50MHz/50MIPSのPIC16C5X互換マイコン SXシリーズの紹介

◆注意◆

このページの文及び図表はＳＸマイコンの各種資料（最後に示す参考文献等）を参考にして私が独自にまとめたもので、内容に間違い等があるかもしれませんが、ご容赦ください。

● 概要(SXシリーズの概要)

　Scenix Semiconductor社のSXマイコン（SX18/20/28AC）は50MIPSの処理速度をもつPIC16C5x上位互換のワンチップマイコンです。 ⁽¹⁾⁽²⁾ 　50MIPS（1命令20ns）の性能はライトバック機能を持つ4段のパイプラインにより１命令を１クロックで処理することと50MHzクロック動作によ実現しています。現在リリースされているSXマイコンを表１に示します。


　PIC16C5xとはピン配置（図１参照）が同じで、命令コードもバイナリレベルで互換性があります。⁽³⁾　 ただし、処理速度及び命令処理内容に互換性を保たせるにはデバイスコンフィグレーションを適切に設定する必要があります。また、ISP（インシステムプログラミング）によるプログラミング方法は異なりますのでPIC16C5x用のライタは使用できません。

● SXマイコンの特徴

■ １命令１クロック動作

　SXマイコンは図２のような４段（フェッチ、デコード、実行、出力）のパイプラインにより図３の順序で１命令を１クロックで処理します。



このとき図３の INC fr1 で出力（図３�@）された fr1 レジスタが次の MOV W,fr1 で参照されていますが、INC 命令が出力されているときにはすでに MOV 命令で fr1 レジスタをラッチ（図３�A）しているので、MOV 命令の実行（図３�B）でこの値を使用すると MOV 命令は誤った結果を出力しています。このような問題を解決するためSXマイコンでは図２のように出力段から実行段に結果を戻すライトバック機能が用意されています。よって、この場合には fr1 レジスタの値は MOV 命令の実行段にライトバック（図３�C）され、正しい結果が得られるようになっています。
　パイプラインは JMP 命令等の分岐命令が実行されるとクリアされますが、このときフェッチとデコード段にある命令は NOP 命令に置き換えられるようになっています。このため分岐命令の実行には３クロック必要となります。

■ 最大動作クロック50MHz

　50MHzの水晶又はセラミック発振子、外部からの50MHzクロック供給で動作可能です。

■ フラッシュメモリ搭載

　プログラムメモリは2048×12bitのフラッシュメモリを搭載しています。フラッシュメモリは10,000回の書換えが可能です。

■ 割込み可能

　RTCC（タイマ／カウンタ）のカウントアップとポートＢの外部入力で割込みが可能です。

■ 割込み時のレジスタのプッシュ／ポップ

　割込みが発生した時にPC(プログラムカウンタ)に加えW、STATUS、FSRの各レジスタもスタックにプッシュされます。図４のようにPCは８レベルのハードウェアスタック（PIC16C5xは２レベル）に格納されます。一方、W、STATUS、FSR用のスタックは１セットの裏レジスタのみです。



■ 内部RCオシレータ

　発振周波数4MHzのRCオシレータが組込まれています。内部RCオシレータの周波数は4MHz〜31.25kHz間で８段階に分周可能となっています。

■ Brown-Outリセット

　電源電圧が設定された電圧(工場設定約4.2V)以下に低下した場合にリセットをかけることが可能なBrown-Outリセット回路が組込まれています。

● ハードウェア

　SXマイコンのブロック図を図５に、図１に示した各ピンの機能を表２に示します。また、表３に絶対最大定格、表４に電気的特性を示します。









■ I/Oピン

　SX18/20にはポートAに4本、ポートBに8本、SX28には加えてポートCとして8本の入出力可能なI/Oピンがあります。 ポートの各I/Oピンは入力保護のため図６と図７のように二つのダイオードでVDDとVSS間でクランプされています。





　各I/Oピンは内部でプルアップ可能です。入力レベルはCMOSレベルの他にTTLレベルも選択可能となっています。加えて、ポートBとCはシュミットトリガ入力を選択することもできます。またポートBはスリープ状態からのウェークアップ、外部割込み入力して使用可能です。さらに、ポートBには図8に示すコンパレータが組込まれています。



　各ポートの駆動能力はシンク／ソース共に最大30mAとなっておりPIC16C5xより向上しています。ただし、全てのI/Oピンに同時に30mAを流すことはできないので注意が必要です。

