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1、第第8章章 16位单片机简介位单片机简介 主要内容：在MCS-51单片机基础上以8096为例简单介绍了16位单片机MCS-96的基本组成、结构、指令系统，目的在于抛砖引玉，为读者今后学习和应用16位单片机奠定基础。重点是16位单片机的特色（如：高速输入与高速输出、脉冲宽度调制PWM输出、模拟输入等）。难点是16位单片机与8位单片机的比较，在掌握8位单片机基础上较快地掌握16位单片机的应用。8.1 8.1 概述概述 MCS-96系列单片机与MCS-51系列单片机相比较，软、硬件资源远比较丰富，CPU采用寄存器寄存器结构，提高了操作速度和数据吞吐能力；具有更快的运算速度，更多的外围子系统，更高效的
2、指令系统，在89C196KC以后的芯片中，增加了一个外设事务服务器PTS，专门用于处理外设中断事务，大大减少了CPU的软件开销。MCS-96系列单片机的主要特点包括以下几个方面：系列单片机的主要特点包括以下几个方面：（1）16位CPU，具有高速处理能力，没有累加器，采用寄存器寄存器结构，具有232字节的寄存器阵列；（2）具有高效的指令系统，大大提高了编程效率；（3）4/8通道的10位A/D转换器；（4）脉宽调制PWM输出装置；（5）全双工的串行口，并有专门的波特率发生器；（6）高速的I/O系统；（7）5个8位的I/O端口；（8）可编程的8个优先级中断源；（9）16位监视定时器；（10）可动态配
3、置的总线；（11）ROM/EPROM的内容可加密；（12）2个16位的定时器/计数器，4个16位的软件定时器。应应用用范范围围：应用于自动控制系统、测试系统、智能仪器、外设控制器、家用电器等。8.2 MCS-96单片机的内部结构与引脚单片机的内部结构与引脚 8.2.1 8.2.1 CPUCPU结构与引脚结构与引脚 1 1型号与封装形式型号与封装形式 作为系列产品，MCS-96有不同的型号和封装形式。MCS-96系列产品包含2个子系列：8096和8096BH，8096BH兼容8096，但前者在性能上比后者更强，MCS-96系列的各型号产品如下表所示。MCS-96共有DIP，PGA，PLCC，LC
4、C四种不同的封装形式。图（a）、（b）分别给出了DIP、PLCC形式的封装图。（a）MCS-96单片机DIP封装形式 （b）MCS-96单片机PLCC封装形式 2引脚功能引脚功能 68引脚的引脚的MCS-96的各引脚功能分别说明如下：的各引脚功能分别说明如下：VCC：主电源电压（+5V）。VSS：数字地。VPD：RAM备用电源引脚（+5V）。VREF：A/D转换器的基准电源，也是其模拟部分的电源（+5V）。ANGND：A/D转换器的参考模拟地，通常与Vss端同电平。VBB：由片内的反偏置发生器发出的衬底电压。XTAL1：振荡器中反相器的输入和内部时钟发生器的输入。XTAL2：振荡器中反相器的输
5、出。CLKOUT：内部时钟发生器的输出端，其频率为1/3振荡频率。：复位输入端，在此引脚保待2个状态周期以上的低电平信号，将使芯片复位。TEST：输入为低时，可选通工厂测试方式。正常工作时，应把此脚接到Vcc。NMI：非屏蔽中断信号输入。INST：当对外部存储器进行读操作时，此引脚输出为高，表示是取指周期。ALE：地址锁存允许输出。：对外部存储器的读信号输出。：对外部存储器的写信号输出。：外部存储器总线的高字节允许信号输出。READY：加长存储器周期的输出控制信号。HSI.0HSI.3：高速输入单元的输入信号。HSO.0HSO.5：高速输出单元的输出信号。P0.0P0.7：8位高阻抗输入口。可
