一種實(shí)用的微控制器
王新社(西安微電機(jī)研究所)
【摘 要】 單片機(jī)(微控制器)經(jīng)歷了四個(gè)階段的發(fā)展過(guò)程，廣泛用于電機(jī)控制、工業(yè)機(jī)器人、數(shù)字控制、航天導(dǎo)航等領(lǐng)域。文中介紹近年來(lái)出現(xiàn)的8098單片機(jī)的性能，并與其它系列單片機(jī)、微處理器進(jìn)行全面的比較，指出8098單片機(jī)是一種實(shí)用的實(shí)時(shí)控制微控制器。
【敘 詞】 微型控制器，性能，微處理機(jī)，評(píng)價(jià)，’實(shí)時(shí)控制
引言
單片微型計(jì)算機(jī)(Single chipmicrocomputer簡(jiǎn)稱單片機(jī))，又稱微控制器(microcontroller)。它在一塊芯片內(nèi)集成了CPU、RAM、ROM和多功能I／0口，具有體積小、功能多、使用方便和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，特別適合用于自動(dòng)控制、智能儀器等。
單片機(jī)的發(fā)展與微處理器大體同步，已經(jīng)歷了四代。第一代(197l～1974年)，四位單片機(jī)，主要用于家用電器；第二代(1974～1978年)，低檔八位機(jī)，代表產(chǎn)品MCS一48系列，不帶串行I／0口與A／D轉(zhuǎn)換口，尋址范圍較小，一般小于4KB，主要用于工業(yè)控制，儀器儀表、家用電器；第三代(1978~1983年)，高性能八位單片機(jī)，這類單片機(jī)不但有并行I／0功能，還有串行I／0口，多個(gè)16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器與多級(jí)中斷功能，RAM和ROM都比較大，典型代表產(chǎn)品美國(guó)Intel公司MCS一5l系列，應(yīng)用廣泛。第四代(1983~1989年)，16位單片機(jī)，功能最強(qiáng)，典型代表產(chǎn)品Intel公司MCS-96系列，它的產(chǎn)量占16位單片機(jī)的90％。目前發(fā)展很快，到1990年16位單片機(jī)將達(dá)到8位單片機(jī)同樣數(shù)量。Intel公司1984年推出8096單片機(jī)，1987年推出80C196單片機(jī)，其性能是8096單片機(jī)的兩倍，如16x 16位乘法僅為2．3|μs。為了更好的推廣16位單片機(jī)，Intel公司1988年又推出了8位機(jī)的價(jià)格、16位機(jī)性能的8098單片機(jī)，它類似于8088微處理器，內(nèi)部CPU寄存器都為16位，對(duì)外數(shù)據(jù)總線為8位，可以充分利用現(xiàn)有的8位機(jī)外圍芯片資源。
1 8098單片機(jī)性能
8098單片機(jī)屬M(fèi)CS-96系列，其主要特點(diǎn)為
·232字節(jié)片內(nèi)寄存器
·20個(gè)中斷源
·寄存器到寄存器直接操作
·兩個(gè)16位計(jì)數(shù)／計(jì)時(shí)器
·具有采樣保持的4路I／010位A／D通道
·4個(gè)16位軟件定時(shí)
·2×8位和2×4位I／O接口
·16位程序監(jiān)視計(jì)時(shí)器
·一路脈寬調(diào)制輸出(可用作8位D／A轉(zhuǎn)換)
·具有字、字節(jié)、位操作的指令系統(tǒng)
·高速輸入輸出子系統(tǒng)
·全雙I串行口
·6．25ps完成16x 16位乘法操作或32+16位除法操作
1．1 8098芯片封裝
8098芯片為48腳封裝，片內(nèi)無(wú)ROM，48腳封裝的引腳排列如附圖所示，它是一種雙列封裝。
Vcc——+5V主電源
Vss——數(shù)字電路地，有兩個(gè)yss，兩者都必須接地
VPD——RAM備用電壓(5V)，在正常工作期間這個(gè)電壓也必須存在
Vref——A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓(5V)，該電壓同時(shí)向A／D轉(zhuǎn)換器的模擬接口和接口0的邏輯供電，因此該引腳也必須連接好
ANGND——+A／D轉(zhuǎn)換器的參考地，必須與Vss保持相同電位
Vpp——帶EPROM芯片的編程電壓
XTALl一振蕩反向器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端
XTAL2一振蕩反向器的輸出端
