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80C51单片机中文资料、基础及应用、发展

2020-6-5 11:08 3667 95

一、80C51单片机的发展

1 、80C51单片机的发展

MCS-51是单片机系列的名称，其中包含有多种芯片型号；而80C51则既是系列名称又是其中一个具体芯片的型号。

早期的80C51系列芯片型号与MCS-51完全对应。它们都有两个子系列，即基本型51子系列和增强型52子系列。

80C51是对MCS-51的改进，具体表现在所使用的半导体集成电路工艺上。MCS-51采用的是HMOS工艺，即高密度短沟道MOS半导体集成工艺，而80C51则采用CHMOS工艺，即互补金属氧化物的HMOS半导体集成工艺。集成工艺的改进，使得80C51具有抗干扰能力强和低功耗等明显优势。

2、 80C51的衍生芯片

（1）功能简化芯片

尽管80C51的软硬件资源配置并不高，但对许多简单应用仍有富余。为实现资源的最优化配置且降低成本，一些功能和结构简化的简化型芯片应运而生。

硬件方面的简化内容涉及片内存储器、定时器、并行口或串行口等。例如，一些单片机应用只需要串行口而不用并行口，因此，就可以把并行I/O内容(口电路和口线引脚)去掉，从而出现了没有并行总线的所谓非总线型芯片。

除简化硬件之外，也有简化指令系统的简化型芯片。例如，Microchip公司生产的RISC(精简指令集计算机)型系列芯片，就减少了指令条数，只保留一些常用的基本指令。

（2）功能增强芯片

为满足复杂控制应用的需要，出现了许多功能增强的8位单片机芯片，所增强的内容包括增加定时器数目，增加中断类型，以及增添其他功能部件等。

例如，Philips公司的80C550和87C550增加了监视定时器WDT和A/D，80C552和87C552增加了I2C、WDT、A/D和脉宽调制器PWM等。此外，功能增强还表现在速度上，例如，SST公司生产的芯片SST89E/V58RD2，其晶振频率可高达40 MHz。

（3）专用型芯片

可把单片机芯片划分为通用型和专用型两类。通用型芯片的软硬件资源相对比较丰富，性能全面而且适应性强，能满足普遍性控制应用的需要。但通用型芯片存在二次开发问题，只有通过用户层面的二次开发，才能构建成一个有针对性的实用控制系统。

然而在单片机的控制应用中，更多的还是专门针对某一种特定产品或特定需要的专用型芯片。这些芯片在设计时已经对系统结构的最简化、软硬件资源利用的最优化、可靠性和成本的最佳化等方面都作了通盘的考虑和论证，所以专用型芯片具有十分明显的性能和价格优势，而且使用起来也十分方便。

二、从8×C552看8位单片机功能的增强

1、 8×C552的硬件结构

8×C552芯片的硬件结构是在80C51内核的基础上再增加一些功能部件构成的，现以83C552芯片为例进行说明，硬件结构框图如下图所示。

（1）8×C552的基本组成

在83C552芯片的硬件资源中，中央处理器CPU、256个寄存器(RAM)单元、8 KB掩膜ROM、两个16位的定时器/计数器（T0和T1）、全双工异步串行口UART以及外部可扩展64 KB存储空间等，都与80C51系列的83C51芯片一样。

新的功能部件包括：附加定时器T2，捕捉输入/定时输出逻辑，A/D转换器，两路8位分频的脉宽调制器PWM，监视定时器WDT，15个中断源的中断结构，以及I2C总线接口电路等。

此外，83C552还增加了两个8位并行口P4和P5，并行口总数达到6个。

（2）8×C552的专用寄存器

80C51只有21个专用寄存器SFR，而到了8×C552，随着功能的增强，寄存器的数目也增加了许多，达到56个，

（3）8×C552的A/D转换器

出于控制应用的需要，8×C552芯片内置有A/D转换器，它由8路模拟输入多路开关、10位线性逐次逼近A/D转换器等构成。模拟电压的波动范围是0～+5 V，一次转换需50个机器周期，当振荡频率为12 MHz时，转换时间为50 μs。

