MCS196系列單片機(jī)分類與選型指南

概述

MCS196系列單片機(jī)是Intel公司繼8X9X之后推出的16位嵌入式微控制器。它除了保留8X9X全部功能外，在功能部件和指令支持上又有很大改進(jìn)，性能上也有了顯著提高，使得它適用于更復(fù)雜的實(shí)時(shí)控制場(chǎng)合。MCS196單片機(jī)有多種型號(hào)，不同型號(hào)配置有不同的功能部件，且具有不同存儲(chǔ)器空間和尋址能力，可滿足不同場(chǎng)合的要求。

MCS196系列單片機(jī)都有1個(gè)基于寄存器到寄存器結(jié)構(gòu)的內(nèi)核。這種結(jié)構(gòu)消除了累加器的瓶頸現(xiàn)象，加快了數(shù)據(jù)傳輸。另有多種功能部件，在不同型號(hào)中進(jìn)行不同配置。這些功能部件除包括在8X9X中就有的I/O口、 10位A/D轉(zhuǎn)換器、PWM（脈寬調(diào)制器）、SIO（全雙工串行I/O口）、中斷源、看門狗定時(shí)器、16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、HSI/O（高速輸入/輸出口）等以外，還包括在MCS196中出現(xiàn)的PTS（外圍事務(wù)服務(wù)器）、EPA（事件處理器陣列）、WG（波形發(fā)生器）等。

與其他系列（如MCS51系列、PIC系列等）相比，HSI/O、PTS、EPA、WG是MCS196最具特色的功能部件。

HSI/O（High Speed Inputs and Outputs）：其中HSI用于記錄某一外部事件相對(duì)于時(shí)間基準(zhǔn)（如定時(shí)器1）的發(fā)生時(shí)刻。此功能部件在檢測(cè)到引腳上規(guī)定的跳變事件（包括正跳變、負(fù)跳變、每次正跳變、8個(gè)正跳變）后，將發(fā)生事件的類型與時(shí)刻記錄下來，并產(chǎn)生相關(guān)中斷。此部件適用于信號(hào)的時(shí)間參數(shù)測(cè)量。HSO則用于按程序規(guī)定的時(shí)間去觸發(fā)某一事件（如置位/清零口線、啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換等），要求CPU的開銷極小，速度極高。此部件便于實(shí)時(shí)輸出控制，可用來產(chǎn)生多種信號(hào)波形。

EPA（Event Processor Array）：實(shí)質(zhì)上是捕捉/比較模塊。所謂“捕捉”就是捕獲產(chǎn)生于引腳上的跳變事件（有正跳變、負(fù)跳變、正負(fù)跳變等），記載這些輸入事件相對(duì)于時(shí)基定時(shí)器發(fā)生的時(shí)刻；“比較”則是和預(yù)先規(guī)定好的時(shí)間作比較，預(yù)定時(shí)間一到就去執(zhí)行某種輸出功能（比如輸出置為高、輸出置為低、輸出翻轉(zhuǎn)、啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換、復(fù)位定時(shí)器等等）。可見，EPA和HSI/O的功能類似，但EPA在CPU開銷上要求更少，性能更好一些。表1給出在不同時(shí)鐘頻率下兩者分辨能力的比較。

表 1 HSI/O和EPA分辨能力的比較

PTS （Peripheral Transaction Server）：實(shí)質(zhì)上是中斷服務(wù)機(jī)制的改進(jìn)。對(duì)正常的中斷服務(wù)，CPU都要“親自”去執(zhí)行，而現(xiàn)在的PTS提供了一種類似DMA的操作。當(dāng)中斷發(fā)生后，由微代碼執(zhí)行PTS周期。該周期就像DMA周期那樣插入正常的指令流中，完成中斷服務(wù)，這樣CPU的開銷比一般的中斷響應(yīng)要少得多。

WG（Waveform Generator）：可產(chǎn)生獨(dú)立的、具有相同頻率和工作方式的3對(duì)PWM波形。特別適合控制三相交流感應(yīng)電機(jī)、直流無刷電機(jī)和其他需要多個(gè)PWM輸出的場(chǎng)合。