RESET——芯片的復(fù)位輸入端
NMI——非屏蔽中斷
EA-存儲(chǔ)器外部訪問(wèn)選擇出入端，EA接高電平則直接訪問(wèn)片內(nèi)ROM，EA接TTL低電平則訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器單元
ALE／ADV一地址鎖存允許或地址有．效輸出，由CCR寄存器選擇
RD——向外部存儲(chǔ)輸出讀信號(hào)，僅在讀外部存儲(chǔ)器間有效
WR——向外部存儲(chǔ)器輸出寫信號(hào)，僅在寫外部存儲(chǔ)器期間有效
READY——就緒輸入端用以延長(zhǎng)外部存儲(chǔ)器周期，降低接口速度，使用在動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)或總線分時(shí)等場(chǎng)合
HSI一高速輸入單元的輸入端。HSI有4個(gè)引腳，HSIO-3，其中HS04和HS05與HSI單元共用
接口O-4位高阻輸入口，它們可用作數(shù)字量輸入或片內(nèi)A／D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入口，接口2—4位多功能口，在8098中這些引腳與其它功能共用接口3和接口4——漏極開路輸出的8位雙向I／O口，這些引腳用作地址／數(shù)據(jù)復(fù)用總線
1．2 CPU的結(jié)構(gòu)
8098的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用相同的地址空間，但是從OOH到FFH的地址除外，在這個(gè)地址范圍內(nèi)數(shù)據(jù)存取總是在寄存器文件中進(jìn)行，而這個(gè)范圍內(nèi)
取指令是直接采自外部存儲(chǔ)器的。
在寄存器文件中，地址從OOH到17H為I／O控制寄存器，也叫做專用寄存器(SFR)，其余的寄存器文件(從18H．到FFH)含有232個(gè)字節(jié)RAM。這232個(gè)寄存器都具有累加器的特殊功能，使CPIJ可對(duì)運(yùn)算前后數(shù)據(jù)進(jìn)行迅速變換，同時(shí)提供高速的數(shù)據(jù)處理能力和頻繁的輸入／輸出訪問(wèn)能力，而不存在象其它CPU那樣使用累加器出現(xiàn)“瓶頸現(xiàn)象”，可作為字節(jié)、字、雙字使用。這部分寄存器空間允許用戶把頻繁使用的變量保持在片內(nèi)RAM中。片內(nèi)RAM的存取速度比外部存儲(chǔ)器快。
在存儲(chǔ)器文件以外，程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和外設(shè)的地址可混編放置。
寄存器l運(yùn)算邏輯單元由17位運(yùn)算邏輯單元，程序狀態(tài)字，程序指針和寄存器組成，是8098一個(gè)重要特點(diǎn)。有一寄存器文件都能進(jìn)行累加器操作，省去了數(shù)據(jù)向累加器移進(jìn)移出的過(guò)程，這個(gè)特點(diǎn)顯著改善了運(yùn)行速度。
有關(guān)8098單片機(jī)高速輸入輸出單元、串行口、PWM輸出口、中斷源、指令系統(tǒng)請(qǐng)參閱參考文獻(xiàn)。
2幾種常見的單片機(jī)微處理器的比較
Intel8086系列微處理器適用于大型計(jì)算機(jī)，中斷源多，直接尋址內(nèi)存大，計(jì)算速度快。主要用于管理科學(xué)、計(jì)算科學(xué)、數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域。而單片機(jī)的推出主要是滿足實(shí)時(shí)性強(qiáng)、計(jì)算速度快、體積小，智能化一類控制系統(tǒng)。Z80微處理器的設(shè)計(jì)主要是滿足一般系統(tǒng)要求，它介于單片機(jī)與16位微處理器之間。在單片機(jī)沒有推廣之前，廣泛使用。單片機(jī)的推出顯然它用于實(shí)時(shí)性系統(tǒng)是不太適合的。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上流行的單片機(jī)有MCS一5l系列的803 l，MCS一96系列的8096、8098，其它類型的單片機(jī)由于性能價(jià)格不理想而較少見。MCS一48系列單片機(jī)已進(jìn)入淘汰期，針對(duì)上述情況僅對(duì)流行的幾種型號(hào)進(jìn)行比較(見附表)，就可知道8098是一種理想的控制器。
