JP2770314B2 - マイクロコンピュータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、シングル・チップ・マイクロコンピュータ
などストアード・プログラム制御のデータ処理装置に関
し、特にその装置の動作クロック周波数を制御する方式
に関する。

〔従来の技術〕

シングル・チップ・マイクロコンピュータは動作クロ
ックを発生するクロック発生器を内蔵しており、水晶振
動子や抵抗・コンデンサを用いた発振回路で基準信号を
発生している。一般に水晶振動子を用いた発振回路に
は、発振周波数が安定な長所があり、安定な動作速度を
目標にする場合に使用されているが、安定な発振状態に
なるまでに数十ミリ秒から数秒の時間が必要になる欠点
がある。これに対し、抵抗・コンデンサを用いた発振回
路には、抵抗・コンデンサが安価なため発振回路を安価
に構成でき、さらに機械的な振動をともなわないため発
振の起動時間が短いといった長所があり、安価なシステ
ムを目標にする場合に利用されているが、時定数により
発振周波数が定まるため抵抗値や容量値の誤差に依存し
て正確な周波数を設定しにくい欠点がある。

近年、プログラムの処理で各種の機能を実現できるこ
とから、シングル・チップ・マイクロコンピュータは各
種の装置に制御部品として利用されており、電池により
動作させる機器などへの応用では、消費電力が少ないこ
とが望まれている。かかる要求を実現するため、マイク
ロコンピュータの内部クロックを制御し、装置が動作し
ていない時にクロックを停止させて、内部回路の状態遷
移を抑止して消費電力を低減させる方法が取られてお
り、昭和54年特許願119486号などにその制御ならびに電
力低減の効果について述べられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

マイクロコンピュータのクロック信号を停止させる制
御を行うことにより、基本的にはその消費電力を減らす
ことが可能になるが、クロック発振の停止と起動をさせ
ることに関係して、発振回路の構成が問題になる。つま
り、水晶発振ならば周波数は正確であるが、発振が安定
するまでマイクロコンピュータは処理を行えず、処理を
していない時に余分な電力が消費されることになる。

このため、発振開始における無効な電力を減少させる
ため、起動特性が良い発振回路が望まれており、一部の
マイクロコンピュータでは抵抗とコンデンサを用いる発
振回路が使用されている。ところが、抵抗とコンデンサ
による発振には周波数の正確度の面で難点あり、通信や
メカ制御など処理時間が問題となる処理をさせる場合に
障害となる。

本発明の目的は、動作クロックの停止・起動を行うマ
イクロコンピュータに最適な、周波数の正確度が高く、
且つ、発振の起動時間が短いクロック発生器を提供する
ことにある。

〔発明の従来技術に対する相違点〕

従来のマイクロコンピュータのクロック発生器では発
振回路の回路定数に依存して周波数が固定であったのに
対し、本発明はマイクロコンピュータのプログラム処理
によりクロック信号の周波数を検知して発振周波数を変
える制御手段を備えるといった相違点を有する。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、低い周波数（例えば32KHz）の水晶発振器
ならば回路電流で数μＡと消費電力が低いことに着目
し、低電力の水晶発振器により起動特性の良い自走発振
器の周波数を制御するものである。具体的に、本発明の
マイクロコンピュータは、プログラムにより値が設定さ
れるレジスタと、レジスタの一方の値により発振の起動
／停止が制御され他方の値により発振周波数が制御され
る自走発振手段と、水晶振動子を用いた水晶発振手段
と、自走発振手段より発生する発振信号及び水晶振動子
より発生する発振信号を受けこれら両発振信号に基づき
カウント信号を発生する手段と、カウント信号をカウン
トすることにより水晶発振の周期における自走発振のパ
ルス数又は自走発振の周期における水晶発振のパルス数
を計測するカウント手段とを有し、カウント手段で計数
されたデータから発信周波数の目標値に対する誤差を検
知し、その誤差を補完すべき値をレジスタの他方に書き
込むことを特徴とする。