■ オシレータ回路

　SXマイコンはオシレータ回路が内蔵されています。外部に水晶又はセラミック発振子を接続する場合は図９、外部RCオシレータの場合は図１０、外部からクロックを供給する場合は図１１のように接続します。



　ISPでプログラミングする場合にはOSC1は書込み電圧供給ピン(Vpp)に、OSC2はシリアルデータ入出力ピンとして使用します。

■ リセット回路

SXマイコンのリセット回路は図１２のようになっています。リセット要因はパワーオン(POR)、Brown-Out、マスタークリア(MCLR)、ウォッチドグタイマ(WDT)のタイムアップが用意されています。



他のリセット要因と異なりMCLRにはリセット遅延タイマにより、電源電圧やオシレータが安定するまで、約72ms内部回路の起動タイミングを遅らせる機能があります。これによりMCLRピンを数kΩの抵抗を介してVDDに接続するだけでリセット回路が完成します。ただし、電源電圧の上昇速度が極端に遅い場合には、図13のようにMCLRのタイミングを遅らせる回路を付加する必要があります。



■ パワーダウンモード

　SXマイコンはPIC16C5x同様、SLEEP命令によりパワーダウンモードに移行します。パワーダウンモードからのウェイクアップはMCLRピンへの外部リセットパルス、WDTのカウントアップ、ポートBの外部入力(MIWU)で行うことができます。 パワーダウンからのウェイクアップとリセットによる起動を判別するにはSTATUSレジスタのPDとTOビットにより行います。

● ソフトウェア

　SXマイコンはプログラムメモリマップ、レジスタ及びデータメモリマップ、命令コード、リセットベクタなどはPIC16C5xに対して上位互換となっています。ここではSXマイコンで拡張された機能を中心に説明します。

■ デバイスコンフィグレーションレジスタ

　表５に示したレジスタ中のFUSEワードのCPWDTE,FOSC1/0の各ビットはPIC16C5xでも用意されていますが、その他はSXマイコン独自の機能を設定するために使用します。

● FUSEワード

　TURBOビットを0とすることで、１命令サイクルを１クロックで処理することが可能となります。RTCCを内部クロックで使用する場合、１命令サイクル毎にインクリメントされますので、TURBOが0では１クロック毎、1では４クロック毎にインクリメントとなります。 OPTIONXビットは割込みを使用する場合に0とします。STACKXビットはスタックを8レベルに拡張するときに0とします。IRC,DIV2/1/0の各ビットは内部RCオシレータの設定に使用します。

● FUSEXワード

　CFビットを0とすることで、加算／減算命令でキャリー／ボローフラグを結果に加算することが可能となります。例えば、2byteの変数fr1（下位）とfr2（上位）に#201hを加算する場合は、

CLC	；キャリーフラグをクリア
mov　　w,#01h
add　　fr1,w	；fr1=fr1+W+C(=0)
mov　　w,#02h
add　　fr2,w	；fr2=fr2+W+C

となり桁上がり処理が不要となります。
　BOR1/0はBrown-Outリセットの設定で、工場出荷の段階で設定済みで、Brown-Outリセットを無効にすることのみユーザに許可されています。RAM1/0及びMEM1/0は使用するデータメモリ容量及びプログラムメモリ容量を設定します。これはPIC16C5xをSXマイコンで置き換える場合にメモリ容量を一致させるために使用します。

● DEVICEワード

　ここにはチップに実装されているメモリ容量が書き込まれています。

■ プログラムメモリ

　アドレスマップは図１４のようになっています。リセットベクタは7FFh番地(FUSEXワードのMEM1=1、MEM0=1とした場合)、割込みベクタは000h番地です。



図１４に示すように分岐命令実行時のアドレス指定はSTATUSレジスタのページ選択ビットPA<1:0>と命令のオペランドの組み合わせにより行われます。異なるページへの分岐ではjmp命令やcall命令の前にページ選択ビットを設定しておく必要があります。図14右のようにcall命令で指定不可能なアドレスが存在するので注意が必要です。SXマイコンではページ選択ビットの設定を容易にするためにPAGE n命令（nはページ番号）が、リターン時にプログラムカウンタと同時にページ選択ビットを復元するRETP命令が追加されました。

■ データメモリ

　データメモリ空間は256バイト分用意されていますが実装されているのは138バイトのデータメモリと8バイト分の制御用レジスタのみです。 また、命令のオペランドで指定可能な範囲は図１５のように８つ別れた各Bank内に限られます。Bankの選択はFSRの<7:5>ビットで指定します。



