一種實用的微控制器
王新社(西安微電機研究所)
【摘 要】 單片機(微控制器)經(jīng)歷了四個階段的發(fā)展過程，廣泛用于電機控制、工業(yè)機器人、數(shù)字控制、航天導(dǎo)航等領(lǐng)域。文中介紹近年來出現(xiàn)的8098單片機的性能，并與其它系列單片機、微處理器進行全面的比較，指出8098單片機是一種實用的實時控制微控制器。
【敘 詞】 微型控制器，性能，微處理機，評價，’實時控制
引言
單片微型計算機(Single chipmicrocomputer簡稱單片機)，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等優(yōu)點，特別適合用于自動控制、智能儀器等。
單片機的發(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，主要用于家用電器；第二代(1974～1978年)，低檔八位機，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，這類單片機不但有并行I／0功能，還有串行I／0口，多個16位定時器／計數(shù)器與多級中斷功能，RAM和ROM都比較大，典型代表產(chǎn)品美國Intel公司MCS一5l系列，應(yīng)用廣泛。第四代(1983~1989年)，16位單片機，功能最強，典型代表產(chǎn)品Intel公司MCS-96系列，它的產(chǎn)量占16位單片機的90％。目前發(fā)展很快，到1990年16位單片機將達到8位單片機同樣數(shù)量。Intel公司1984年推出8096單片機，1987年推出80C196單片機，其性能是8096單片機的兩倍，如16x 16位乘法僅為2．3|μs。為了更好的推廣16位單片機，Intel公司1988年又推出了8位機的價格、16位機性能的8098單片機，它類似于8088微處理器，內(nèi)部CPU寄存器都為16位，對外數(shù)據(jù)總線為8位，可以充分利用現(xiàn)有的8位機外圍芯片資源。
1 8098單片機性能
8098單片機屬MCS-96系列，其主要特點為
·232字節(jié)片內(nèi)寄存器
·20個中斷源
·寄存器到寄存器直接操作
·兩個16位計數(shù)／計時器
·具有采樣保持的4路I／010位A／D通道
·4個16位軟件定時
·2×8位和2×4位I／O接口
·16位程序監(jiān)視計時器
·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yss，兩者都必須接地
VPD——RAM備用電壓(5V)，在正常工作期間這個電壓也必須存在
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-存儲器外部訪問選擇出入端，EA接高電平則直接訪問片內(nèi)ROM，EA接TTL低電平則訪問片外存儲器單元
ALE／ADV一地址鎖存允許或地址有．效輸出，由CCR寄存器選擇
RD——向外部存儲輸出讀信號，僅在讀外部存儲器間有效
WR——向外部存儲器輸出寫信號，僅在寫外部存儲器期間有效
READY——就緒輸入端用以延長外部存儲器周期，降低接口速度，使用在動態(tài)存儲或總線分時等場合
HSI一高速輸入單元的輸入端。HSI有4個引腳，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的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器使用相同的地址空間，但是從OOH到FFH的地址除外，在這個地址范圍內(nèi)數(shù)據(jù)存取總是在寄存器文件中進行，而這個范圍內(nèi)
取指令是直接采自外部存儲器的。
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個字節(jié)RAM。這232個寄存器都具有累加器的特殊功能，使CPIJ可對運算前后數(shù)據(jù)進行迅速變換，同時提供高速的數(shù)據(jù)處理能力和頻繁的輸入／輸出訪問能力，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器快。
在存儲器文件以外，程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器和外設(shè)的地址可混編放置。
寄存器l運算邏輯單元由17位運算邏輯單元，程序狀態(tài)字，程序指針和寄存器組成，是8098一個重要特點。有一寄存器文件都能進行累加器操作，省去了數(shù)據(jù)向累加器移進移出的過程，這個特點顯著改善了運行速度。
