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1、2022/12/251 80C5180C51的结构和原理的结构和原理80C51系列系列概述概述1.180C51的的基本结构基本结构与与应用模式应用模式1.280C51典型典型资源配置资源配置与与引脚封装引脚封装1.380C51单片机的单片机的CPU1.480C51的的存储器存储器组织组织1.580C51的的并行口结构并行口结构与与操作操作1.62022/12/2521.1 80C51系列概述系列概述1.1.1 MCS-511.1.1 MCS-51系列系列 8051/8751/80318051/8751/8031 8052/8752/8032 8052/8752/8032 80 80C C51/
2、8751/87C C51/8051/80C C3131 80 80C C52/8752/87C C52/8052/80C C3232等等 MCS-51MCS-51是是IntelIntel公司生产的一个单片机系列公司生产的一个单片机系列名称。这一系列的单片机有多种，如：名称。这一系列的单片机有多种，如：2022/12/253 生产工艺有两种：生产工艺有两种：在在在在产产产产品品品品型型型型号号号号中中中中凡凡凡凡带带带带有有有有字字字字母母母母“C C C C”的的的的即即即即为为为为C C C CHMOSHMOSHMOSHMOS芯芯芯芯片片片片，CHMOSCHMOSCHMOSCHMOS芯芯芯芯
3、片片片片的的的的电电电电平平平平既既既既与与与与TTLTTLTTLTTL电电电电平平平平兼兼兼兼容容容容，又又又又与与与与CMOSCMOSCMOSCMOS电平兼容。如电平兼容。如电平兼容。如电平兼容。如8787C C5151。一是一是HMOSHMOS工艺（高密度短沟道工艺（高密度短沟道MOSMOS工艺）。工艺）。二是二是C CHMOSHMOS工艺（互补金属氧化物的工艺（互补金属氧化物的HMOSHMOS工艺）。工艺）。2022/12/254 80C51典型产品资源配置典型产品资源配置2022/12/255 功能上，有基本型和增强型功能上，有基本型和增强型2 2大类：大类：增强型增强型：8052/
4、8752/80328052/8752/803280C52/87C52/80C3280C52/87C52/80C32基本型基本型：8051/8751/80318051/8751/803180C51/87C51/80C3180C51/87C51/80C312022/12/256 由表可见：由表可见：增强型与基本型的几点不同：增强型与基本型的几点不同：片内片内ROMROM：从：从4K4K增加到增加到8K8K 片内片内RAMRAM：从：从128128增加到增加到256256 定定时时/计计数器：从数器：从2 2个增加到个增加到3 3个个 中断源：从中断源：从5 5个增加到个增加到6 6个。个。2022
5、/12/257无无ROM型，要在片外型，要在片外扩扩展程序存展程序存储储器；器；掩膜掩膜ROM型，程序由芯片生型，程序由芯片生产产厂写入；厂写入；EPROM型，程序通型，程序通过过写入装置写入；写入装置写入；FlashROM型，程序可型，程序可电电写入（常用）。写入（常用）。片内片内ROMROM的配置形式：的配置形式：还有型，具有较高的可靠性还有型，具有较高的可靠性。2022/12/2581.1.2 80C511.1.2 80C51系列系列 各厂商各厂商以以80518051为为基核基核开开发发出的出的CMOSCMOS单单片机片机统统称称为为80C5180C51系列。常用系列。常用产产品有：品有
6、：IntelIntel：80C3180C31、80C5180C51、87C5187C51，80C3280C32、80C5280C52、87C5287C52等；等；ATMELATMEL：89C5189C51、89C5289C52、89C205189C2051等；等；PhilipsPhilips、华华邦邦、DallasDallas、SiemensSiemens等等公公司司的的许许多多产产品品 。2022/12/2591.2 80C51的基本结构与应用模式的基本结构与应用模式1.2.1 80C511.2.1 80C51的基本结构的基本结构80C5180C51单片机主要由以下功能部件组成：单片机主要由