在使用A/D转换器时，要采用稳定度高的电源作参考电源。

供A/D转换使用的寄存器有转换结果高位寄存器ADCH和转换控制寄存器ADCON。8×C552为10位A/D转换，转换结果的高8位在ADCH中，低2位在ADCON中。

（4）8×C552的中断结构

8×C552的中断源增加到15个，各中断名称、符号及向量略。中断系统结构如下图。

由于中断源增多，所以中断允许寄存器和中断优先级控制寄存器都增加到两个。对于中断允许寄存器，把80C51原有的改称为IE0，而把新增加的称为IE1。对于中断优先级控制寄存器，把80C51原有的改称为IP0，而把新增加的称为IP1。

硬件查询顺序为：外部中断0(X0)→定时器0中断(T0)→外部中断1(X1)→定时器1中断(T1)→串行中断(S0)→I2C中断(S1)→捕捉0中断(CT0)→捕捉1中断(CT1)→捕捉2中断(CT2)→捕捉3中断(CT3)→A/D中断(AD)→比较0中断(CM0))→比较1中断(CM1)→比较2中断(CM2)→定时器2中断(T2)。

2 、事件捕捉与事件定时输出

（1）事件捕捉与事件定时输出逻辑

8×C552的事件捕捉与事件定时输出逻辑由一个16位定时器T2、4个16位捕捉寄存器和3个16位比较寄存器组成，并有相应的输入和输出引脚配合。其逻辑结构如下图所示。

其中，定时器T2是一个16位的加法计数器，由高字节寄存器TMH2和低字节寄存器TML2组成。另外，加在定时器之前有一个预分频器。定时器T2有8位溢出中断和16位溢出中断。

8×C552事件捕捉与事件定时输出逻辑结构

（2）事件捕捉

在事件捕捉逻辑电路中共有4个只读的16位捕捉寄存器，分别为CT3(CTH3CTL3）、CT2(CTH2CTL2）、CT1(CTH1CTL1）和CT0(CTH0CTL0）。4个捕捉寄存器可以捕捉4个事件，因此，芯片上有4个事件输入引脚CT3I、CT2I、CT1I和CT0I。捕捉逻辑电路中还有一个捕捉控制寄存器CTCON，用于规定被捕捉事件的信号形式等。8×C552能捕捉的事件形式比较简单，只有电平的上升跳变和下降跳变。

事件捕捉逻辑随时对外部事件信号进行检测。事件捕捉功能常用于测量脉冲信号，包括脉冲的高低电平持续时间，正负跳变发生次数，从而可计算出脉冲的频率、周期和占空比以及脉冲个数等。

（3）事件定时输出

所谓事件定时输出就是按在程序中预先设定的时刻去触发外部事件。8×C552定时输出逻辑主要由1个时间比较电路和3个16位的比较寄存器CM2(CMH2CML2）、CM1(CMH1CML1）和CM0(CMH0CML0）组成，表明8×C552一次最多可设置3个事件。输出事件的状态由一组电信号组成，信号形式有置位、复位和脉冲触发。

事件定时输出有广泛的应用，例如：

① 产生脉冲。通过定时控制引脚电平的变化，就能得到一个脉冲序列，而且脉宽和周期都是可控的。

② 驱动步进电机。步进电机是控制系统中最常用的执行部件，通过对各相线圈电流的顺序切换就可以使其步进旋转，而线圈电流的切换可由定时输出实现，用单片机的事件定时输出功能控制其电流的通断即可。

3 、监视定时器WDT

（1）程序运行的监视

对单片机应用系统来说，可靠性是至关重要的。这是因为单片机应用的现场环境通常比较恶劣，极易因受到干扰而出现故障；而一旦出现故障，就有可能导致系统失控，甚至造成极其严重的后果。