6、作为8位数字量输入口，也可以作为片内A/D转换器的8个模拟量输入信号线。当对片内EPROM编程时，另有定义。P1.0P1.7：8位准双向I/O口。P2.0P2.7：8位多功能口，其中，6条引脚分别与RXD，TXD，EXTINT，T2CLK，T2RST，PWM功能线复用。P2.6和P2.7为准双向口线，当对片内EPROM编程时，另有定义。P3.0P3.7，P4.0P4.7：均为具有漏极开路输出的8位双向I/O口。这些引脚可用做多路转换的地址/数据总线，它们具有内部上拉功能。当对片内EPROM编程时，另有定义。3 3MCS-96MCS-96系列结钩特点系列结钩特点 MCS-96系列16位单片机内部
7、结构如下图所示。8096 CPU是由寄存器、算术逻辑单元（RALU）、寄存器阵列、指令寄存器、控制单元、地址译码寄存器等部分组成。其最大特点是RALU直接对232字节寄存器阵列及专用寄存器进行各种算术逻辑操作，而没有采用常规的累加器结构，从而加速了数据的处理能力，提高了CPU的吞吐能力。同时，由于可通过专用寄存器来直接控制I/O口，加速了I/O过程。（1）CPU总线 CPU内部的寄存器阵列通过一个控制器和2条总线（8位的A-BUS和16位的D-BUS）与RALU相连。D-BUS只用于RALU与寄存器之间传送数据，而A-BUS用做上述传送过程中的地址总线。当CPU访问片内、外存储器时，A-BUS
8、可作为多路转换的地址/数据总线。（2）RALU 8096的大多数运算是靠RALU完成的。它由一个17位的ALU（其中，1位为符号位）、程序计数器PC、程序状态字寄存器PSW、循环计数器和3个暂存寄存器组成的，其结构如图下所示。RALU中，所有的寄存器都是16位或17位的。高位字寄存器和低位字寄存器都有自己专用的移位逻辑，可进行数据规格化、乘除法等运算中的逻辑移位操作。延时环节用于把16位总线D-BUS上的地址/数据转换成8位总线A-BUS上的信息。常数0，1和2存储在RALU中，以加速某些运算，如取补或加1、减1运算。16位程序状态字PSW高位保留了用户程序所需的信息状态字。PSW的格式如下表
9、所示。1616位程序状态字位程序状态字PSWPSW的各位的定义如下：的各位的定义如下：Z：零标志，操作结果为零时置位。N：符号标志，操作结果为负值时置位，与溢出无关。V：溢出标志，当产生溢出时置位。VT：溢出陷阱标志，当V标志置位时，VT也置位。但VT置1后只能由专门的指令使其清0。C：进位标志，操作结果最高位产生进位时置位。减法操作产生借位时C置位。I：总的中断允许位。ST：黏附位，在右移操作时，一个1进入C，然后又移出时置位。ST与C一起使用，可以在右移操作后控制四舍五入。INT-MASK：中断屏蔽寄存器，控制每一种中断源是被允许还是禁止。（3）CPU寄存器阵列 寄存器阵列实际上是片内的R
10、AM，它包含232字节的RAM单元，这些单元可以按字节、字或双字进行访问，每个单元都可以为RALU所用。（4）时钟信号 MCS-96具有内部振荡器电路和3相时钟发生器，如图所示，一般在XTALl和XTAL2端外接一个612MHz的晶体。振荡器的频率信号被3分频后产生3个内部定时信号，称为A，B，C相，每一相的占空比为33%，每3个满周期为1个状态周期。XTALl与A，B，C相定时信号的关系如图所示。8.2.2 存储器与存储器与I/O端口端口1 1存储器存储器 MCS-96具有一个逻辑上完全统一的存储器空间，寻址范围为64KB。存储器空间分配如右图所示。0000H00FFH为内部RAM（寄存器阵
