80C196單片機(jī)

　　1. 80C196單片機(jī)概述

　　單片微型計算機(jī)（Single-Chip Microcomputer） 簡稱為單片機(jī)。它在一塊芯片上集成了

　　微型計算機(jī)的各個組成部件：微處理器（MPU） 或中央處理器（CPU） ，存儲器（ 包括隨機(jī)存儲

　　器RAM 和只讀存儲器ROM）和各種I/O 接口電路（ 例如并行I/O 接口電路，串行I/O 接口電路

　　，定時器/ 計數(shù)器電路，A/D 和D/A 轉(zhuǎn)換器電路等） 。換句話說， 一塊芯片就是一臺微型計

　　算機(jī)。由于一塊芯片上集成了微型計算機(jī)的各個功能部件，因此用單片機(jī)構(gòu)成的控制系統(tǒng)結(jié)

　　構(gòu)緊湊、體積小、價格便宜。當(dāng)用于工業(yè)環(huán)境時，單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)更具有可靠性高、抗干

　　擾能力強(qiáng)的優(yōu)點。到目前為止，單片機(jī)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于智能化產(chǎn)品和工業(yè)自動化控制設(shè)

　　備上。

　　1.1 MCS-96系列單片機(jī)

　　1.1.1 Intel 公司單片機(jī)

　　Intel 公司1971年首先推出了微處理器（4004），之后Intel 公司在研制通用微處理器（8

　　080/85、8086/88 ，80186 、80286 、80386 、80486 、P5） 的同時，從1976年開始推出了

　　8048（MCS-48）、8051（MCS-51）、8096（MCS-96）和80960 等4 個單片機(jī)系列產(chǎn)品。Intel 公司

　　的單片機(jī)主要面向控制領(lǐng)域，因此也稱為微控制器（MicroController） 。Intel 公司的單片

　　機(jī)是目前國際和國內(nèi)的主流單片機(jī)，應(yīng)用最為廣泛，被譽(yù)為“標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制器”。

　　Intel 公司的單片機(jī)系列中，MCS-48系列是最早推出的低擋8 位機(jī)；1980年推出的MCS-

　　51系列單片機(jī)屬于高檔8 位機(jī)。與MCS-48系列單片機(jī)相比，MCS-51系列單片機(jī)硬件上增加了

　　串行接口，尋址范圍從4KB 增大到64KB；軟件上增加了減法運(yùn)算和乘除運(yùn)算以及布爾運(yùn)算指

　　令，并且指令的執(zhí)行速度比MCS-48系列有較大的提高。

　　1984年，Intel 公司研制出16位單片機(jī)，即MCS-96系列微控制器。與前兩類單片機(jī)相比

　　，MCS-96系列單片機(jī)無論是在硬件上還是在軟件上都做了很大的改進(jìn)。Intel 公司MCS-96系

　　列單片機(jī)的發(fā)展過程如下：

　　1984年：16位基本型單片機(jī)8096-90 系列；

　　1985年：16位改進(jìn)型單片機(jī)8096BH系列，與基本型相比8096BH型單片機(jī)的外部數(shù)據(jù)總線

　　寬度可以是8 位和（ 或者）16 位；

　　1987年：CMOS型單片機(jī)80C196系列，其性能是8096-90 和8096BH的兩倍；

　　1988年：外部數(shù)據(jù)總線寬度為8 位的8098單片機(jī)；

　　1989年：增強(qiáng)型CMOS單片機(jī)80C196KC系列，增加了外設(shè)事務(wù)服務(wù)器（PTS） ，大大改進(jìn)了

　　I/O 處理能力；

　　1991年：適于電機(jī)控制的單片機(jī)80C196MC，用PTS 處理幾乎所有的I/O 操作。

　　1.1.2 MCS-96系列單片機(jī)分類

　　MCS-96系列單片機(jī)具有很多種類型。按引腳數(shù)量可分為48個引腳封裝和68個引腳封裝兩

　　類；按片內(nèi)有無A/D 轉(zhuǎn)換器可分為片內(nèi)有A/D 轉(zhuǎn)換器和片內(nèi)無A/D 轉(zhuǎn)換器兩類；按片內(nèi)程序