7、以下功能部件组成：（1 1）8 8位微处理器（位微处理器（CPUCPU）；）；（2 2）128B128B数据存储器（数据存储器（RAMRAM），片外可扩展到），片外可扩展到64KB64KB；（3 3）4KB4KB程序存储器（程序存储器（ROM/FLASHROM/FLASH），片外可扩展），片外可扩展到到64KB 64KB（4 4）2121个特殊功能寄存器（个特殊功能寄存器（SFRSFR）（5 5）4 4个个8 8位并行位并行I/OI/O口（口（P0P0口、口、P1P1口、口、P2P2口、口、P3P3口）口）（6 6）1 1个全双工异步串行口（个全双工异步串行口（UARTUART）；）；（7 7
8、）2 2个个1616位定时器位定时器/计数器（计数器（T0T0，T1T1）；）；（8 8）5 5个中断源的中断系统（个中断源的中断系统（X0X0，T0T0，X1X1，T1T1，S S）。）。2022/12/25102022/12/25111.2.2 80C511.2.2 80C51的应用模式的应用模式 带总线扩带总线扩展引脚的展引脚的产产品品扩展总线的应用模式扩展总线的应用模式 不扩展总线的应用模式不扩展总线的应用模式 2022/12/2512 没有总线扩展引脚的产品没有总线扩展引脚的产品 引脚数减少、体引脚数减少、体积积减小。减小。对对于不需于不需进进行并行外行并行外围扩围扩展，装置的体展，
9、装置的体积积要求苛刻且程序量不大的系要求苛刻且程序量不大的系统统极其适合。极其适合。典型典型产产品品,如：如：AT89S2051/AT89S4051AT89S2051/AT89S4051。2022/12/2513QFPQFP封装封装1.3 80C51典型产品资源配置与引脚封装典型产品资源配置与引脚封装2022/12/2514 LCC LCC封装封装2022/12/251580C5180C51的引脚的引脚u电源引脚电源引脚:VccVcc、VssVssu时钟引脚：时钟引脚：XTAL1XTAL1、XTAL2XTAL2u控制引脚：控制引脚：/PSEN/PSEN、/EA/EA、ALEALE、RSTRST
10、uI/OI/O引脚引脚:P0:P0、P1P1、P2P2、P3P32022/12/25171.4 80C51的的CPU2022/12/25181.4.1 CPU1.4.1 CPU的功能的功能单单元元 运算器运算器 累加器累加器ACC ACC 寄存器寄存器B B PSW PSW 控制器控制器 指令寄存器指令寄存器IR IR 译码与控制逻辑译码与控制逻辑 其他寄存器其他寄存器 程序计数器程序计数器PC PC 数据指针数据指针DPTRDPTR 堆栈指针堆栈指针SPSP 工作寄存器工作寄存器R0R0R7R71 1 运算器运算器 v 运运算算器器由由算算术术逻逻辑辑单单元元ALU、累累加加器器ACC、寄寄
11、存存器器B、程程序序状状态态字字寄寄存存器器PSW、BCD码码运运算算调整电路等组成。调整电路等组成。v（1）累加器累加器ACCv ACC是是一一个个8位位的的寄寄存存器器，简简称称为为A，它它通通过过暂暂存存器器与与ALU相相连连。它它是是CPU执执行行指指令令时时使使用用最频繁的寄存器，用来存一个操作数或中间结果。最频繁的寄存器，用来存一个操作数或中间结果。2022/12/2520（2）算术逻辑单元）算术逻辑单元ALU ALU是是由由加加法法器器和和其其它它逻逻辑辑电电路路等等组组成成的的，它它用用于于对对数数据据进进行行算算术术四四则则运运算算和和逻逻辑辑运运算算、移移位位操操作作、位位
12、操操作作等等功功能能。ALU的的两两个个操操作作数数，一一个个由由A通通过过暂暂存存器器2输输入入，另另一一个个由由暂暂存存器器1输输入入，运算结果的状态送运算结果的状态送PSW。（3）寄存器）寄存器B 乘除运算时候存放一个操作数乘除运算时候存放一个操作数 v（4）程序状态字寄存器程序状态字寄存器PSWv PSW是是一一个个8位位的的专专用用寄寄存存器器，用用于于存存程程序序运运行行中中的的各各种种状状态态信信息息。它它可可以以进进行行位位寻寻址址。PSW各各位位的定义如下的定义如下:D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0HCYACF0RS1 RS0OV-PPSWPSW位地址位地址字节