另外，MCS196單片機(jī)總線控制器還具有可編程的等待狀態(tài)發(fā)生器，可方便地與慢速外設(shè)接口。在運(yùn)行中可動(dòng)態(tài)選擇8位或者16位的總線寬度，并能通過HOLD/HLDA協(xié)議方便地實(shí)現(xiàn)多處理器通信。

目前，MCS196系列主要有3種：① HSI/O系列，這類芯片具有高速輸入、輸出口；② EPA系列，這類芯片內(nèi)部具有事件處理器陣列；③ Motor Control系列，這類芯片適用于電機(jī)控制。要注意上述分類也不是絕對(duì)的，往往在同一個(gè)型號(hào)的部件中，可同時(shí)具有多種功能。

一、 HSI/O系列

本系列主要芯片有8XC196KB、8XC196KC、8XC196KD，產(chǎn)品分類如表2所列。

表 2 HSI/O系列一覽表

注：① 封裝形式N：PLCCS：QFPSB：SQFPU：窄DIP。② 溫度C：0~70℃E：－40~85℃A：－40~125℃。 （以上含義表3和表4同）

8XC196KB 是MCS196系列的第1個(gè)成員，片內(nèi)具有8KB程序空間，232個(gè)字節(jié)的寄存器RAM。它采用高速輸入/輸出口進(jìn)行事件處理。 HSI/O最多有4個(gè)高速輸入口，6個(gè)高速輸出口。2個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器均可用作時(shí)基發(fā)生器。其余的片內(nèi)資源有：1路PWM，1個(gè)全雙工串行通信口， 1個(gè)看門狗定時(shí)器，1個(gè)8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器。48條輸入/輸出口（與部件復(fù)用）。

8XC196KC的性能比8XC196KB要更進(jìn)一步。它的片內(nèi)有16KB的程序空間，488個(gè)字節(jié)的寄存器RAM，最高工作頻率可達(dá) 20MHz。除了具有8XC196KB的全部特點(diǎn)外，還具有如下特點(diǎn)：有3路PWM發(fā)生器；A/D轉(zhuǎn)換器具有8位和10位2種方式；可對(duì)采樣率和轉(zhuǎn)換時(shí)間編程。在片內(nèi)還加入外圍事務(wù)處理服務(wù)器PTS，可大大減輕CPU在中斷處理上的負(fù)擔(dān)。

8XC196KD除具有8XC196KC所具有的全部特點(diǎn)以外，它的片內(nèi)還具有32KB的程序空間，1000個(gè)字節(jié)的寄存器RAM。由于片內(nèi)存儲(chǔ)空間的增大，所以，更適合于使用高級(jí)語言編程。這種芯片的最高頻率也可達(dá)20MHz。

二、 EPA系列

EPA系列芯片主要包括8XC196KR、8XC196KT、8XC196NT、8XC196NP、8XL196NP、80C196NU、 80C196EA、87C196CA、87C196CB等，產(chǎn)品分類如表3所列。

8XC196KR 是MCS196系列中集成度較高、較復(fù)雜的一員。程序空間為16KB，488個(gè)寄存器RAM，256字節(jié)的內(nèi)部RAM，內(nèi)部 RAM既可用來存儲(chǔ)程序，也可用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。它使用EPA部件對(duì)事件進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制。當(dāng)工作于16MHz時(shí)，EPA有250ns的分辨能力，包括10個(gè)捕捉/比較模塊，2個(gè)僅用于比較的模塊。EPA使用時(shí)非常靈活，可用來產(chǎn)生PWM輸出。

8XC196KR片內(nèi)還有1個(gè)從機(jī)口，便于與其他系統(tǒng)總線相連。這種特性可將8XC196KR本身作為一靈活的、可編程的外設(shè)與PC總線相連。

在8XC196KR中有2個(gè)串行口，一個(gè)是標(biāo)準(zhǔn)的串行口SIO；另一個(gè)是同步串行口SSIO，可進(jìn)行全雙工同步通信。2個(gè)串行口的波特率可獨(dú)立編程。片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器繼承于8XC196KC，又增加了可編程的閾值檢測(cè)和偏差校正功能。