SXマイコンにはBank切換えを簡単に行えるようにbank命令が追加されました。例えばBank4の14h番地に値を書き込む場合は、

bank　4	；Bank4を選択
mov　w,#10h
mov　14h,w	；14h番地に10hを書き込む

となります。一方、FSRを用いた間接アドレッシングではBankを意識する必要なく上記の例は、

mov　w,#94h
mov　fsr,w	；FSRにアドレスをセット
mov　w,#10h
mov　ind,w	；94h番地に10hを書き込む

となります。ここで、FSRを変更したことによりBankも変更されていることに注意して下さい。
　図１５のようにBank0の00h〜0Fh番地の制御用レジスタ及びデータメモリはBankを切換えなくても直接アクセス可能となっています。

■ 制御用レジスタ

　制御用レジスタには図１５のようにデータメモリにマップされているもと、独立して存在するものがあります。
　表６にデータメモリにマップされている制御用レジスタの機能を示します。



PIC16C5xでは01h番地はRTCCがマップされていましたが、SXマイコンでは設定によりRTCCとWレジスタを選択することが可能となりました。
　データメモリにマップされていない制御用レジスタの一つにオプション(OPTION)レジスタがあります。レジスタの機能を表７に示ます。



ビット７と６がPIC16C5xから拡張された部分です。OPTIONレジスタの変更はMOV !OPTION,W命令により行いますが、この命令はPIC16C5xのOPTION命令と同一のコードとなっています。
　また表８に示すポート制御レジスタ群もデータメモリにマップされていません。



表８にあるRx(x=A,B,C)の３つのレジスタはPIC16C5xにあるポート制御レジスタTRISx(x=A,B,C)に相当します。PIC16C5xではTRISx命令でレジスタを変更しますが、SXマイコンではレジスタが増えたためMODEレジスタが設けられました。表８のレジスタ群はMODEレジスタにより表９のように選択されます。



例えば、ポートAのLVL_Aレジスタを設定するときは、

MODE　　#0Dh	；MODEレジスタを0Dhに設定
MOV　　W,#0Fh
MOV　　!RA,W	；W-> LVL_Aレジスタ

となります。WKPND_BとCOMP_Bレジスタは値を参照する必要があるため、これら二つのレジスタに対するMOV !RB,W命令はWとレジスタの内容を交換する動作となるので注意が必要です。

■ 命令セット

　表１０に命令セット一覧を示します。







これを見るとPIC16C5x互換とは思えないほどの命令がありますが,例えばPIC15C5xでは

SUBWF　f,d

;f=レジスタ、d=宛先指定子

と単一命令扱いだったものがSXマイコンでは

SUB　fr,W

MOV W,fr-W

と別の命令として扱っています。また、キャリーフラグをクリアするCLC命令がありますが、これは　CLRB 03h.0 と同一コードです。このような重複を除きPIC16C5xの手法で分類するとSXマイコンは43命令（PIC16C5xは33命令）となります。
　ここでは、SXマイコンで新たに設けられた命令でまだ説明していないものを紹介します。

● RETI/RETIW命令

　これらは割込みからのリターン命令です。RETIW命令はリターン時にRTCC=RTCC−Wの演算をカウントを停止させること無しに行います（通常RTCCへ結果を書き込むと２命令サイクルの間カウントが停止します）。これはタイマ割込みの周期を変更する場合に使います。例えば、タイマが128カウントする毎にタイマ割込みを発生したい場合、

MOV　W,#-128	;Wに-128をセット
RETIW	;RTCC + 128 → RTCC

のようにします。

● IREAD命令

　これはプログラムメモリを参照する命令です。Wレジスタにプログラムアドレスの下位8ビット、MODEレジスタに上位4ビットをセットしIREAD命令を実行すると、Wレジスタに命令コードの下位8ビット、MODEレジスタに上位4ビットが格納されます。通常この命令はプログラムメモリに定数データを書込み、これを参照するのに使用します。

● 参考文献

1. SCENIX SX18/20/28ACユーザーズマニュアル(Ver.1.00),住商電子デバイス株式会社、1998年4月.
2. SX18AC / SX20AC / SX28AC datasheet, Scenix Semiconductor, Inc., July 31, 1998.
3. PIC16C5x Seriesデータシート(DS30015I-J02),Microchip Technology,Inc.,1992.