〔実施例〕

以下、図面を用いて詳細な説明を行う。第１図は本発
明の一実施例のマイクロコンピュータのブロック構成図
で、装置全体の動作タイミング信号を発生するクロック
発生部３と、処理の手順すなわちプログラムを記憶する
プログラム・メモリ６と、プログラム・メモリ６のアド
レスを指定するプログラム・カウンタ７とプログラム・
メモリ６から読み出された命令を解読して装置の各部へ
の制御信号C1からCnを発生する命令デコーダ15と、処理
されるデータを記憶するデータ・メモリ８と、データ・
メモリ８のアドレスを指定するデータ・ポインター９
と、演算や判断をおこなう演算回路11と、データ処理の
中心レジスタとなるアキュムレータ10と装置外部と信号
の入出力を行う入出力ポート12と、計数を行うタイマ／
カウンタ13と、各部の間でのデータを転送するデータ・
バス14から構成されている。

ここで、クロック発生部３とタイマ／カウンタ13を除
き他のブロックは従来装置と同様なものであり図中点線
で囲ってその部分５を示している。クロック信号発生部
３は、抵抗とコンデンサによる自走発振回路を含み基準
クロック信号を発生する。タイマ／カウンタ13は、水晶
発振回路を含み、その発振信号や基準クロック，外部信
号を選択して、そのパルス数を計数する。以下、第２図
にクロック発生部３とタイマ／カウンタ13の要部の回路
図、第３図に自走発振回路の動作タイミング・チャート
を示して説明を行う。

第２図のクロック発生部３（図中点線で囲って示す）
は、３個の反転回路21から23と、アンドゲート24と、４
個の抵抗25から28と、４個のトランジスタ29から33と、
分周回路33と、モードレジスタ34で構成され、外部の抵
抗35とコンデンサ36を介した充放電により発振し、反転
回路22から基準クロックを出力する。この基準クロック
は、そのままあるいは分周されて、装置各部の動作クロ
ックとなる。モードレジスタ34は、プログラムの処理に
より値が設定されるレジスタで、設定命令の実行により
データ・バス14経由で転送されたデータが書込まれ、発
振の起動／停止や発振周波数を制御するための出力37か
ら41がある。分周回路33は、基準クロック信号を分周し
て、基準クロック信号の周期に相当するパルス幅の信号
を発生して、タイマ／カウンタに供給している。

タイマ／カウンタ13（図中点線で囲って示す）は、４
個のアンドゲート51から54と、オアゲート55と、カウン
タ56と、反転回路57と、抵抗58と、分周回路59と、モー
ドレジスタ60およびデコーダ61で構成され、モードレジ
スタ60に設定された値に応じて、カウンタ56の計数信号
を選択して、計数する。このうち、反転回路58は抵抗57
により入力と出力が接続されており、増幅回路として動
作し、外部の水晶振動子62の共振により発振を行ってい
る。分周回路59は、水晶発振回路の信号を分周して、水
晶発振の周期に相当するパルス幅の信号を発生してい
る。モードレジスタ60は、カウンタ56の計数信号の選択
や動作を指定するレジスタで、プログラムの処理にて設
定命令が実行された時にデータ・バス14経由で転送され
た値が書込まれる。

以下、第３図を参照して、自走発振の動作と発振周波
数の制御について説明する。モードレジスタ34の出力37
は、発振の状態を制御し、値がロジック値０の時（図中
T2で示すタイミング）に発振を停止させ、値がロジック
値１の時（図中T1で示すタイミング）に発振を継続させ
る。T2のタイミングでは、アンドゲート24の出力がロジ
ック値０となり、反転回路21と23の出力がロジック値1,
反転回路22の出力がロジック値０に固定されて、発振が
停止した状態になる。T2のタイミングでは、反転回路23
およびアンドゲート24の出力に、反転回路21の入力信号
と逆相（ロジック値が反転した）信号が発生して、抵抗
25から28と35を介して負帰還がかかり、抵抗25から28と
35および容量36の時定数に応じた周波数で、発振が起こ
る。