　　存儲器的類型又可分為片內(nèi)有只讀存儲器ROM 、片內(nèi)有可擦除的只讀存儲器EPROM 和片內(nèi)無

　　程序存儲器三類；若按制造工藝及型號分類，有基本（-90） 型、改進(jìn)（BH）型和CMOS型三類。

　　MCS-96系列單片機(jī)的詳細(xì)分類如表1-1 所示。

　　表1-1 MCS-96 系列單片機(jī)分類

　　━━━━━━━━━┳━━━━━━━━┳━━━━┳━━━━━━

　　┃片內(nèi)無程序存儲器┃片內(nèi)ROM ┃片內(nèi)EPROM

　　━┳━━━┳━━━╋━━━━━━━━╋━━━━╋━━━━━━

　　┃ ┃無A/D ┃ 8094-90 ┃8394-90 ┃8794-90

　　基┃48引腳┣━━━╋━━━━━━━━╋━━━━╋━━━━━━

　　┃ ┃有A/D ┃ 8095-90 ┃8395-90 ┃8795-90

　　本┣━━━╋━━━╋━━━━━━━━╋━━━━╋━━━━━━

　　┃ ┃無A/D ┃ 8096-90 ┃8396-90 ┃8796-90

　　型┃68引腳┣━━━╋━━━━━━━━╋━━━━╋━━━━━━

　　┃ ┃有A/D ┃ 8097-90 ┃8397-90 ┃8797-90

　　━╋━━━╋━━━╋━━━━━━━━╋━━━━╋━━━━━━

　　┃ ┃無A/D ┃ 8094BH ┃8394BH ┃8794BH

　　改┃ ┣━━━╋━━━━━━━━╋━━━━╋━━━━━━

　　┃48引腳┃ ┃ 8095BH ┃8395BH ┃8795BH

　　┃ ┃有A/D ┣━━━━━━━━╋━━━━╋━━━━━━

　　進(jìn)┃ ┃ ┃ 8098 ┃8398 ┃8798

　　┣━━━╋━━━╋━━━━━━━━╋━━━━╋━━━━━━

　　┃ ┃無A/D ┃ 8096BH ┃8396BH ┃8796BH

　　型┃68引腳┣━━━╋━━━━━━━━╋━━━━╋━━━━━━

　　┃ ┃有A/D ┃ 8097BH ┃8397BH ┃8797BH

　　━┻━━━┻━━━╋━━━━━━━━╋━━━━╋━━━━━━

　　┃ 80C196 ┃83C196 ┃87C196

　　CHMOS 型 ┣━━━━━━━━╋━━━━╋━━━━━━

　　┃ 80C196KB ┃83C196KB┃87C196KB

　　（ 均有A/D 轉(zhuǎn)換器 ┣━━━━━━━━╋━━━━╋━━━━━━

　　┃ 80C196KC ┃83C196KC┃87C196KC

　　均為68引腳 ） ┣━━━━━━━━╋━━━━╋━━━━━━

　　┃ 80C196MC ┃83C196MC┃87C196MC

　　━━━━━━━━━┻━━━━━━━━┻━━━━┻━━━━━━

　　表1-1 中，8098、8398及8798的功能與8095BH、8395BH及8795BH的功能大致相當(dāng)，比較

　　大的區(qū)別是8098的外部數(shù)據(jù)總線寬度只能是8 位，如果非要將8098的數(shù)據(jù)總線寬度設(shè)置為16

　　位，則有些指令不能正常運(yùn)行；而8095BH的外部數(shù)據(jù)總線寬度即可以是8 位，也可以是16位

　　，在兩種總線寬度下，8095BH都能正常工作。

　　1.1.3 MCS-96系列單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)

　　MCS-96系列單片機(jī)包括很多的成員，為使敘述簡單下面用8096表示表1-1 中的基本型（-

　　90型） 單片機(jī)，用8096BH表示增強(qiáng)型（BH 型） 單片機(jī)，用80C196KB表示80C196KB、83C196KB

　　和87C196KB，用80C196KC表示80C196KC、83C196KC和87C196KC；僅對某個成員有效的地方，

　　將特別指出。

　　盡管Intel 公司MCS-96系列單片機(jī)成員眾多，但所有的器件都有著相同的指令集和體系

　　結(jié)構(gòu)。

　　增強(qiáng)型CMOS單片機(jī)80C196KC為片內(nèi)含有16位CPU 和488 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器RAM 的高性能微