11、列和专用寄存器），1FFEH和1FFFH分别留给P3和P4口，9个中断向量放在2000H2011H 中，2012H207FH存放厂家的测试编码。所以系统复位时，PC指向2080H。片内的程序存储器配置在2000H3FFFH上。如果用户系统需要配置RAM，建议将其配置在 0100H1FFFH上，使这8KB的RAM 与片内的RAM连在一起，便于使用。内部RAM的分配如下页图所示。00H17H为专用寄存器，26个专用寄存器名及其功能列于下页表中。其中，18H19H用于存放堆栈指针。从18H到FFH是用户使用的内部RAM区，可按字节、字、双字存取。RALU能直接对它们读写。F0HFFH用于掉电时存放需
12、保护的数据，这16个单元可由VPD引脚单独对其供电（+5V，1mA），以保护其内容。RALU与内、外存储器的通信是由存储器控制管理的，其间有A-BUS和一些控制信号相连。因为A-BUS是8位的，为加快取指速度，控制器内有一个辅助程序计数器，存储器控制器中有一个3字节的指令队列，均用以加快指令的执行。2 2外部存储器的扩展外部存储器的扩展 8096扩展2764的电路与8位单片机的连接电路类似。ALE用于锁存地址。8096中可以按字或按字节访问外部存储器。其电路如下图所示。1 1中断系统中断系统 MCS-96的中断系统允许9种中断源，对应的中断向量和优先权如下表所示，其中，用户可以使用的只有8种中
13、断源。但每一种中断源均可对应多种激活方式，如下页图所示。从这个意义上讲，8096有多至20个中断源。8.2.3 中断系统中断系统2 2中断控制中断控制 MCS-96有2个寄存器与中断控制密切相关，它们分别为中断悬挂寄存器和中断屏蔽寄存器，两者的定义是类似的，相应的位对应于同一种中断源，如下图所示。09H为中断悬挂寄存器（INT-PENDING），当CPU检测到上述8种中断源有由低到高跳变时，就把该寄存器的相应位置位，即把此中断悬挂（悬挂是指有中断申请而尚未得到响应的状态）起来。一旦被悬挂的中断得到响应，相应位被清除。中断悬挂寄存器可以用指令写入，故可以靠对该寄存器的某位置1来产生软件中断，也可
14、以靠清除相应位来撤除已悬挂的中断。08H为中断屏蔽寄存器（INT-MASK），用来控制是否允许某个中断源的中断申请。当某位置1时，相应的中断被允许，否则被禁止。对8种中断源总的控制要用EI和DI指令。8个中断源是有优先权的，当有多种中断同时挂起时，CPU先响应优先权最高的一种中断。8.2.4 8.2.4 高速高速I/OI/O部件和定时器部件和定时器/计数器计数器 高速I/O部件是由高速输入单元（HSI）、高速输出单元（HSO），一个定时器（定时器1），一个事件计数器（定时器2）组成。“高速”的含义是这个部件的工作只与内部的定时器有关（由定时器同步），而不用CPU的干预。HSI用来记录事件发生的
15、时间，HSO能按程序设定的时间触发一个事件。定时器也能单独地工作。1 1定时器定时器 定时器的工作一般要和HSI，HSO部件配合协调工作。定定时时器器1 1：是一个16位的计数器，其时钟信号来自内部时钟发生电路，每8个状态周期计数器加1。当计满时，能触发一个中断，对I/O状态寄存器（IOSl）的位5置位。作为系统实时时钟的定时器1，它一直在循环计数，任何时候都可以读它，只有用系统复位操作才能使它停止计数。定定时时器器2：定时器2也是一个16位的计数器，其时钟来自引脚HSIl/T2CLK，实际上是个外部事件计数器。每当引脚上有正和负跳变时，计数器加1。当计满时，也触发一个中断，并对IOS1.4置