为了提高系统的可靠性，除采取足够的硬件措施外，还应对程序运行进行监视，因为系统可靠与否最终体现在程序运行上。最常见的程序运行故障是“跑飞”和死循环，对于这些程序运行故障，在及时发现的同时，还要能够自动恢复，以实现系统自救。常用的方法：插入陷阱程序和设置“看门狗”。

1）插入陷阱程序

设置陷阱是一种纯软件的方法。程序跑飞就意味着程序执行顺序不正确，为此可在各程序模块间或程序后，插入陷阱程序段。陷阱程序段通常由几条空操作指令和无条件转移指令组成，一旦程序跑飞，就会“落入”陷阱，通过执行陷阱程序使其转入初始化程序或恢复处理程序，以恢复程序的正常运行。

2）设置“看门狗”

所谓“看门狗”（Watch Dog）只是一种监视程序运行的形象化比喻。这是一种软硬件结合的监视方法，把其中用来感知程序失控的硬件电路比作“狗”。在程序执行过程中，通过指令不断地给该电路发送脉冲信号(喂狗），以使其维持在一个固定的状态(狗处于安静状态）。当程序失控时，不能在规定时刻“喂狗”，硬件电路的预定状态也就不能维持(狗叫)了。

可以用单稳触发器或时基电路构成的单稳电路等作为“狗”，还可以用定时器作为“狗”电路。在程序中每隔一个固定时间对其进行一次赋初值操作，以维持其不溢出状态。

（2） 8×C552的监视定时器

8×C552的监视定时器由8位定时器T3和11位预分频器组成，其中预分频器为计数结构的低位，定时器为其高位。监视定时器的计数脉冲来自芯片内部时钟，每个机器周期进行一次加1计数。

监视定时器计数溢出时，能产生有效的复位信号，从而使单片机系统复位，这就是监视定时器的功能。

程序应在小于监视周期的时间间隔内，对监视定时器进行一次赋值，以使其不发生溢出。当出现故障程序不能正常运行时，监视定时器就会因不能按时赋值而出现溢出，并将系统复位。

4、脉宽调制器PWM

（1）8×C552脉宽调制器的构成

8×C552具有两路脉宽调制输出，由预分频器(PWMP)、8位加法计数器、两个脉冲宽度寄存器(PWM1、PWM0)、两个比较器及相关逻辑电路等组成，其结构框图如下图所示。

脉宽调制器输出的方波脉冲宽度间隔(占空比)是可编程的，其数据通过程序写入PWM1和PWM0中。而重复频率由预分频器PWMP确定。

（2）PWM方波分析

1）周期可调

脉宽调制器输出的方波脉冲周期(或频率)由预分频器PWMP控制。PWM计数器每一个状态周期进行一次加1，8位计数器最大计数值为255，故脉宽调制器输出的方波脉冲频率f_PWM的计算公式为：

f_PWM ＝f_osc/2×(PWMP+1)×255

按此公式，只要知道时钟频率和预分频器的值，便可计算出以微秒为单位的PWM方波周期。

2）宽度可控

PWM方波脉冲的宽度由脉冲宽度寄存器(PWM1和PWM0)确定。而PWM是通过计数和比较来产生方波的，所以只要改变脉冲宽度寄存器的内容，方波宽度就会随之改变。

3）占空比可调

方波宽度在整个方波周期中所占的百分比称为占空比。因为PWM方波的宽度是可控的，所以它的占空比也是可调的，

（3）PWM应用概述

PWM的最基本应用是产生方波，而绝大多数PWM应用都是建立在对PWM方波进行滤波的基础上。例如，把PWM波经过简单处理就可以得到连续变化的模拟信号，实现D/A转换功能，其电路如下图所示。

