定时、状态信号、串行或并行I/O（带或不带握手）以及用于连接外部内存的地址/数据总线。

二、产品特性

（一）基本参数

• 位宽与封装：8位CMOS微控制器，提供40引脚DIP、44引脚PLCC和44引脚LQFP三种封装。
• 工作电压与时钟：工作电压范围为4.5 V至5.5 V，时钟速度有16 MHz和20 MHz可选。
• 功耗：低功耗设计，最大功耗为275 mW。
• 待机模式：具备STOP和HALT两种待机模式，可有效降低功耗。

（二）功能特性

• I/O功能：32个输入/输出线路，支持全双工UART，所有数字输入为TTL电平。
• 保护机制：高压输入具有高压保护，具备RAM和EPROM保护功能。
• 内存配置：Z86E61配备16 KB EPROM，Z86E63配备32 KB EPROM；拥有256字节寄存器文件，包括236字节通用RAM、16字节控制和状态寄存器以及4字节端口寄存器。
• 计数器/定时器：两个可编程8位计数器/定时器，每个带有6位可编程预分频器。
• 中断系统：提供六个向量优先级中断，来自八个不同源。
• 振荡器：片上振荡器可接受晶体陶瓷谐振器、LC或外部时钟驱动。

三、引脚功能与配置

（一）引脚信号

Z86E61/Z86E63微控制器提供多种封装样式、编程模式和引脚配置。在标准模式和EPROM编程模式下，40引脚PDIP、44引脚PLCC和44引脚LQFP封装的引脚信号和配置有所不同。主要引脚信号包括：

• XTAL2/XTAL1：晶体振荡器时钟输出/输入引脚。
• RESET：复位引脚，低电平有效。
• R/W：读写信号，写操作时为低电平。
• DS：数据选通信号，每次外部内存传输时激活一次。
• AS：地址选通信号，每个机器周期开始时脉冲一次。

（二）端口描述

• Port 0（P07 - P00）：8位、半字节可编程、双向、TTL兼容端口，可配置为半字节I/O端口或用于连接外部内存的地址端口，可在握手控制下工作。
• Port 1（P17 - P10）：8位、字节可编程、双向、TTL兼容端口，具有复用的地址（A7 - A0）和数据（D7 - D0）端口，可配置为输入/输出线或用于连接外部内存的地址/数据端口，也可在握手控制下工作。
• Port 2（P27 - P20）：8位、位可编程、双向、CMOS兼容端口，每个引脚可独立编程为输入或输出，也可全局配置为开漏输出，可在握手控制下工作。
• Port 3（P37 - P30）：8位、CMOS兼容的四个固定输入和四个固定输出端口，可配置为提供握手、外部中断请求、定时器输入/输出、数据内存选择和EPROM控制等功能。

四、地址空间与内存配置

（一）程序内存

Z86E61/Z86E63微控制器可寻址48 KB（Z86E61）或32 KB（Z86E63）的外部程序内存。前12字节的程序内存用于中断向量，包含对应六个可用中断的六个16位向量。在EPROM模式下，第13字节到第16383字节（Z86E61）或第32767字节（Z86E63）为片上EPROM。在无ROM模式下，可寻址高达64 KB的程序内存，复位后程序执行从外部位置000C（HEX）开始。

（二）数据内存

EPROM版本可寻址高达48 KB（Z86E61）或32 KB（Z86E63）的外部数据内存，无ROM版本可寻址高达64 KB的外部数据内存。外部数据内存可与外部程序内存空间合并或分离，通过DM信号区分数据和程序内存空间。

（三）寄存器文件

寄存器文件由四个I/O端口寄存器、236个通用寄存器和16个控制和状态寄存器组成。指令可直接或通过8位地址字段间接访问寄存器，还支持使用寄存器指针进行4位寄存器寻址。

（四）堆栈

Z86E61/Z86E63微控制器具有16位堆栈指针（R255 - R254）用于外部堆栈，在无ROM模式下可位于数据内存的任何位置，在EPROM模式下位于16384（Z86E61）或32768（Z86E63）到65535之间；8位堆栈指针（R255）用于内部堆栈，位于236个通用寄存器（R239 - R4）内。

五、功能描述

（一）计数器/定时器

有两个8位可编程计数器/定时器（T0 - T1），每个由其自己的6位可编程预分频器驱动。T1预分频器可由内部或外部时钟源驱动，T0预分频器仅由内部时钟驱动。6位预分频器可将时钟源的输入频率除以1到64之间的任何整数，当计数器和预分频器达到计数结束时，会生成定时器中断请求（IRQ4或IRQ5）。计数器可编程为启动、停止、重新启动或从初始值重新启动，还可配置为在达到零值时停止（单通模式）或自动重新加载初始值并继续计数（模n连续模式）。

（二）中断系统

Z86E61/Z86E63微控制器有六个不同的中断，来自八个不同的源，中断可屏蔽且具有优先级。八个源分为：四个来自Port 3的P33 - P30引脚，一个来自串行输出，一个来自串行输入，两个来自计数器/定时器。中断通过程序内存中的位置进行向量处理，当激活中断机器周期时，会禁用后续中断，保存程序计数器和状态标志，并分支到为该中断保留的程序内存向量位置。