　　控制器。80C196KC采用面向寄存器的算術(shù)邏輯單元（RALU），因此不需要專門的累加器，并且

　　大部分的指令都可直接快速地對寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和操作。除此之外，通過寄存器還

　　能直接控制片內(nèi)的許多I/O 設(shè)備，例如全雙工串行接口、帶有采樣/ 保持器（S/H） 和模擬多

　　路開關(guān)（MUX） 的8 通道10位A/D 轉(zhuǎn)換器、3 條脈沖寬度調(diào)制（PWM） 輸出引線（ 可當(dāng)作D/A 轉(zhuǎn)

　　換器使用） 、多至48條的輸入輸出引線和高速I/O 子系統(tǒng)。高速I/O 子系統(tǒng)又含有兩個16位

　　定時器/ 計數(shù)器，有8 級FIFO隊列的4 條高速輸入（HSI） 引線和有8 個可編程單元的6 條高

　　速輸出（HSO） 引線。

　　80C196KC單片機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1-1 所示。

　　圖1-1 80C196KC單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

　　1.1.4 MCS-96系列單片機(jī)的應(yīng)用

　　MCS-96系列單片機(jī)的典型應(yīng)用是閉環(huán)控制和中等速度范圍內(nèi)的數(shù)字信號處理。MCS-96系

　　列產(chǎn)品已被廣泛應(yīng)用于以下幾個領(lǐng)域：

　　1） 工業(yè)方面：直流、交流電動機(jī)控制，工業(yè)機(jī)器人，離散與連續(xù)過程控制，直接數(shù)字

　　控制，智能傳感器，機(jī)電儀一體化控制等。

　　2） 儀器儀表方面：智能儀器，醫(yī)療器械，色譜儀，數(shù)字示波器等。

　　3） 家用電器：高級電子玩具，錄像機(jī)，洗衣機(jī)，空調(diào)器的溫度控制等。

　　4） 通訊方面：調(diào)制解調(diào)器，智能通訊設(shè)備等。

　　5） 導(dǎo)航與控制方面：導(dǎo)彈控制，魚雷制導(dǎo)控制，智能武器裝置，航天導(dǎo)航系統(tǒng)等。

　　6） 數(shù)據(jù)處理方面：智能圖形終端，彩色和黑白復(fù)印機(jī)，硬磁盤控制器，磁帶機(jī)，打印

　　機(jī)等。

　　7） 汽車方面：引擎控制， 防滑剎車， 排氣控制等。

　　1.2 CPU 及時鐘電路

　　1.2.1 CPU 結(jié)構(gòu)

　　圖1-1 中虛線內(nèi)部分為80C196KC的CPU ，由控制器和運(yùn)算器兩大部分構(gòu)成，包含有特殊

　　功能寄存器（SFR） 、寄存器組（Register File） 、256 字節(jié)附加片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器RAM 、程序

　　計數(shù)器（PC）、算術(shù)邏輯單元（ALU） 等功能部件。

　　80C196KC的控制器采用微程序代碼形式。與別的微處理器相比，MCS-96系列微控制器的

　　運(yùn)算器擯棄了通常使用的累加器，取而代之以232 字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器（ 地址范圍0018H ～

　　00FFH）構(gòu)成的寄存器組。這樣就把算術(shù)邏輯單元（ALU） 稱為寄存器算術(shù)邏輯單元（RALU）。

　　80C196KB的CPU 通過特殊功能寄存器（SFR 地址范圍0000H ～0017H）或者通過存儲器控

　　制器與外界交換數(shù)據(jù)。由于RALU不采用專用的累加器， 而是直接對由SFR 和寄存器組構(gòu)成的

　　256 字節(jié)存儲區(qū)間（ 地址范圍0000H ～00FFH）內(nèi)某個單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和處理，因此擁有