ここで、抵抗25の抵抗値を基準とすると、抵抗26は２
倍、抵抗27は４倍、抵抗28は８倍の抵抗値に設定してお
り、各抵抗を直列に接続している。さらに、各抵抗にト
ランジスタ29から32をそれぞれ並列に接続して、モード
レジスタ34の出力38から41の値に応じて、それぞれのト
ランジスタの導通を制御している。これによって、各ト
ランジスタを導通させることにより、並列に接続される
抵抗の両端をショートして、抵抗25から28の直列抵抗値
を切換えている。つまり、モードレジスタ34の値に応じ
て、抵抗が無い状態から、抵抗25の抵抗値の整数倍で、
１倍から15倍まで抵抗値を変えることができ、その抵抗
値の対応を表にしめす。従って、モードレジスタ34の値
に応じて、先に述べた発振の時定数を変化させて、発振
周波数を制御する。

次に、タイマ／カウンタ13の動作について説明する。
４個のアンドゲート51から54とオアゲート55およびデコ
ーダ61から成る部分はカウンタのカウント信号を選択す
る回路であり、デコーダ61によってモードレジスタ60の
値をデコードし、アンドゲート51から54のうちいずれか
１個のアンドゲートが開くように信号を発生する。アン
ドゲート51が開いた時には基準クロックを分周した信号
がカウント信号になり、アンドゲート52が開いた時には
装置の端子入力など外部から入力される信号がカウント
信号になり、アンドゲート53が開いた時には水晶発振信
号を分周した信号がカウント信号になり、アンドゲート
54が開いた時には基準クロックを分周した信号と水晶発
振信号を分周した信号の論理和信号がカウント信号にな
る。

カウンタ56は、データ・バス14に接続され、プログラ
ムの処理により初期値の設定や計数値の読取りが可能な
ように構成されている。

前述の選択手段により切換えられた信号をカウンタ56
にて計数することにより、各種の意味付けされた情報を
得ることが出来る。ここで、アンドゲート54を開いて計
数した場合には、水晶発振の周期における自走発振のパ
ルス数または自走発振の周期における水晶発振のパルス
数を計数することになる。水晶発振は周波数が安定でパ
ルス幅や周期がわかっていることに着目すれば、計数値
は自走発振の発振周波数または周期に対応した情報とな
る。これを、プログラムの処理にて計算ならびに比較す
ることによって、自走発振回路の周波数が、目標値より
高いまたは低いのかを判断している。目標より低い周波
数であると判断した場合には、モードレジスタ34に設定
してある値を減少させて、抵抗25から28の直列抵抗値を
減らせば、時定数が小さくなり、発振周波数が高くな
る。逆に、目標より高い周波数であると判断した場合に
は、モードレジスタ34に設定してある値を増加させて、
抵抗25から28の直列抵抗値を増やせば、時定数が大きく
なり、発振周波数が低くなる。

このように、適当な時間毎に、水晶発振をもとに自走
発振の信号を計数して、その発振状態を制御すれば、周
波数の安定な基準クロック信号を発生することができ
る。

なお、実施例な自走発振では、発振の起動時（第３図
中でT2からT1に変る時）に、モードレジスタ37の出力が
ロジック値１になると、すぐにアンドゲート24の出力が
ロジック値１に成って、抵抗25から28と35を介して容量
38の充電が始まり、発振状態になる。従って、発振の起
動に要する時間は皆無なものである。

以上、説明したように本発明の実施例では、ストアー
ド・プログラム制御で、プログラムされた命令に基づき
動作クロック信号の停止を制御している装置において、
水晶発振器を含むタイマ／カウンタにより、自身の動作
クロックを計測してその周波数を制御している。

これによって、起動の時間が短い発振回路であって
も、周波数の正確度を確保でき、低電力の水晶発振器を
用いることができるため、総合的な消費電力を減らせら
れる効果がある。

〔実施例２〕 前述の実施例では、発振のための帰還抵抗値を変える
ことにより、発振周波数を制御しているが、本発明は、
他のパラメータを変えることによっても実現できる。以
下、第２の実施例のクロック発生部の回路を第４図に示
して、説明する。

第４図のクロック発生部３（図中点線で囲って示す）
は、第２図に示したと同様な、３個の反転回路21から23
と、アンドゲート24と、分周回路33と、モードレジスタ
34に加えて、４個のＰチャネル・トランジスタ71から74
と８個のＮチャネル・トランジスタ75から82で構成さ
れ、外部の抵抗35とコンデンサ36を介した充放電により
発振し、反転回路22から基準クロックを出力する。