13、地址字节地址D0HD0Hv CY(PSW.7)：进位标志，在进行加或减运算时，进位标志，在进行加或减运算时，如果操作结果最高位有进位或借时，如果操作结果最高位有进位或借时，CY由硬件置由硬件置“1”，否则清，否则清“0”。在进行位操作时。在进行位操作时。vAC(PSW.6)：辅助进位标志（又称半进位），在辅助进位标志（又称半进位），在进行加或减运算时，低四位数向高四位产生的进位或进行加或减运算时，低四位数向高四位产生的进位或借位，将由硬件置借位，将由硬件置“1”，否则为，否则为0。vF0(PSW.5)：用户标志位，由用户置位或复位。用户标志位，由用户置位或复位。它可作为用户自行定义的一个状态标
14、记。它可作为用户自行定义的一个状态标记。vRS1 RS0(PSW.4 PSW.3)：工作寄存器组指针，工作寄存器组指针，用以选择用以选择CPU当前工作的寄存器组。当前工作的寄存器组。2022/12/2522RS1 RS0RS1 RS0与工作寄存器组的对应关系与工作寄存器组的对应关系 OV(PSW.2):溢出标志，当进行算术运算时，如果产溢出标志，当进行算术运算时，如果产生溢出，则由硬件将生溢出，则由硬件将OV位置位置1，否则清，否则清“0”。P(PSW.0):奇奇偶偶标标志志位位，该该位位始始终终跟跟踪踪累累加加器器A内内容容中中“1”的的奇奇偶偶性性。当当累累加加器器A内内容容中中有有奇奇数
15、数个个“1”时时，P置置1；否否则则，P置置“0”。改改变变累累加加器器A中中内内容容的的指指令令均均会会影影响响P标志位。标志位。2022/12/25242 2 控制器控制器 v（1 1）指指令令寄寄存存器器（IRIR，8 8位位）保保存存当当前前正正在在执执行行的一条指令，内容包含操作码和地址码。的一条指令，内容包含操作码和地址码。v（2 2）译译码码与与控控制制逻逻辑辑是是微微处处理理器器的的核核心心部部件件。它它的的任任务务是是完完成成读读指指令令、执执行行指指令令、存存取取操操作作数数运运算算结结果果，向向其其他他部部件件发发出出各各种种微微控控制制信信号号，协协调各部件工作。调各部
16、件工作。263.3.其他寄存器其他寄存器v 堆栈指针堆栈指针SP:SP:指示栈顶在内部指示栈顶在内部RAMRAM中的位置，复位后中的位置，复位后 ，SPSP中的内容为中的内容为07H07H，堆栈从，堆栈从08H08H开始向上生长。开始向上生长。数据指针数据指针DPTR:DPTR:由由DPHDPH和和DPLDPL两个两个8 8位寄存器构成，可对片位寄存器构成，可对片外外64KB64KB范围内的范围内的RAMRAM或或ROMROM进行间接寻址或变址寻址操作。进行间接寻址或变址寻址操作。程序计数器程序计数器PC:16PC:16位计数器，它总是存放着下一个要取指位计数器，它总是存放着下一个要取指令的令
17、的1616位存储单元地址，复位时位存储单元地址，复位时PCPC装入装入0000H0000H。2022/12/2527工作寄存器工作寄存器R0-R7R0-R7：2022/12/25281.4.2 80C511.4.2 80C51的时钟与时序的时钟与时序 时钟产生方式（时序）时钟产生方式（时序）内部时钟方式内部时钟方式 外部时钟方式外部时钟方式 2022/12/2529 80C5180C51的时钟信号的时钟信号1 1 1 1个机器周期个机器周期个机器周期个机器周期：12121212个晶振周期个晶振周期个晶振周期个晶振周期（或（或（或（或6 6 6 6个时钟周期）个时钟周期）个时钟周期）个时钟周期）
18、指令的执行时间称作指令的执行时间称作指令的执行时间称作指令的执行时间称作指令周期指令周期指令周期指令周期 （单、双、四周期）（单、双、四周期）（单、双、四周期）（单、双、四周期）v1、若外接晶振、若外接晶振 fOSC=12MHz时：时：v振荡周期振荡周期1/6MHz1/6s 0.167s vS状态周期状态周期 2(1/6s)=0.334s v机器周期机器周期 12(1/6s)=2sv指令周期指令周期28sv振荡周期振荡周期1/12MHz1/12s0.0833svS状态周期状态周期2(1/12s)=1/6s0.167sv机器周期机器周期12(1/12s)=1sv指令周期指令周期14sv2、若外接