　　256 個字節(jié)的“累加器”，首次解決了使用專用累加器造成的“瓶頸”障礙。直接控制I/O

　　接口的SFR 具有累加器的功能，這樣對輸入/ 輸出端口進(jìn)行操作就變得相當(dāng)?shù)娜菀祝⒋蟠?/p>

　　地加快了I/O 處理速度。

　　80C196KC CPU由16位總線連接到中斷控制器、外設(shè)事務(wù)服務(wù)器（PTS） 和存儲器控制器，

　　而由8 位總線從存儲器控制器中的指令預(yù)取隊列傳送指令代碼到CPU 。16位總線也是CPU 和

　　外設(shè)的數(shù)據(jù)交換通道。

　　1.2.2 存儲器控制器

　　除了寄存器組、特殊功能寄存器以及附加數(shù)據(jù)存儲器（ 地址范圍0100H ～01FFH）外，RA

　　LU和別的存儲器或者外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)時必須通過存儲器控制器。

　　存儲器控制器由總線控制器、4 字節(jié)指令預(yù)取隊列和一個從程序計數(shù)器（Slave PC）組成

　　。片內(nèi)ROM/EPROM 和片外存儲器的地址信號、數(shù)據(jù)信號和控制信號均來自總線控制器。送到

　　總線控制器的存儲器讀寫請求有兩個來源：一個是RALU，另一個是指令預(yù)取隊列，后者具有

　　較高的優(yōu)先權(quán)。通常RALU的讀寫請求是讀寫操作數(shù)；而指令預(yù)取隊列總是到從程序計數(shù)器所

　　指存儲單元讀取指令代碼。

　　指令代碼的讀取由從程序計數(shù)器控制，因而節(jié)省了處理器寶貴的時間，這是因為很少需

　　要將下一條指令的地址從CPU 傳送到存儲器控制器。如果由于跳轉(zhuǎn)、中斷、子程序調(diào)用、子

　　程序返回等原因改變了指令的執(zhí)行順序，這時才需要將程序計數(shù)器（PC）的內(nèi)容傳送到從程序

　　計數(shù)器，并刷新指令預(yù)取隊列，繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)程序。

　　指令預(yù)取隊列的設(shè)置加快了程序的執(zhí)行速度，因為該隊列內(nèi)通常含有下一條將要執(zhí)行的

　　指令之代碼。本書附錄2 中列出的指令執(zhí)行時間是指正常情況下，沒有等待，選擇16位寬的

　　數(shù)據(jù)總線時的情況。重裝從程序計數(shù)器和讀取新指令流的第一個字節(jié)需要4 個狀態(tài)周期。這

　　一情況可以從指令發(fā)生和不發(fā)生跳轉(zhuǎn)的時間差別之中看出。

　　指令預(yù)取隊列的存在使我們不能確定一條指令到底什么時候執(zhí)行，因為指令預(yù)取隊列對

　　指令的讀取總是先于指令的具體執(zhí)行。

　　1.2.3 CPU 控制

　　微代碼控制器控制80C196KC的CPU ，允許其對地址范圍0000H ～00FFH 之內(nèi)的存儲空間

　　中的任意的字節(jié)、字、雙字進(jìn)行運(yùn)算和操作。利用2.3 所討論的垂直窗口技術(shù)， 片內(nèi)256 字

　　節(jié)的附加數(shù)據(jù)存儲器RAM 也可當(dāng)作“累加器”來使用。傳送到CPU 的指令來自指令預(yù)取隊列

　　，并暫存在指令寄存器內(nèi)。微代碼控制器對指令進(jìn)行譯碼，并產(chǎn)生相應(yīng)的動作序列，使RALU

　　能實現(xiàn)希望的運(yùn)算和功能。圖1-2 所示是存儲器控制器、RALU、指令寄存器和控制器單元的

　　結(jié)構(gòu)框圖。