準(zhǔn)十六位單片機(jī)８０９８及８０Ｃ１９８

陳再清

MCS-96系列單片機(jī)是Intel公司生產(chǎn)的十六位單片機(jī)，該系列約有20多個品種50余個型號。大體上可以歸為兩大類型，即早期生產(chǎn)的8X9X類型和后期生產(chǎn)的8XC19X類型，后者在性能上有所改進(jìn)，但兩者共用一套指令系統(tǒng)，硬件結(jié)構(gòu)也大體相同，換型使用很方便。8098屬于8X9X中的一個型號，而80C198屬于8XC19X中的一個型號，它們都是準(zhǔn)十六位單片機(jī)，是MCS-96系列中的最簡單的同時也是最廉價的產(chǎn)品。

雖則八位單片機(jī)（如MCS-51系列等）應(yīng)用十分廣泛，但也只適應(yīng)于一些比較簡單的控制系統(tǒng)中。對于一些較復(fù)雜的高級的控制系統(tǒng)：如電力控制及保護(hù)系統(tǒng)、快速高精度測量系統(tǒng)、智能化儀器儀表、機(jī)電一體化等等，八位機(jī)就顯得有些力不從心，而十六位單片機(jī)MCS-96系列獲得了廣泛的應(yīng)用。

十六位單片機(jī)有著八位單片機(jī)所不具備的眾多的優(yōu)越性，限于篇幅，下面僅談幾點(diǎn)。

（1）十六位單片機(jī)運(yùn)行速度快，這取決于單片機(jī)內(nèi)部的硬件結(jié)構(gòu)。8X9X芯片采用晶振頻率三分頻后獲得的A、B、C三相波作為時鐘信號，不光運(yùn)行速度快（當(dāng)晶振為12MHz時，每個狀態(tài)周期為0.25μs），而且A、B、C三相時鐘信號根據(jù)需要可自動作為各種操作的同步信號，工作效率很高。8XC19X類芯片運(yùn)行速度更快，它采用二分頻來獲得時鐘信號（當(dāng)晶振頻率為16MHz時，每個狀態(tài)周期為0.125μs）。

（2）由于MCS-96采用十六位運(yùn)算方式，無論是取指還是讀、寫存儲器都可以以“字”為單位進(jìn)行，而八位機(jī)只能以“字節(jié)”方式進(jìn)行，兩者比較，前者的速度明顯的快。十六位單片機(jī)的運(yùn)算精度也高于八位單片機(jī)，MCS-96支持字節(jié)、字、雙字、短整型數(shù)、整型數(shù)、長整型數(shù)、位等，數(shù)據(jù)類型豐富，運(yùn)算過程簡潔。特別是作多位數(shù)的乘、除法時，只須一條指令便可完成，而八位機(jī)得編上一段子程序才能完成，過程復(fù)雜且耽誤時間。

（3）在51系列中，雖則數(shù)據(jù)的傳送可以以直接地址方式進(jìn)行，但某些運(yùn)算（如加、減、乘、除以及邏輯運(yùn)算等），都還離不開累加器A，故瓶頸現(xiàn)象依然存在。而MCS-96的片內(nèi)232個RAM寄存器都可以作為累加器使用，從而徹底地消滅了瓶頸現(xiàn)象，這樣就免去了編程中的一些累贅過程。程序簡練，運(yùn)算過程快。

（4）MCS-96的每一個子序列大都包括三種芯片（以8X9X類芯片為例），即片內(nèi)無程序存儲器的809X芯片，片內(nèi)帶掩模ROM程序存儲器的839X芯片，片內(nèi)有EPROM程序存儲器的879X芯片。其中，879X芯片提供了專用的硬件功能，它本身能支持EPROM編程和校驗，且編程方式靈活，有自動編程方式、從機(jī)編程方式、運(yùn)行編程方式等三種。這樣就省去了價格昂貴的編程器。

