STC15W4K32S4单片机内部结构及接口技术

自20世纪80年代中期以来，Intel公司以专利的形式把8051内核转让给Atmel、Philips等公司后，这些公司继承和发展了MCS-51系列单片机，并采用CMOS 0.35μm工艺，在功能及性能上对8051单片机进行了扩充，开发出更具特点、功能更强、市场竞争力更强的单片机。从21世纪初开始，我国STC宏晶科技公司也加入了8051单片机研究、开发和生产的行列，生产出一系列8051增强型、高性能单片机，STC15W4K32S4系列单片机是其中之一。它们的内部结构基本相同，其硬件结构如图2-1所示。除包括传统8051单片机全部8大功能部件外，还对这些部件进行了丰富和增强，而且将那些控制应用所必需的特色部件都集成到一块尺寸有限的集成电路芯片上，形成特有的高性能单片机。其主要包含的功能部件有：

1）微处理器（8位CPU）。

2）程序存储器（含16～63.5KB的Flash）。

3）数据存储器（含4KB的SRAM）。

4）8位并行可编程I/O端口（P0、P1、P2、P3和P4～P7）。

5）4个全双工异步串行口（UART）。

6）5个可重装16位定时器/计数器（T0、T1、T2、T3、T4）。

7）中断系统（包含15～20个中断源、2个优先级）。

8）特殊功能寄存器（Special Function Register，SFR）。

9）8通道10位高速ADC。

10）1个高速同步串行通信口SPI（Serial Peripheral Interface）。

11）6通道15位、带死区控制的PWM。

12）可编程计数器陈列/捕获/比较单元CCP（Capture/Compare/PWM）。

13）硬件看门狗和内部上电复位电路。

14）高精度RC时钟。

15）可编程时钟输出功能。

16）比较器。

17）ISP/IAP在线下载/在线应用编程。

这些使单片机应用更具特色，更有市场应用和发展前景。

以上前8大功能部件是传统8051单片机所共有的，后面的功能部件是STC在实际应用中不断增强的。从图2-1的单片机内部结构可以看出，系统以CPU为核心，各个部件通过一条单总线与CPU连接在一起，并集成在一块芯片上以实现部分PC的功能。单片机中的CPU通过特殊功能寄存器SFR对各功能部件采用集中控制的方式来进行控制管理。

图2-1 STC15W4K32S4单片机内部结构

STC15W4K32S4系列单片机的内部功能部件介绍如下：

（1）微处理器（CPU）

单片机的CPU是8位微处理器，主要由运算器和控制器组成，其中振荡电路和时钟电路。它可工作在1T机器周期，工作频率为5～28MHz，速度比普通8051快8～12倍。它决定单片机的性能，是单片机的核心部件，主要完成运算和控制功能。它与通用CPU基本相同，只是增加了面向控制的处理功能，使之既能处理字节数据，也能对位变量进行位运算。

（2）程序存储器

STC15W4K32S4系列单片机片内程序存储器根据所选型号不同，配置了16～63.5KB的Flash程序存储器（如图2-1所示）。程序存储器主要用于存储用户的应用程序和一些原始数据或表格，可以通过ISP下载方式下载程序或表格数据，擦写次数达10次，使得存储器编程、修改操作趋于简单，改进了传统单片机程序存储器编程复杂、麻烦的状况。如果片内存储器容量不够用，在片外可扩展程序存储器，片外最大扩展寻址范围为64KB。

（3）数据存储器

STC15W4K32S4系列单片机片内包含256 B RAM和3840 B SRAM作为数据存储器，用于保存单片机在运行期间需要保存的工作变量、中间结果或最终结果、数据暂存或缓冲、标志位等。单片机片内数据存储器采用高速RAM的形式集成在单片机内部，提高了单片机运行速度，降低了系统功耗。如果片内数据存储器容量不够用，可在片外扩展。传统的方法是通过P0、P2口在片外采用并行存储器扩展，最大可扩展寻址范围为64KB。现在可选择I²C或SPI串行存储器（如24C64）作片外数据存储器，可简化扩展接口电路设计。

（4）可编程I/O端口(www.xing528.com)

STC15W4K32S4系列单片机包含4～8个8位可编程I/O端口，名称是P0、P1、P2、P3、P4、P5、P6和P7口。用于输入或输出信息，单片机对外部信号的检测、对外部对象的控制或数据传输、通信都是通过I/O口来实现的。

（5）串行口

STC15W4K32S4系列单片机包含4个全双工异步串行口（UART），它具有4种工作模式，能一位一位地实现单片机与外设之间的串行数据传输。串行口可用作ISP下载程序、串行通信、多处理器通信和扩展并行I/O口。可通过它把多个单片机相互连接构成多机测控或通信系统，使单片机的功能更强大，应用更广泛。