16、位。定时器2可以有多种清零方式。2 2高速输入单元高速输入单元HISHIS 高速输入单元HSI是用来记录外部事件发生时刻及转入相应的处理程序的，其结构如右图所示。它包括HSI方式寄存器和HSI状态寄存器（如下页图所示）。720先进先出（FIFO）寄存器阵列、保持寄存器、HSI时间寄存器、HSI事件检测器和定时器1等部分。HSI事件检测器可测出HIS.0HSI.3中任一引脚上发生的变化事件，定时器1记录事件发生的时间，事件的形式可以由方式寄存器设定。定时器1所记录的时间及表示哪一个引脚上发生事件的信息存入FIFO中。HSI也可产生中断。一种是利用IOCl的位7控制，这种中断称为HSI数据有效中断
17、，其中断向量地址为2004H2005H。另一种是在HSI.0引脚上有0到1的跳变时所产生的中断，称为HSI.0中断，其中断向量地址为2008H2009H。在读取HSI的内容时，先读HSI状态寄存器，以获知HSI引脚的目前状态，以及是哪些引脚在记录时刻发生了变化事件。再读HSI的时间寄存器，每读一次时间寄存器，就使FIFO失掉一项数据。因此，若在读状态寄存器之前读取时间寄存器，就会丢失状态寄存器中的信息。HSI.0HSI.3都是多功能引脚，要把它们用做高速输入功能时，需要用IOC0进行控制，下图是IOC0对HSI引脚功能的控制。3 3高速输出部件高速输出部件HSOHSO 高速输出部件用来在预定的
18、时间内触发外部事件并申请中断。由HSO命令寄存器、HSO时间寄存器、HSO保持寄存器、按内容访问的存储器（CAM）阵列、比较器、多路开关、控制逻辑、输出部件和两个定时器组成，如下页图所示。这些事件包括：这些事件包括：启动A/D转换、复位定时器2、设置4个软件定时器标准、接通6根输出线。当这些事件中任一种被触发时，就能产生中断请求。其中的内容为可寻址的存储器阵列CAM，它由8个23位长度的寄存器阵列组成，其中，16位存放触发某一事件的预定时间，7位存放命令。HSO命令寄存器如右图所示，位03（000FH通道）表示这一帧命令是对哪一种事件发出的。4 4软件定时器软件定时器 HSO通过编程可设定4个
19、16位的软件定时器（ST0ST3），当4个定时器中有一个时间到，就自动在IOS1中设置一个标志。如果对命令寄存器的位4置位，就能产生一个软件定时器中断。中断服务程序通过检测IOC1能获知是哪一个定时器时间到了，多个软件定时器同时发生中断将产生多重中断。8.2.5 脉冲宽度调制脉冲宽度调制PWM 大多数控制系统都需要用A/D和D/A两种转换器，但要在同一芯片上同时完成A/D和D/A转换是很困难的。MCS-96用脉冲宽度调制PWM的方法来实现D/A转换的功能。其原理如右图所示。其中主要部件有脉宽控制寄存器、比较器和计数器。通过设定脉宽寄存器的值PWM可以获得256种不同脉宽的波形，如下图所示（图中
20、给出了5种不同占空比的输出波形）。当脉宽寄存器为0时，输出始终为低电平，当脉宽寄存器为255时，输出基本上为高电平。从图8中看出PWM的输出不是理想的直流模拟信号，还要在外电路中加以平滑。但是很多电机和开关电源可以直接使用PWM的输出信号。8.2.6 8.2.6 模拟输入模拟输入 MCS-96系列的部分产品中有一个逐次逼近型的10位A/D转换器，共有8个通道。当采用12MHz晶振时，每次转换时间为42s。A/D转换8个通道的模拟电压输入引脚与P0口的8根口线复用，通过写命令寄存器可以控制通道选择和启动A/D转换，命令寄存器如下图所示。每启动一次A/D转换都必须对命令寄存器进行一次写操作。用HS
21、O触发转换时也不例外。当一次转换正在进行时，又启动了另一次新的转换，会把正在进行的转换撤销掉，A/D转换结果寄存器的内容也会被消除掉。因此在新的转换开始前，应把原转换结果读走。结果寄存器是16位的，读出时应按字节分两次读出。结果寄存器如下图所示。8.2.7 其他部件其他部件1 1串行口串行口 MCS-96有一个全双工的串行口，能同时收发信息。与MCS-51串行口是兼容的，也有4种工作模式（请参考MCS-51串行口），通过对串行口控制寄存器的编程设定其工作模式。MCS-96有一个单独的波特率发生器专供串行口使用，故HSI，HSO和定时器的功能不受影响，这一点有别于MCS-51。2 2输入输入/输