19、晶振、若外接晶振 fOSC=6MHz时：时：时钟参数时钟参数2022/12/2531 80C51 80C51的典型时序的典型时序 单字节指令单字节指令 双字节指令双字节指令 单单周期指令周期指令2022/12/2532 程序存储器中的指令代码及其观察程序存储器中的指令代码及其观察 2022/12/2533双周期指令双周期指令 2 2个机器周期中个机器周期中个机器周期中个机器周期中ALEALE有效有效有效有效4 4次，后次，后次，后次，后3 3次读操作无效。次读操作无效。次读操作无效。次读操作无效。2022/12/2534访问访问外部外部RAM的双周期指令的双周期指令时时序序 第二机器周期无读操
20、作码的操作，而是进行外部数据第二机器周期无读操作码的操作，而是进行外部数据第二机器周期无读操作码的操作，而是进行外部数据第二机器周期无读操作码的操作，而是进行外部数据存储器的寻址和数据选通存储器的寻址和数据选通存储器的寻址和数据选通存储器的寻址和数据选通 。ALEALEALEALE信号会出现非周期现象。信号会出现非周期现象。信号会出现非周期现象。信号会出现非周期现象。2022/12/25351.4.3 80C511.4.3 80C51单片机的复位单片机的复位复位复位可使单片机可使单片机或或系统部件处于确定的系统部件处于确定的初始状态初始状态。复位电路复位电路 上电复位电路上电复位电路 按键与上
21、电复位按键与上电复位 2022/12/2536 单片机复位后的状态单片机复位后的状态 PC PC=00000000H H RAMRAM：随机值随机值（运行中复位不改变（运行中复位不改变RAMRAM内容内容 ）SFRSFR：P0P0P3=P3=FFFFH H SP=SP=0707H H IP IP、IEIE和和PCONPCON：有效位为：有效位为0 0 PSW=PSW=0000H H作作 业：业：vMCS-51MCS-51单片机的时针周期、机器周期、指令周期是什么？单片机的时针周期、机器周期、指令周期是什么？当主频为当主频为12MHZ12MHZ时，一个机器周期为多少微秒？执行一条时，一个机器周期
22、为多少微秒？执行一条最长的指令需要多少秒？最长的指令需要多少秒？v单片机复位以后的状态。单片机复位以后的状态。2022/12/25381.5 80C51的存储器组织的存储器组织80C5180C51存储器可以分成两大类：存储器可以分成两大类：RAMRAM，CPUCPU在运行时能随时进行数据的写入和读出，在运行时能随时进行数据的写入和读出，但在关闭电源时，其所存储的信息将丢失。但在关闭电源时，其所存储的信息将丢失。用来存用来存放暂时性的输入输出数据、运算的放暂时性的输入输出数据、运算的中间结果中间结果或用作或用作堆栈堆栈。ROMROM，写入信息后不易改写的存储器。断电后，写入信息后不易改写的存储器
23、。断电后，其中的信息保留不变。其中的信息保留不变。用来存放用来存放固定的程序或数据固定的程序或数据，如系统监控程序、常数表格等。如系统监控程序、常数表格等。2022/12/25391.5.1 80C511.5.1 80C51单片机的程序存储器配置单片机的程序存储器配置片片内内与片与片外外程序存储器的选择程序存储器的选择 EAEA引脚接高电平引脚接高电平-片内片内2022/12/2540 EAEA引脚接低电平引脚接低电平-片外片外2022/12/2541 程序存储器低端的几个特殊单元程序存储器低端的几个特殊单元 2022/12/2542 程序存储器中的指令代码及其观察程序存储器中的指令代码及其观
24、察 2022/12/25431.5.2 80C511.5.2 80C51单片机数据存储器配置单片机数据存储器配置片片内、内、片片外外数据存储器概况数据存储器概况 片内片内RAMRAM及及SFR SFR 片外片外RAM RAM 445151存存储储器器结结构构总结总结45v（1 1）00H00H7FH(07FH(0127)127)单元组成低单元组成低128128字节的片内字节的片内RAMRAM区，对其访问可采用直接区，对其访问可采用直接寻址或间接寻址的方式寻址或间接寻址的方式 。v（2 2）80H80HFFH(128FFH(128256)256)单元组成高单元组成高128128字节的专用寄存器字
