本章简要概述 ColdFire 系列微处理器，给出 MCF5223x 系列微控制器存储器映像与 编程结构、寻址方式、异常向量表；重点指出学习一个新 MCU 芯片比较快速的学习过程；
给出 MCF52233 的引脚功能与硬件最小系统电路。本章的重点是：存储空间的地址分配、
中断结构、硬件最小系统电路。
2.1 ColdFire系列微处理器概述
在 1996 年，Motorola 半导体部（现 Freescale 半导体公司）将具有划时代意义的 ColdFire 微处理器加入该公司的 32 位机大家族。四年以后，全世界已经使用了超过一亿片的以 68K/ColdFire 微处理器为核心的微控制器。ColdFire 是著名的 68K 体系结构的延续，沿袭 了 68K 系列的精华，改进了模块与工具。经过多年的发展，ColdFire 已经发展出大量的微 控制器系列产品，集成了各种外设和不同大小的存储器，成为许多低成本、高可靠、高性 能的嵌入式应用的理想解决方案。Freescale 公司提供了不同的功能、价格、集成度和调试 能力的 32 位单芯片嵌入式应用的解决方案，ColdFire 系列微控制器建议零售价从 5 美元 到 25 美元不等，处理器的性能水平从 10 到 400MIPS①不等，使得用户可以各取所需。也 就是说，用户无论需要怎样的系统功能和集成度，总能从 ColdFire 的庞大产品系列中选到 一款合适的芯片进行应用开发。这正是嵌入式系统产品的设计者所期望的。
了解 ColdFire 系列微处理器的结构特点，有助于产品设计时的选型。下面简要介绍 ColdFire 系列微处理器体系结构的主要特点。
ColdFire 系列具有变长精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC）
架构，集成了高代码密度的高性能内核和大量外围接口。ColdFire 系列微处理器最先推出 的版本是 V2，以 ColdFire V2 微处理器为核心制造的微控制器产品种类达百种以上。后来 版本发展到 V3、V4，还在继续发展，目标是覆盖各种不同应用。后来 Freescale 推出了单 片机业界首个 8/32 位兼容架构中缺失的一环 ColdFire V1。
V1 内核是 ColdFire V2 内核的简化版本，设计用于 32 位入门级应用。它改善了字节
（8 位）和字（16 位）操作数的处理能力，同时保持了与 ColdFire 架构相同的寻址方式和 指令定义。通过将硬件乘法累加器（Multiply- ACcumulate unit，MAC）②、增强型乘法累 加器（Enhanced Multiply-ACcumulate unit，EMAC）和除法（DIV）变为可选功能，设计 者能够将那些不需要增强型处理性能的应用的成本降至最低水平。
V2 内核基于存储器可配置分层架构，是 100%可综合的，并且专门设计用来重新使用
① MIPS（millions of instructions per second，百万条指令每秒）。许多工程师用该术语表示处理器的 处理能力。它是一个技术上并不全面但已被广泛采用的基准度量。
②乘法累加器是 Multiply-Accumulate Unit 的缩写，有的文献使用 MAU，但 Freescale 的 ColdFire 编 程参考手册使用了 MAC 这一缩写，本书沿用。
第 2 章 ColdFire 概述与 MCF52233 硬件最小系统
和简化集成定制设计。在0.13μm 工艺的基础上，利用带有 32 位地址和数据总线与集成调 试模块的单线程、基于标准单元的设计，内核可以支持高达 166MHz 的性能。内核采用长 度可变的 RISC 架构，允许的指令长度有 16、32 和 48 位。结果就是能更有效地将代码存 储到存储器中，从而降低了存储器的要求，并削减了系统总成本。V2 主要特点：变长的 RISC 指令集、2 个独立的流水线（两级取指令流水线和两级操作数执行流水线）、用 3 个 长字的 FIFO 缓冲区将流水线彼此分离、32 位内部总线地址支持 4GB 的地址空间、32 位 数据总线、16 个用户可用的 32 位通用寄存器、具有管理员/用户编程模式、地址空间可通 过配置寄存器重新定位、对高级语言的优化支持等。
V3 内核包括优化的指令预取流水线，分支预测能力，和更高的操作频率。该内核性 能比 V2 内核提高了 300%，而系统操作频率仅增加不到 50%。另外还包括一个高速的乘 法累加单元，专用的硬件除法和增强的调试功能。