三、闪速存储器及其在单片机中的应用

闪速存储器全称为快闪可编程/擦除只读存储器，简称闪速存储器或FlashROM，也可简写为FPEROM(Flash Programmable andErasable Read Only Memory），20世纪80年代后期由Intel公司研制成功。

1、闪速存储器概述

闪速存储器具有可写性和非易失性，所以常用做只读存储器。

闪速存储器除具有高密度、低功耗、非易失、高可靠性、长保存时间和超强的加密功能等特点外，它的优势更表现在在线编程功能上。

Flash ROM与E2PROM都使用电信号进行编程和擦除，并可重复进行。

2、闪速存储芯片

（1）芯片封装及信号引脚

闪速存储芯片的存储容量可达2～16KB，近期更有16～64 MB的芯片出现。这里介绍一个比较典型的闪速存储芯片28F010。闪速存储芯片28F010的存储容量为128 KB，引脚排列如图所示。

各引脚功能如下：

A16～A0：地址引脚。在写周期中，其内容被内部地址锁存器锁存。
DQ7～DQ0：数据引脚。当芯片未选中时，引脚为高阻抗状态。
/CE：片选信号，低电平有效。当CE＝0时，芯片被选中，将激活芯片内的控制逻辑和相关电路。当CE＝1时，芯片不被选中，功耗将降低到预备状态。
/OE：输出选通控制信号，低电平有效。在读周期中，当OE＝0时，输出缓冲器被选通，读出的数据通过缓冲器输出。
/WE：写信号，低电平有效。用于控制对命令寄存器和存储阵列的写入操作，在WE脉冲的下降沿，地址被锁存；在其上升沿时，数据被锁存。
VPP：擦除/编程电压。
VCC：主电源，+5 V。
VSS：地线。
NC：空引脚。

（2）硬件结构

28F010的核心是一个1048576位的存储阵列，以及相应的译码和选通电路。其他部分则是在线擦除和编程的辅助电路。28F010的内部硬件结构如下图所示。

28F010芯片结构框图

在线擦除与编程主要是通过编程引脚V_PP和命令寄存器实现的。当V_PP不加编程电压(通常是接地)时，命令寄存器内容为缺省值(即数据读出命令)，存储芯片为只读方式。此时对闪速存储器只能进行读操作而不能进行写操作。若要进行在线擦除和编程操作，则需把V_PP引脚接上编程高电压(+12 V)。这时，除可以对闪速存储器进行正常的数据读操作外，还可进行擦除与编程操作，包括存储阵列的擦除和编程以及读出编程验证数据等。但对每项操作，还需要向命令寄存器写入相应的命令。

3 、闪存单片机芯片

闪存单片机芯片是指内部程序存储器为闪速存储器的单片机芯片，在80C51系列中比较典型的闪存单片机芯片是89C51。

（1）闪存单片机概述

在单片机的闪存化发展过程中，Atmel公司的工作比较突出。该公司生产的89C51，命名时把AT加在前面，称为AT89C51。现在该公司的闪存单片机已经系列化，即AT89系列。

（2）闪存单片机芯片AT89C51

AT89C51内含4 KB的闪速存储器，虽然性能有很大提高，但它的指令系统和引脚与80C51完全兼容。AT89C51芯片的引脚如右图。

其内部结构如下图所示。

28F010芯片结构框图

AT89C51的主要性能指标和硬件资源都与80C51系列相同或类似。现将其主要性能说明如下：

片内有4 KB闪速存储器。
128 B的内部RAM单元。
两个16位定时器/计数器。
中断系统仍为5个中断源，二级优先结构。
4个8位I/O口，即32位可编程口线。
可编程全双工串行口。
宽范围的工作电压，VCC的允许变化范围为2.7～6.0 V。
可设置为待机状态和掉电状态。
振荡器及时钟电路，全静态工作方式，时钟频率可为0 Hz～24 MHz。具有全静态工作方式，表明它不一定要求连续的时钟定时，在等待内部事件期间，时钟频率可降至0。