25、节的专用寄存器(SFR)(SFR)区，只能采用区，只能采用直接寻址方式来访问。直接寻址方式来访问。v（3 3）MCS-52MCS-52子系列中的片内子系列中的片内RAMRAM增大了增大了128128字节，其地址范围也是从字节，其地址范围也是从80H80HFFH FFH；为了与为了与SFRSFR区分，对此段的范围只能采用区分，对此段的范围只能采用间接寻址方式来访问。间接寻址方式来访问。2022/12/2546工作寄存器区（含寄存器组工作寄存器区（含寄存器组0 0 3 3）寄存器组寄存器组0 0：地址：地址00H00H07H07H 寄存器组寄存器组1 1：地址：地址08H08H0FH0FH 寄存器
26、组寄存器组2 2：地址：地址10H10H17H17H 寄存器组寄存器组3 3：地址：地址18H18H1FH1FH当前工作寄存器组当前工作寄存器组选择选择 PSWPSW寄存器中：寄存器中：2022/12/2547片内片内RAMRAM详图详图 2022/12/2548位寻址区位寻址区 字节字节地址地址位地址位地址D7D6D5D4D3D2D1D020H07H06H05H04H03H02H01H00H21H0FH0EH0DH0CH0BH0AH09H08H22H17H16H15H14H13H12H11H10H23H1FH1EH1DH1CH1BH1AH19H18H24H27H26H25H24H23H22H
27、21H20H25H2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H26H37H36H35H34H33H32H31H30H27H3FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38H28H47H46H45H44H43H42H41H40H29H4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H2AH57H56H55H54H53H52H51H50H2BH5FH5EH5DH5CH5BH5AH59H58H2CH67H66H65H64H63H62H61H60H2DH6FH6EH6DH6CH6BH6AH69H68H2EH77H76H75H74H73H72H71H70H2FH7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H
28、78H2022/12/2549通用通用RAMRAM区区 30H30H7FH7FH，共，共8080字节字节 数据缓冲数据缓冲 堆栈堆栈 SPSP指示栈顶指示栈顶 复位时复位时SPSP=0707H H 系统初始化通常系统初始化通常重新设置重新设置2022/12/2550RAMRAM内容查看内容查看 2022/12/25511.5.3 80C511.5.3 80C51单片机的特殊功能寄存器（单片机的特殊功能寄存器（SFRSFR）基本型单片机有基本型单片机有2121个个SFRSFR离散地分布在离散地分布在80H80HFFHFFH空间。空间。与运算器相关与运算器相关3 3个个 ACCACC B B PS
29、WPSW与定时与定时/计数器相关计数器相关6 6个个 TH0,TL0TH0,TL0 TH1,TL1TH1,TL1 TMODTMOD TCONTCON指针类指针类3 3个个 SPSP DPH,DPLDPH,DPL与口相关与口相关7 7个个 P0,P1,P2,P3P0,P1,P2,P3 SBUFSBUF SCONSCON PCONPCON与中断相关与中断相关2 2个个 IEIE IPIP2022/12/255280C51的逻辑结构（的逻辑结构（IO）2022/12/25531.6 80C51的并行口结构与操作的并行口结构与操作P0P0口结构口结构 P0P0作通用作通用I/OI/O口口（当（当EA=