22、出口输出口 MCS-96有5个8位口，有的只作输入，有的只作输出，也有的是输入/输出双向口且有替换功能。5个8位口功能如下：P0P0口：口：仅用作输入，与A/D转换器的模拟输入信号复用引脚。P1P1口：口：准双向8位口。P2P2口：口：多功能双向口。其功能如下表所示。P3P3口口与与P4P4口口：P3口与P4口具有两种功能。当访问外部存储器时，用作系统的地址/数据分时复用总线。若引脚接高电平，则它们是漏极开路的双向输入/输出口。输入/输出口有2个控制寄存器IOC0和IOC1，用来控制I/O口线的功能。IOC0控制定时器2和HSI的4个引脚的功能；IOC1控制其他一些口线的功能。此外，还有2个状
23、态寄存器IOS1和IOS0，用来记录一些口线的当前状态和HSO，HSI的某些状态。3 3监视定时器监视定时器WDTWDT和系统复位和系统复位 监视定时器WDT是一个16位计数器，在启动后，每个状态周期其计数器加1，当计数器溢出时，把引脚电平拉低至少2个状态周期的时间，使系统复位，重新初始化。监视定时器提供了一种使系统能从瞬间故障中自动恢复的能力，如果出观故障，程序不能正常运行，则WDT没有按时清0而产生超时（溢出）时，WDT溢出就会使系统复位，这样就能保证在非正常工作时间不会超过16ms。8.3 8.3 MCS-96MCS-96单片机指令系统简介单片机指令系统简介 MCS-96指令系统的功能是
24、极其丰富的，包括数据传送、算术运算、内外的堆栈操作、转移（无条件转移、条件转移、位测试转移）和调用、循环控制、单寄存器操作、移位、控制和规格化等功能。8.3.1 8.3.1 操作数类型操作数类型 MCS-96指令操作数类型有7种：字节Byte、字Word、短整数Short-Integer：、整数Integer、位bit、双字Double-Word、长整数Long-Integer。与一般单片机不同，在MCS-96指令系统中，所用工作寄存器并不是特定地址的寄存器，是通过用户在编程时把内部RAM中一些单元定义为工作寄存器。指令中的操作数也不是寄存器名，而是广义的符号，它们是：Breg：内部RAM中的
25、一个字节寄存器。有时，为了区分是目的操作数，还是源操作数，可用前缀“D”或“S”来标志。Wreg：内部RAM中的一个字寄存器。也可在前面加“D”或“S”，以识别它是目的操作数，还是源操作数。Baop：可用任一种寻址方式的字节操作数。Waop：可用任一种寻址方式的字操作数。Bitno：操作码中的三位，由这三位选择一个字节中的某一位。Lreg：内部RAM中的一个双字寄存器。Cadd：程序中代码的地址。8.3.2 8.3.2 寻址方式寻址方式 MCS-96指令系统中具有6种基本寻址方式：（1）寄存器直接寻址 直接访问片内256字节的RAM，一条指令中可以有多至3个操作数采用这种寻址方式。如：如：AD
26、D AX,BX,CX;（AX）=（BX）+（CX）MUL AX,BX,;（AX）=（AX）（BX）INCB CL;（CL）=（CL）+1（2）间接寻址 访问整个存储空间，被访问数的地址应放在一个16位的寄存器中，一条指令中只能有一个操作数采用间接寻址，其他操作数必须采用寄存器直接寻址。如：如：ADDB AL,BL,DX;（AL）=（BL）+（DX）POP AX 在这类寻址方式中还包含自动增量间接寻址，但需根据操作数是字节还是字，指令执行后地址寄存器要自动加1或2。如：如：LD BX,1234H LDB AX,BX+;把1234H单元的内容送AX的地位字节，执行后（BX）=1235H（3）立即寻