V4 内核的微体系结构和 V3 内核相比，性能提高了 2.8 倍，拥有更加广阔的应用。改 良的微体系结构拥有更高的性能：大于 200 Dhrystone 2.1 MIPS@150MHz①。
ColdFire 内核中还可以集成硬件乘法累加器 MAC、增强型乘法累加器 EMAC 和密码 加速单元（Cryptographic Acceleration Unit，CAU），提高了效率和性能。
乘法累加器 MAC 用于设计完成一系列的 DSP 操作，当系统支持基于 ColdFire 体系 结构的整数乘法指令时，MAC 可以提供嵌入式代码的性能。带有 MAC 的微处理器能以 较少的周期快速执行信号处理算法。例如对于较小的数字滤波器，该算法执行一些方差计 算的时间还可以接受。MAC 可以用于以下 3 方面：有符号和无符号的整数乘法、有符号 的定点小数运算及多种寄存器操作数运算。ColdFire 系列支持 2 个 MAC，由于其成本不 同，故具有不同的功能和性能。
增强型乘法累加器 EMAC 对乘法累加器 MAC 进行了改进，采用 4 级流水线，最优 地实现了 32 位操作数运算，具有全流水的 32×32 乘法数组，以及 4 个 48 位累加器。
密码加速单元 CAU 是一个协处理器，用来执行一些 ColdFire 协处理器命令。CAU 能 加速一些常用的加密算法，为网络设备（如家庭网关或路由器）的安全性保障提供技术基 础。其他的 CAU 加密应用有自动售货机、自动收费机、雇员或个人识别系统。本书的范 例芯片 MCF5223x 系列中 MCF52235 含有密码加速单元 CAU。
Freescale 以 ColdFire 微处理器不同版本为内核生产的微控制器（MCU），命名方法一 般如下：ColdFire V1 内核的产品以 MCF51xx 命名，ColdFire V2 内核的产品以 MCF52xx 命名，ColdFire V3 内核的产品以 MCF53xx 命名，ColdFire V4 内核的产品以 MCF54xx 命 名，各自形成 MCU 子系列。这些不同型号的 MCU，因内部模块数量、I/O 口数目、封装 形式等不同形成具体型号的产品。较为详细的资料可参见光盘“„\第 02 章 阅读材料”
目录中的资料。这些资料都在更新，最新的资料可以在 Freescale 的网站（英文网站 http://www. freescale. com/ ColdFire 或中文网站 http://www. freescale. com. cn/ ColdFire）上 下载。
① Dhrystone，一种常用的处理器基准测试程序，主要用于市场目的的计算机性能测试。
2.2 MCF5223x系列微控制器存储器映像与编程结构
2006 年，Freescale 开始提供 MCF5223x 样片，2007 年 MCF5223x 批量上市。MCF5223x 系列 MCU 是首个能在单片内提供快速以太网控制器及以太网物理层和闪存的 32 位 MCU。
本书以该芯片为主要蓝本阐述嵌入式开发所必备的硬件设计、软件设计及相关技术。一般 来说，学习一个新的 MCU 芯片，若用 C 语言进行编程，比较快速的学习过程是：
（1）了解性能及内部主要功能模块与存储空间的地址分配。
（2）了解基本的编程结构、编程模式及寻址方式。
（3）了解中断结构。
（4）了解芯片的引脚的总体布局情况，掌握硬件最小系统电路。
（5）理解第一个工程的结构，理解工程中各个文件的基本功能。一般来说，第一个 工程为一个简单的小程序，如利用通用 I/O 模块编程控制几个发光二极管，主要目的是给 出程序框架和工作过程。
（6）进行实际环境的编译（compile）、链接（link）生成可以下载到芯片内部 Flash 存储器中的程序（可以运行的机器码），基本理解列表文件、机器码文件。
（7）一定要有硬件评估环境，这是学习新 MCU 的必需品。这样就可将程序利用写 入调试器下载到目标 MCU 中，在目标板上，观察运行情况。随后，可进一步利用嵌入式 软件的打桩调试技术，即在被测程序代码中插入一些函数或语句，利用这些函数或语句产 生可在硬件板上显示物理现象，供观察程序运行情况之用。
（8）从整个工程组成、各个文件、写入 Flash 存储器的机器码等角度，透彻理解第 一工程的执行过程。
至此，就算“入门”了。以后逐步学习各个功能模块就方便了。
本章给出上述过程的（1）—（4）步，下一章给出上述过程的（5）—（8）步，通过 两章的学习完成“入门”。
2.2.1 MCF5223x性能概述与内部结构简图