在乘除法運(yùn)算方面，8086CP[J進(jìn)行32÷16位無(wú)符號(hào)數(shù)計(jì)算115個(gè)脈沖數(shù)，按5MHz時(shí)鐘計(jì)算需32~so 16x 16位無(wú)符號(hào)乘法144個(gè)時(shí)鐘脈沖需29／μs，目前市場(chǎng)上多數(shù)單片機(jī)采用6MHz時(shí)鐘，8031單片機(jī)一個(gè)機(jī)器周期12個(gè)時(shí)鐘脈沖，執(zhí)行一條邏輯指令需要一個(gè)機(jī)器周期，即2／as時(shí)間。8098、8096每個(gè)狀態(tài)需要3個(gè)時(shí)鐘脈沖執(zhí)行一條邏輯指令需要4個(gè)狀態(tài)，即12個(gè)時(shí)鐘脈沖折合2#s時(shí)間，可是在多數(shù)邏輯指令運(yùn)算方面MCS一5 l與MCS一96系列速度相同。但8098寄存器多，在邏輯運(yùn)算復(fù)雜的前提下，8098比803l速度快。對(duì)于32÷16位計(jì)算，6MHz8098單片機(jī)需12．5／μs時(shí)間，8086需要3lμs，由此看來(lái)它比8096CP[J還要快約3倍，若8098單片機(jī)采用12 MHz晶振則快5～6倍。803 l單片機(jī)****字節(jié)乘、除計(jì)算指令，更是無(wú)法和它相比。再加上它不需要從累加器移人移出準(zhǔn)備操作，在實(shí)際中還會(huì)更快。
8098單片機(jī)有4路10位A／D轉(zhuǎn)換，8096有8路10位A／D轉(zhuǎn)換，在許多應(yīng)用場(chǎng)合4路A／D轉(zhuǎn)換已夠用，而8031無(wú)A／D轉(zhuǎn)換，但在許多過(guò)程如電機(jī)調(diào)速等方面確需要A／D轉(zhuǎn)換，這就給8098提供了市場(chǎng)。
8098有一路PWM信號(hào)(可用作D／A轉(zhuǎn)換)，而803l無(wú)PWM信號(hào)，8098又比803l多兩路16位計(jì)數(shù)器多了3個(gè)中斷矢量。總之，8098性能明顯優(yōu)于803l，問(wèn)題就在于價(jià)格，8098略貴于803l，8096性能基本與8098相同，但價(jià)格太高，推廣應(yīng)用有一定困難。顯然，8098將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用，正如專家們所說(shuō)，它具有16位機(jī)的性能，8位機(jī)的價(jià)格。隨著推廣應(yīng)用，8098單片機(jī)的價(jià)格還會(huì)更加便宜。
3結(jié)論
8098單片機(jī)可取代MCS-5 l系列單片機(jī)，它適用于電機(jī)控制、工業(yè)機(jī)器人、離散與連續(xù)過(guò)程控制、數(shù)字控制、智能傳感器、儀器儀表、消費(fèi)類商品、導(dǎo)彈制導(dǎo)、魚雷制導(dǎo)控制、航天導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域，特別是電機(jī)調(diào)速控制，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。國(guó)外一些公司，已把它用于電機(jī)的速度、位置控制系統(tǒng)，取得了滿意的效果。目前國(guó)內(nèi)不少?gòu)S家提供性能優(yōu)良的8098開發(fā)系統(tǒng)。如啟東電子儀器廠，北京金鐘電子有限公司。英特爾計(jì)算機(jī)技術(shù)公司上海分公司可提供8098芯片。無(wú)疑8098單片機(jī)是一種理想實(shí)用的微型控制器，將會(huì)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。
參考文獻(xiàn)
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2 8098單片機(jī)手冊(cè)．北京金鐘電子有限公司．1989
3江蘇啟東計(jì)算機(jī)廠。MCS一51八位高檔單片機(jī)及其應(yīng)用。1987；54白素懷．十六位微型計(jì)算機(jī)硬件軟件及接口技術(shù)。陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1985
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