有關(guān)8098單片機高速輸入輸出單元、串行口、PWM輸出口、中斷源、指令系統(tǒng)請參閱參考文獻。
2幾種常見的單片機微處理器的比較
Intel8086系列微處理器適用于大型計算機，中斷源多，直接尋址內(nèi)存大，計算速度快。主要用于管理科學(xué)、計算科學(xué)、數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域。而單片機的推出主要是滿足實時性強、計算速度快、體積小，智能化一類控制系統(tǒng)。Z80微處理器的設(shè)計主要是滿足一般系統(tǒng)要求，它介于單片機與16位微處理器之間。在單片機沒有推廣之前，廣泛使用。單片機的推出顯然它用于實時性系統(tǒng)是不太適合的。目前國內(nèi)市場上流行的單片機有MCS一5l系列的803 l，MCS一96系列的8096、8098，其它類型的單片機由于性能價格不理想而較少見。MCS一48系列單片機已進入淘汰期，針對上述情況僅對流行的幾種型號進行比較(見附表)，就可知道8098是一種理想的控制器。
在乘除法運算方面，8086CP[J進行32÷16位無符號數(shù)計算115個脈沖數(shù)，按5MHz時鐘計算需32~so 16x 16位無符號乘法144個時鐘脈沖需29／μs，目前市場上多數(shù)單片機采用6MHz時鐘，8031單片機一個機器周期12個時鐘脈沖，執(zhí)行一條邏輯指令需要一個機器周期，即2／as時間。8098、8096每個狀態(tài)需要3個時鐘脈沖執(zhí)行一條邏輯指令需要4個狀態(tài)，即12個時鐘脈沖折合2#s時間，可是在多數(shù)邏輯指令運算方面MCS一5 l與MCS一96系列速度相同。但8098寄存器多，在邏輯運算復(fù)雜的前提下，8098比803l速度快。對于32÷16位計算，6MHz8098單片機需12．5／μs時間，8086需要3lμs，由此看來它比8096CP[J還要快約3倍，若8098單片機采用12 MHz晶振則快5～6倍。803 l單片機****字節(jié)乘、除計算指令，更是無法和它相比。再加上它不需要從累加器移人移出準備操作，在實際中還會更快。
8098單片機有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)用場合4路A／D轉(zhuǎn)換已夠用，而8031無A／D轉(zhuǎn)換，但在許多過程如電機調(diào)速等方面確需要A／D轉(zhuǎn)換，這就給8098提供了市場。
8098有一路PWM信號(可用作D／A轉(zhuǎn)換)，而803l無PWM信號，8098又比803l多兩路16位計數(shù)器多了3個中斷矢量�？傊�，8098性能明顯優(yōu)于803l，問題就在于價格，8098略貴于803l，8096性能基本與8098相同，但價格太高，推廣應(yīng)用有一定困難。顯然，8098將會得到廣泛的應(yīng)用，正如專家們所說，它具有16位機的性能，8位機的價格。隨著推廣應(yīng)用，8098單片機的價格還會更加便宜。
3結(jié)論
8098單片機可取代MCS-5 l系列單片機，它適用于電機控制、工業(yè)機器人、離散與連續(xù)過程控制、數(shù)字控制、智能傳感器、儀器儀表、消費類商品、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，特別是電機調(diào)速控制，實時性強。國外一些公司，已把它用于電機的速度、位置控制系統(tǒng)，取得了滿意的效果。目前國內(nèi)不少廠家提供性能優(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。英特爾計算機技術(shù)公司上海分公司可提供8098芯片。無疑8098單片機是一種理想實用的微型控制器，將會廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。
參考文獻
1、復(fù)旦大學(xué)計算機科學(xué)系微型機開發(fā)應(yīng)用研究室編，十六位單片機8096的原理和設(shè)計．科學(xué)技術(shù)出版社重慶分社。1988；12
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3江蘇啟東計算機廠。MCS一51八位高檔單片機及其應(yīng)用。1987；54白素懷．十六位微型計算機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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