27、址 操作数直接放在指令中。一条指令中只能有一个立即数，其他操作数必须采用寄存器直接寻址。如：如：PUSH#1234H ADD AX,#340H（4）变址寻址 短变址寻址：有效地址是由基地址加偏移量组成的，基址寄存器为内部RAM中的一个16位寄存器，偏移量为一个带符号的8位数。可访问整个存储空间。如：如：MULB AX,BL，3CX;（AX）=（BL）（CX）+3）LD AX,12 BX ;（AX）（BX）+12）长变址寻址：与短变址类似，只是偏移量是16位数。如：如：AND AX,BX,TABLECX ;（AX）=（BX）（CX）+TABLE）其中：其中：TABLE是一个16位的地址变量。（5
28、）零寄存器寻址方式 硬件把内部RAM的00H和01H单元固定为零，故称为零寄存器。除了在一些计算和比较运算中用来做常数零外，还可用在长变址寻址中，从而可以直接访问整个存储空间。如如：ADD AX,12340;（AX）（寄存器0）+1234）（6）堆栈指针寄存器寻址 堆栈指针也可以当做一般的寄存器用，因此可做短变址寻址中的地址寄存器 如：LD AX,SP;（AX）（SP）（SP+1）8.3.3 8.3.3 MCS-96MCS-96指令系统简介指令系统简介 教材P310表8.3.1中列出了全部指令的助记符、操作数、操作码、寻址方式、执行时间、字节数等。下面通过典型指令进行概述。（1）ADD dwr
29、eg,swreg,waop功能：功能：两个源操作数swrge,waop相加后，存于目的操作数dwreg。目的码格式：目的码格式：010001aa waop wreg dwreg字节：字节：3+BEA执行时间：执行时间：3+CEA其其中中：BEA表示对所选择的寻址方式不同而需要附加的代码字节数。CEA表示对所选择的寻址方式不同而需要附加的状态周期数。（2）ANDB brag,baop功能：功能：两个字节操作数对应位相与，结果存入目的操作数。目的码格式目的码格式：011100aa baop breg字节：字节：2+BEA执行时间：执行时间：4+CEA（3）EXT lreg功功能能：操作数的低位字的
30、符号位扩展到高位字，即当低位字8000H时，0000H送高位字；否则，FFFFH送高位字。目的码格式：目的码格式：00000110 lreg字节：字节：2执行时间：执行时间：4（4）JBC brag,bltno,cadd功功能能：被测试的指定位为0时，把此指令结束处至目标标号的偏移加到PC值上，造成跳转。此偏移量的取值范围为128+127，若被测试位为1，则顺序执行下一条指令。目的码格式：目的码格式：00110bbb brag bltno其中：其中：bbb是指令寄存器内的位号字节：字节：3执行时间：执行时间：不跳转时为5，跳转时为9（5）LDB breg,baop功能：功能：源字节操作数的值存
31、入目的操作数。目的码格式：目的码格式：101100aa baop breg字节：字节：2+BEA执行时间：执行时间：4+CEA（6）SHRAB breg,count或SHRAB breg,breg功功能能：一个字节寄存器的8位右移n次，n由COUUNT或另一字节寄存器的内容确定。当最高位初始为0时，每次右移都以0填入最高位；当最高位初始为1，则把1填入。这样可以保持数的符号。这种移位称为算术右移。目的码格式：目的码格式：00011010 cut/breg breg字节：字节：3执行时间：执行时间：7+移位次数注：注：BEA-对所选择的寻址方式不同而需要附加的代码字节数。CEA-对所选择的寻址方式不同而需要附加的T状态数。作业与练习：8.2 8.38.4 8.68.9