MCF5223x 是单芯片 32 位微控制器解决方案。重要特点是：该系列芯片内部含有以 太网模块，即 ColdFire V2 内核上集成了 10/100M 快速以太网控制器（Fast Ethernet Controller，FEC）与以太网物理层（Ethernet Physical Transceiver，EPHY）模块。该系列 芯片以合理的价格提供卓越的性能（频率为 60MHz 时最高 56MIPS）。该系列芯片的典型 应用为医疗仪表和监视器、远程数据采集、嵌入式以太网、ZigBeeTM 控制节点、安全/
访问控制面板、照明控制节点、家庭/工业自动化等。图 2-1 给出了 MCF5223x 的功能框 图。
MCF5223x的主要常规模块和特点总结如下：
（1）静态 RAM（SRAM）：32KB；
（2）Flash 存储器：128KB/256KB，10 万次擦写周期，10 年数据保持；
（3）支持后台调试模式（Background Debug Mode，BDM）；
第 2 章 ColdFire 概述与 MCF52233 硬件最小系统
（4）支持对集成电路提供串行的外部测试访问，符合 JTAG（Joint Test Action Group）
标准；
（ 5 ） 用 于 常 规 标 准 串 行 通 信 的 通 用 异 步 收 发 器 （ Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）；
（6）队列式串行外围设备接口（Queued Serial Peripheral Interface，QSPI）；
（7）集成电路互连总线（Inter-Integrated Circuit，I2C）①；
（8）4 通道具有直接存储器访问（Direct Memory Access，DMA）功能的 32 位定时 器；
图2-1 MCF5223x方框图
（9）通道 16 位或 8 通道 8 位的脉宽调制器（Pulse-Width Modulator，PWM）生成器；
（10）可编程中断定时器（Programmable Interrupt Timers，PIT）、4 通道 DMA 控制 器；
（11）8 通道 12 位模数转换器（Analog-Digital Converter，ADC）；
（12）系统集成模块包含锁相环（Phase-Locked Loop，PLL）和看门狗（Computer Operating Properly，COP）等功能；
（13）工作电压为 3.3V。
MCF5223x 系列包括 MCF52230、MCF52231、MCF52232、MCF52233、MCF52234、
MCF52235 和 MCF52236。这些器件或速度不同或存储器大小不同或封装不同，而且还有 部分器件增加了特殊模块，比如 MCF52235 增加了密码加速协处理器，用户可以从中选
① 关于 Inter-Integrated Circuit 的缩写，不同文献可能使用不同写法，有 I2C、IIC 及 I2C，本书统一 使用 I2C，这样也方便程序注释。
择最适合其应用需求的器件。表 2-1 给出了 MCF5223x 系列 MCU 性能的简要描述，供选 型参考之用。
表 2-1 MCF5223x 系列 MCU 性能简表
编号 Flash/SRAM 内部主要功能模块 封装 速度
MCF52230 128/32KB UART、I2C、QSPI、A/D、FEC EPHY、
DMA、16/32/PWM 定时器 80/112 LQFP 60MHz MCF52231 128/32KB 与 MCF52230 相比增加 FlexCAN 模块 80/112 LQFP 60MHz MCF52232 128/32KB 与 MCF52230 相同 80 LQFP 50MHz MCF52233 256/32KB 与 MCF52230 相同 80/112 LQFP 60MHz MCF52234 256/32KB 与 MCF52230 相比增加 FlexCAN 模块 112 LQFP
DMA、16/32/PWM 定时器 80/112 LQFP 60MHz MCF52231 128/32KB 与 MCF52230 相比增加 FlexCAN 模块 80/112 LQFP 60MHz MCF52232 128/32KB 与 MCF52230 相同 80 LQFP 50MHz MCF52233 256/32KB 与 MCF52230 相同 80/112 LQFP 60MHz MCF52234 256/32KB 与 MCF52230 相比增加 FlexCAN 模块 112 LQFP