（6）定时器/计数器

STC15W4K32S4系列单片机有5个可重载16位定时器/计数器，它可设置为计数方式，对外部事件（脉冲）进行计数；也可设置为定时方式，对标准时钟脉冲进行定时计时。T0、T1与传统8051单片机一样有4种工作方式，定时和计数范围可以通过软件编程进行设定。一旦定时或计数到位，就会立即向CPU发出中断请求，CPU根据定时或计数结果可对外设实行控制。

（7）中断系统

STC15W4K32S4系列单片机具有21个中断源，2级中断优先级。它可接收外部中断请求、定时器/计数器中断请求、串行口中断请求和其他中断请求。用于对紧急事件的实时控制、故障自动处理、单片机与外设之间的数据传输及人机对话等。

（8）特殊功能寄存器SFR

STC15W4K32S4系列单片机片内具有81个SFR，还有33个SPWM寄存器，用于CPU控制和管理片内算术逻辑部件、并行I/O口、串行接口、定时器/计数器、中断系统、ADC、CCP等功能模块的工作。它实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。

（9）高速ADC

STC15W4K32S4系列单片机片内包含一个8通道10位ADC模-数转换器，转换速度为300K/s，完全可以满足中低速度的数据采集要求，减少对外部A-D电路的扩展，对降低开发成本和减小产品体积很有帮助。

（10）同步串行通信口SPI

STC15W4K32S4系列单片机片内包含一个高速、全双工、同步串行通信端口SPI，采用四根线制总线接口，是Motorola最先在其处理器上定义使用的。SPI接口总线可以使得MCU与各种外围设备之间以串行通信方式进行信息交换，并提供方便的数据通信协议。

（11）带死区控制的PWM

STC15W4K32S4系列单片机片内包含6通道带死区的PWM输出。在电力电子中，通常需要用到整流桥和逆变桥，每个桥臂上有两个电力电子器件，比如MOS管或IGBT。这两个器件不能同时导通，否则就会出现短路的情况。为了防止上下两个器件同时导通，需要设计带死区的PWM信号。

（12）可编程计数器陈列/捕获/比较单元CCP

STC15W4K32S4系列单片机包含2个可编程计数器陈列/捕获/比较单元CCP，可实现软件计数器、外部脉冲上/下沿信号捕获、高速方波信号输出和脉宽调制波形输出等功能。

（13）看门狗和内部上电复位电路

STC15W4K32S4系列单片机片内包含1个硬件看门狗电路，可通过软件编程设置，时刻监控系统CPU是否“死机”。一旦发现系统CPU“死机”，则立即复位重启系统，使CPU摆脱“死机”或死循环。此外，单片机内部还有1个16级门槛电压可选的上电复位电路，在编程下载时，通过ISP程序下载软件操作选择复位门槛，设置内部复位，省去了外部复位接口电路。

（14）内部RC时钟

STC15W4K32S4系列单片机片内包含一个高精度RC时钟振荡器，时钟频率范围为5～35MHz，精度为±0.3%，在-40～85℃时温漂为±1%，在-20～65℃时温漂为0.6%。若选择使用内部时钟，可以在编程下载程序到单片机时，通过ISP程序下载软件操作选择时钟频率一同下载设置。程序下载成功后，同时也确定了单片机系统工作时钟，省去了外部晶振时钟电路。

（15）可编程时钟输出功能

STC15W4K32S4系列单片机具备作为信号源功能，可对内部系统时钟进行可编程分频输出，能够很方便地输出时钟，可对外提供6路高频时钟信号。在5V供电时，最大可输出13.5MHz时钟频率；在3.3V供电时，最大可输出8MHz时钟频率。

（16）比较器

STC15W4K32S4系列单片机片内包含一路比较器，可当一路ADC使用。在很多要求极限检测和报警场合非常有用。比如温度极限报警，往往需要先检测比较被测信号电压，再与参考电压比较产生逻辑电平0/1，最后单片机检测这个电平并作出相应的处理。这种片内比较器便于检测电路的设计。

（17）在系统可编程/在应用可编程ISP/IAP

STCW4K32S4单片机通过专用的串行编程接口对片内Flash存储器进行编程，无须编程器或仿真器。可以非常方便地对系统板上的单片机直接在线下载程序或者擦除程序，可以在线调试，免去单片机芯片插来拔去的麻烦。

STC15W4K32S4系列单片机电源可工作在2.5～5.5V，典型值有3.3V和5V单片机。芯片封装形式多样，有SKDIP、PDIP、SOP、QFN和LQFP，最大可达64引脚，芯片引脚除2个电源端外，其他引脚均可作为I/O口使用。