30、1EA=1或或“MOVMOV”传送时传送时C=0C=0）输输出出时时1.6.1 P01.6.1 P0、P2P2口的口的结结构构2022/12/2554输输入入时时 读锁存器（读锁存器（“读读-修改修改-写写”类指令，如类指令，如ANL P0,AANL P0,A）读引脚（读引脚（“MOVMOV”类指令，如类指令，如MOV A,P0MOV A,P0）,要先写要先写“1 1”1 10 0P0P0作通用作通用I/OI/O时为：时为：准双向口准双向口！2022/12/2555 P0P0作地址数据总线（作地址数据总线（当当EA=1EA=1或或“MOVXMOVX”类传送时类传送时C=1C=1）输输出出时，时
31、，地地址址/数据数据信息信息分时出现在输分时出现在输出引脚出引脚。输输入入时，先时，先输出地址，然输出地址，然后后自动向锁存自动向锁存器写器写1 1，再读，再读引脚。此时为引脚。此时为真正双向口真正双向口。2022/12/2556P2P2口结构口结构 P2P2作通用作通用I/OI/O口口（未扩片外存储器，或虽扩（未扩片外存储器，或虽扩RAMRAM但采用但采用“MOVX MOVX RiRi”传送时传送时C=0C=0）P2P2作通用作通用I/OI/O时为：时为：准双向口准双向口！P2P2作地作地址总线高址总线高8 8位位（C=1C=1）2022/12/2557P1P1口结构口结构 P1P1仅能为通
32、用的仅能为通用的准双向口准双向口！1.6.2 P11.6.2 P1、P3P3口的口的结结构构2022/12/2558P3P3口结构口结构 第一功能：第一功能：通用通用I/OI/O口（对口寻址时）口（对口寻址时）2022/12/2559 第二功能第二功能（不对口寻址时）（不对口寻址时）P3.0 P3.0：RXDRXD（串行口输入）（串行口输入）P3.1 P3.1：TXDTXD（串行口输出）（串行口输出）P3.2 P3.2：INT0INT0（外部中断（外部中断0 0输入）输入）P3.3 P3.3：INT1INT1（外部中断（外部中断1 1输入）输入）P3.4 P3.4：T0T0（定时器（定时器0
33、0的外部输入）的外部输入）P3.5 P3.5：T1T1（定时器（定时器1 1的外部输入）的外部输入）P3.6 P3.6：WRWR（片外数据存储器（片外数据存储器“写写”选通控制输出）选通控制输出）P3.7 P3.7：RDRD（片外数据存储器（片外数据存储器“读读”选通控制输出）选通控制输出）2022/12/25601.6.3 1.6.3 并行口并行口驱动简单驱动简单外外设设 并行口的负载能力（并行口的负载能力（AT89S52AT89S52)每根口线最大可吸收每根口线最大可吸收10mA10mA的（灌）电流的（灌）电流 P0P0口吸收电流的总和不能超过口吸收电流的总和不能超过26mA26mA P1
34、P1、P2P2和和P3P3每个口吸收电流的总和限制在每个口吸收电流的总和限制在15mA15mA 4 4个口所有口线的吸收电流总和限制在个口所有口线的吸收电流总和限制在71mA71mA 2022/12/2561 驱动简单的输出设备驱动简单的输出设备 驱动驱动LED(LED(发光二极管）发光二极管）LEDLED典型工作点：典型工作点：1.75V1.75V,10mA10mA。单个单个LEDLED驱动特性如下图：驱动特性如下图：2022/12/2562多个多个LEDLED驱动如下图：驱动如下图：并口直接驱动并口直接驱动 经缓冲器驱动经缓冲器驱动 （亮度不理想）（亮度不理想）(245(245：单根线：单
35、根线25mA,25mA,总和总和75mA)75mA)2022/12/2563 驱动驱动LEDLED数码管数码管公共电阻限流公共电阻限流 各路分别限流各路分别限流2022/12/2564dpdpg gf fe ed dc cb ba a0 0000110共阴极共阴极字形字形“1 1”编码示例：编码示例：0606H H2022/12/2565 驱动蜂鸣器驱动蜂鸣器有源有源蜂鸣器：接额定电压就可连续发声蜂鸣器：接额定电压就可连续发声 无源无源蜂鸣器：接入变频方波，可得到不同音调的声音蜂鸣器：接入变频方波，可得到不同音调的声音 两种蜂鸣器驱动电路相同，仅程序不同两种蜂鸣器驱动电路相同，仅程序不同 2022/12/2566 驱动简单的输入设备驱动简单的输入设备 简单开关及输入接口简单开关及输入接口2022/12/2567 开关闭合与断开时的抖动及去抖电路开关闭合与断开时的抖动及去抖电路 按键较少时：去抖电路按键较少时：去抖电路 按键较多时：软件延时按键较多时：软件延时,通常为通常为10ms10ms