第４図中、トランジスタ71と75,トランジスタ72と76,
トランジスタ73と77,トランジスタ74と78は、それぞれ
共通の信号をゲート電極の入力とし、ソース電極とドレ
イン電極が直列に接続されて、反転回路として動作す
る。従って、アンドゲート24の出力信号が４段の反転回
路を通して抵抗35に伝達されることになる。

ここで、トランジスタ75から78のソース電極は、並列
に接続されて、並列接続のトランジスタ79から82を介し
て接地電位に接続されている。このトランジスタ79から
82の導通状態に応じて反転回路のスイッチング速度が変
るように構成している。つまり、各トランジスタの導通
した時に流れる電流値を重み付けし、トランジスタ79の
電流値を基準にすると、トランジスタ80は２倍、トラン
ジスタ81は４倍、トランジスタ82は８倍になるように、
各トランジスタの寸法を設定し、モードレジスタ34の発
振周波数を制御するための出力38から41をトランジスタ
79から82のゲート電極にそれぞれ接続し、モードレジス
タ34に設定する値によって、トランジスタの導通状態を
制御する。

モードレジスタ34の出力38がロジック値１のときにト
ランジスタ79が導通し、同様に、出力39がロジック値１
のときトランジスタ80、出力40がロジック値１のときト
ランジスタ81、出力41がロジック値１のときトランジス
タ82がそれぞれ導通し、トランジスタ79から82の総合電
流が反転回路の電源電流となる。

従って、トランジスタ79の電流値の１倍から15倍まで
導通電流を変えることができ、トランジスタ71から78で
構成される４個の反転回路のスイッチング速度を15段階
で変えることができる。

ここで、モードレジスタ34に設定する値を増やせば、
回路電流が増し、スイッチング速度が早くなり、発振周
波数が高くなる。また、値を減少させれば、回路電流が
減少し、スイッチング速度が遅くなり、発振周波数が低
くなる。第２図に示した実施例と同様に、自走発振のパ
ルスをタイマ／カウンタにより計測して、目標の周波数
になるよう前述のようにモードレジスタの値を操作する
ことにより、第４図の発振回路でも周波数の正確度を確
保できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、抵抗とコンデ
ンサを用いた発振回路の安価な回路構成と発振の起動時
間が短いといった長所を備えながら、発振周波数の正確
度を確保できる。さらに、計測に用いる水晶発振は低い
周波数で良く、低電力の水晶発振器を用いることができ
るため、総合的な消費電力を減らせられる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のマイクロコンピュータのブ
ロック構成図、第２図はクロック発生部とタイマ／カウ
ンタ要部の回路図、第３図は自走発振回路の動作タイミ
ング・チャート、第４図は第二実施例のクロック発生部
の回路である。 ３……クロック発生部、６……プログラム・メモリ、７
……プログラム・カウンタ、８……データ・メモリ、９
……データ・ポインター、10……アキュムレータ、11…
…演算回路、12……入出力ポート、13……タイマ／カウ
ンタ、14……データ・バス、15……命令デコーダ15、21
から23,57……反転回路、24,51から54……アンドゲー
ト、25から28,35,58……抵抗、29から33,71から82……
トランジスタ、33,59……分周回路、34,60……モードレ
ジスタ、36……コンデンサ、55……オアゲート、56……
カウンタ、61……デコーダ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G06F 1/04 G06F 15/78

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】プログラムにより値が設定されるレジスタ
   と、前記レジスタの一方の値により発振の起動／停止が
   制御され他方の値により発振周波数が制御される自走発
   振手段と、水晶振動子を用いた水晶発振手段と、前記自
   走発振手段より発生する発振信号及び前記水晶振動子よ
   り発生する発振信号を受けこれら両発振信号に基づきカ
   ウント信号を発生する手段と、前記カウント信号をカウ
   ントすることにより水晶発振の周期における自走発振の
   パルス数又は自走発振の周期における水晶発振のパルス
   数を計測するカウント手段とを有し、前記カウント手段
   で計数されたデータから前記発信周波数の目標値に対す
   る誤差を検知し、その誤差を補完すべき値を前記レジス
   タの前記他方に書き込むことを特徴とするマイクロコン
   ピュータ。