此外，8X9X芯片內(nèi)還集成有51系列所沒有的高速輸入器HSI、高速輸出器HSO、8路10位A/D轉(zhuǎn)換器、脈寬調(diào)制輸出PWM、片內(nèi)看門狗等硬件結(jié)構(gòu)。

至于8XC19X芯片的功能較之8X9X芯片又有所改進(jìn)，有關(guān)這方面的內(nèi)容，讀者可參考有關(guān)資料，此處不一一介紹。

準(zhǔn)十六位單片機(jī)8098 MCS-96系列中有全十六位機(jī)與準(zhǔn)十六位機(jī)之分，所謂全十六位機(jī)是指芯片外部的數(shù)據(jù)總線為十六位；而準(zhǔn)十六位機(jī)是指芯片外部的數(shù)據(jù)總線為八位。但不管是全十六位還是準(zhǔn)十六位，芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是十六位。

在早期生產(chǎn)的8X9X類芯片中，準(zhǔn)十六位機(jī)是指其子系列8X98，而其中又以8098芯片應(yīng)用最廣。由前所述，它是片內(nèi)無程序存儲器的一種，不光結(jié)構(gòu)最簡單，同時使用也最簡單，而且價格低廉。它的封裝為48腳的雙列直插（DIP）方式，8098對外的數(shù)據(jù)總線是八位運(yùn)行方式，因而8098是一種準(zhǔn)十六位單片機(jī)。8098對外的總線結(jié)構(gòu)與51系列相同，它的地址總線為十六位，低八位的地址總線與八位的數(shù)據(jù)總線也是通過地址鎖存器74LS373進(jìn)行分時處理，這一點(diǎn)對于熟悉51芯片的人并不陌生，因而由使用51芯片轉(zhuǎn)為使用8098芯片并不困難，而單片機(jī)卻由八位機(jī)變?yōu)榱耸粰C(jī)，上了一個檔次，成為了高檔的單片機(jī)，這也是8098獲得廣泛應(yīng)用的原因所在。90年代初期，比較高級的單片機(jī)系統(tǒng)大多是采用8098芯片，90年代中后期，8098芯片產(chǎn)量減少，原因之一可能是該芯片的功耗較大，工作時溫度較高，在惡劣的環(huán)境（環(huán)境溫度高）下工作有可能不穩(wěn)定。由于當(dāng)時的市場需求量仍然較大，導(dǎo)致該芯片的價格翻了幾倍，由此也可以看出該芯片還是很受使用者青睞的。

圖1主要介紹8098芯片對外的總線工作方式。由于程序存儲器IC2和數(shù)據(jù)存儲器IC3都采用八位數(shù)據(jù)總線，故結(jié)構(gòu)比較簡單，也比較常用。由于十六位單片機(jī)在讀指令時通常是讀一個字而不是字節(jié)，對于片外的八位程序存儲器而言，需連續(xù)自動讀兩次，顯然比片外十六位程序存儲器一次讀入一個字要慢一些。對于片外的八位數(shù)據(jù)存儲器，如欲讀出或?qū)懭胍粋€字，也需連續(xù)兩次才行。這也就是準(zhǔn)十六位機(jī)比全十六位機(jī)運(yùn)行速度要稍慢的原因之一。

圖1中8098的高八位A8～A15只提供片外存儲器的地址而不提供數(shù)據(jù)，低八位AD0～AD7提供地址/數(shù)據(jù)，并通過IC4鎖存地址進(jìn)行分時處理。圖2給出了單片機(jī)對外部存儲器操作的有關(guān)控制信號的時序圖。當(dāng)ALE變正時，低八位地址線AD0～AD7和高八位地址線A8～A15出現(xiàn)在地址/數(shù)據(jù)總線上，ALE變低時，低八位地址被鎖存，而高八位地址在整個狀態(tài)周期中有效。當(dāng)讀（RD）或?qū)懀╓R）信號線變低時，數(shù)據(jù)出現(xiàn)在低八位的地址/數(shù)據(jù)總線上，讀或?qū)懶盘柧€升高時，存儲器的數(shù)據(jù)被讀到單片機(jī)內(nèi)，或單片機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)被寫進(jìn)存儲器中。因片內(nèi)無程序存儲器，指令須從外部讀入，故EA接地。存儲空間的分配是由高位地址線A14、A15 并通過IC5A譯碼器來實現(xiàn)的。各量之間的關(guān)系見表1。