（三）时钟

片上振荡器具有高增益、并联谐振放大器，可连接晶体、LC、陶瓷谐振器或任何合适的外部时钟源（XTAL1为输入，XTAL2为输出）。晶体应为AT切割，最大频率为1 MHz至20 MHz，串联电阻（RS）小于或等于100欧姆，应使用推荐的电容器（10 pF < CL < 100 pF）连接到地。

（四）待机模式

• HALT：关闭内部CPU时钟，但不关闭XTAL振荡，计数器/定时器和外部中断IRQ0、IRQ1、IRQ2和IRQ3保持活跃，可通过中断恢复。
• STOP：关闭内部时钟和外部晶体振荡，将待机电流降低到5 µA（典型值）或更低，通过复位终止，处理器将在地址000Ch处重新启动应用程序。

六、编程模式

Z86E61/Z86E63微控制器提供五种用户编程模式：

（一）EPROM Read

用户可将Z86E61/Z86E63微控制器作为标准27128（Z86E61）或27256（Z86E63）EPROM进行读取，通过驱动EPM引脚（P32）到VH并激活CE和OE，PGM保持无效。此模式在执行EPROM保护周期后无效。

（二）EPROM Program

符合智能编程算法，使用VCC为6.0 V和VPP = 12.5 V进行编程，编程脉冲以1 ms为增量施加，最多25个脉冲，验证后施加三倍于编程所需周期的编程脉冲，确保正确编程。

（三）PROM Verify

作为智能编程算法的一部分，用于确保在最坏情况下的数据完整性，与EPROM Read周期的区别在于VPP激活且VCC必须驱动到6.0 V。

（四）EPROM and RAM Protect

提供EPROM和RAM保护周期，执行EPROM保护周期会禁止EPROM Read、EPROM Verify和EPROM编程周期的正确执行；执行RAM保护周期会禁用对寄存器内存上部128字节（不包括模式和配置寄存器）的访问，但用户程序必须先设置IMR（R251）的第6位。

七、电气特性

（一）绝对最大额定值

符号	描述	最小值	最大值	单位
VCC	电源电压	-0.3	+7.0	V
TSTG	存储温度	-65	+150	°C
TA	工作环境温度		见订购信息	°C

（二）DC特性

包括最大输入电压、时钟输入高低电压、输入输出高低电压、输入输出泄漏电流、复位输入电流、电源电流和待机电流等参数。

（三）AC特性

涵盖外部I/O或内存读写时序、输入输出握手时序以及其他附加时序特性，每个参数都有相应的计算公式和频率范围。

八、控制寄存器

Z86E61/Z86E63微控制器的控制寄存器包括串行I/O寄存器、定时器模式寄存器、计数器/定时器寄存器、预分频器寄存器、端口模式寄存器、中断优先级寄存器、中断请求寄存器、中断屏蔽寄存器、标志寄存器、寄存器指针寄存器和堆栈指针寄存器等，每个寄存器都有其特定的功能和位描述。

九、Z8指令集

（一）寻址模式与符号

使用多种寻址模式和符号来描述指令操作，包括间接寄存器对、间接工作寄存器对地址、索引地址、直接地址、相对地址、立即数等。

（二）标志与条件代码

控制寄存器R252包含六个标志（C、Z、S、V、D、H），这些标志可根据操作进行设置或清除。条件代码用于定义不同的条件，如小于、小于等于、大于、大于等于等。

（三）指令格式

Z8指令集使用一、二和三字节格式，包括操作码、目的地址、源地址等部分。

（四）指令总结

对每个Z8指令的操作、寻址模式、操作码和受影响的标志进行了总结。

十、封装与订购信息

（一）封装

提供40引脚塑料双列直插封装（PDIP）、44引脚低轮廓四方扁平封装（LQFP）和44引脚塑料芯片载体（PLCC）三种封装形式。

（二）订购信息

可根据频率、封装和温度范围选择不同的产品型号，如Z86E6116PSG表示16 MHz、40引脚PDIP封装、0°C至+70°C温度范围的Z86E61微控制器。

（三）部件号后缀指定

Zilog部件号由环境流程、温度范围、封装、频率和内存类型等组件组成，例如Z86E6116PSC表示8位Z8驱动的微控制器，工作频率为16 MHz，采用40引脚PDIP封装，工作温度范围为0ºC至+70ºC，使用无铅焊料。

十一、总结

Z86E61/Z86E63微控制器以其丰富的功能、灵活的配置和良好的电气性能，为电子工程师提供了一个强大的设计平台。在实际应用中，工程师可以根据具体需求选择合适的封装、编程模式和配置，充分发挥其优势，实现各种复杂的控制和数据处理任务。同时，通过对其引脚功能、地址空间、功能特性和指令集的深入了解，能够更好地进行系统设计和优化，提高产品的性能和可靠性。

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