當(dāng)A15為低電平時（不管A14為何種電平），直接選通程序存儲器IC2。當(dāng)A15為高電平、A14為低電平時，Y2為低電平，選通數(shù)據(jù)存儲器IC3（因難找到62128存儲芯片，此處用62256代替）。當(dāng)A14為高電平時，Y3為低電平，選通對外的八位數(shù)據(jù)輸入輸出口IC6（對外的輸出的地址線為A0～A15）。由RD和IC5B通過譯碼來確定IC6的數(shù)據(jù)傳送方向：為低時，Y2低電平，由外部輸入8位數(shù)據(jù)；否則，向外部輸出8位數(shù)據(jù)。圖3給出了片外存儲空間地址分配圖，由圖可知，8098的程序存儲空間和數(shù)據(jù)存儲空間及其它空間都是在同一個地址空間內(nèi)統(tǒng)一分配的，總共為64K X 8位。

與51系列不同，MCS-96單片機(jī)能實現(xiàn)多種總線配置方案，為了滿足存儲器的接口要求和就緒控制，所有可供靈活選擇的信息都集中在一個特殊的稱之為芯片配置寄存器CCR中。該寄存器內(nèi)各位的功能如表2。

CCR的D6、D7位是作為片內(nèi)程序存儲器密鎖之用，對于8098 而言，使用的是片外程序存儲器，D6、D7位都應(yīng)設(shè)置為1。D4、D5通常也可設(shè)置為1。D3、D2也為1。D1為0。故CCR的內(nèi)容為FDH。CCR的內(nèi)容是不可訪問的，它是將有關(guān)內(nèi)容先寫入片外程序存儲器中的2018單元，然后再通過一次復(fù)位操作，便將2018單元的內(nèi)容復(fù)制到CCR中。

與51系列另一個不同之處是單片機(jī)復(fù)位后程序運(yùn)行的起始地址不是0000H而是2080H。

準(zhǔn)十六位單片機(jī)80C198 Intel公司后期生產(chǎn)的8XC19X類芯片采用的是CHNOS結(jié)構(gòu)，耗電很省。類似于8X98，它也有一個簡單而又廉價的成員8XC198子系列。其中也有一款與8098相同的80C198芯片，只是封裝不同，采用的是52腳的PLCC封裝，80C198芯片也具有8098結(jié)構(gòu)簡單使用方便等特點(diǎn)，而且耗電很省，完全可以替代8098芯片。它也可以構(gòu)成圖1的電路，只是引出腳的腳號不同而已，它的CCR寄存器的內(nèi)容也同于8098。它比8098多出了4個腳，其中有一腳為INST，在電路設(shè)計上可以派上新的用場。

熟悉51系列單片機(jī)的讀者都知道，它的取指是由PSEN線進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)存儲器的讀、寫由RD、WR線控制，它的程序存儲區(qū)與數(shù)據(jù)存儲區(qū)是分開的，各占64K X 8位。這是51系列的優(yōu)點(diǎn)之一。

本電路通過取指信號線INST也可以獲得51系列的雙存儲區(qū)。通常，INST腳保持低電平，選通數(shù)據(jù)片IC3（RAM：64K X 8位，也可以采用存儲空間大的芯片，只須將其芯片上大于A15的地址腳接地即可）；取指時，在地址有效期間，INST保持高電平，通過反相器D選通程序器IC2（EPROM： 64K X 8位），因而獲得雙存儲空間。圖4給出了相應(yīng)的電原理圖，圖 5、圖6 分別給出了時序圖和存儲空間分配圖。