8XC196KT是8XC196KR的增強(qiáng)型。程序空間為32KB，有1000個(gè)字節(jié)寄存器RAM和512個(gè)字節(jié)的片內(nèi)RAM。它的總線控制器在支持存取低速存儲(chǔ)器時(shí)具有新的工作模式。

8XC196NP提供了可動(dòng)態(tài)選擇的多路復(fù)用總線。其他特點(diǎn)有：片內(nèi)有片選單元，1MB的尋址能力，3路PWM輸出，5V供電時(shí)最高工作頻率可達(dá)25MHz。

表 3 EPA系列一覽表

E8XL196NP類似于8XC196NP，但可工作于低功耗工作方式（3V時(shí)，13MHz）。

8XC196NT 和8XC196KT類似，但它有1MB外部尋址能力。A/D輸入的4路由擴(kuò)展地址口EPORT（the Extended Address Port）代替。4個(gè)EPORT口既可作標(biāo)準(zhǔn)口，也能作高4位地址線（A16~A19）。工作頻率可達(dá)20MHz。

表 4 Motor Control系列一覽表

E80C196NU可工作于50MHz（5V時(shí)），使得它的性能比NP系列增強(qiáng)1倍。片內(nèi)運(yùn)算器采用32位，使乘除指令執(zhí)行更快。NU系列的引腳和NP系列是兼容的，可方便地對(duì)NP系列進(jìn)行升級(jí)。其他特點(diǎn)為：1MB尋址能力，3路PWM輸出，片內(nèi)選擇單元等。

80C196EA 是MCS196系列中第1片用于電力機(jī)車控制的芯片。與其他型號(hào)相比，其性能有顯著提高，包括：40MHz的工作頻率、2MB的尋址能力、4KB的片內(nèi) RAM、3條片選線的片內(nèi)片選單元、每條片選線可動(dòng)態(tài)分時(shí)實(shí)現(xiàn)地址/數(shù)據(jù)復(fù)用、每條片選線的等待狀態(tài)可編程、17個(gè)高速捕捉/比較模塊、8個(gè)高速比較輸出模塊、4個(gè)靈活的16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、8路PWM輸出、2個(gè)全雙工串行口、1個(gè)全雙工同步串行口、堆棧溢出自動(dòng)檢查、16通道自動(dòng)巡回A/D轉(zhuǎn)換、串行調(diào)試接口等。

在87C196CA和87C196CB中集成了符合CAN2.0規(guī)范的CAN總線控制器82527，使它們更適合于需要實(shí)時(shí)事件控制的場(chǎng)合。例如，可應(yīng)用于防抱死剎車系統(tǒng)、四缸發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中。

三、 Motor Control系列

Motor Control系列主要芯片包括8XC196MC/MH、8XC196MD，產(chǎn)品分類如表4所列。

8XC196MC/MH 芯片內(nèi)部有專門用于三相交流感應(yīng)電機(jī)和直流無刷電機(jī)控制的硬件，也能用于電源逆變器中。MC芯片內(nèi)部有僅供CPU使用的 488個(gè)字節(jié)的寄存器RAM，程序空間16KB；MH芯片內(nèi)部有744個(gè)字節(jié)僅供CPU使用的寄存器RAM，程序空間32KB。當(dāng)時(shí)鐘頻率為16MHz 時(shí)，進(jìn)行一次16bit×16bit運(yùn)算需1.75μs；進(jìn)行一次32bit÷16bit運(yùn)算需3μs。

在MC/MH內(nèi)部有獨(dú)特的功能部件WG。它可以產(chǎn)生三相互補(bǔ)不重疊的PWM脈沖。在采用邊沿觸發(fā)時(shí)，具有125ns的分辨能力；中心觸發(fā)時(shí)，具有 250ns的分辨能力。WG具有多種可編程頻率、占空比和消隱時(shí)間，每路波形輸出的驅(qū)動(dòng)能力很強(qiáng)，輸出極性可以編程，并能強(qiáng)制為高或低電平。此外，還具有保護(hù)功能：當(dāng)發(fā)生某意外事件時(shí)，響應(yīng)該外部事件能立即停止輸出。片內(nèi)3路PWM，都有8位分辨率。既可同時(shí)控制，也可分開獨(dú)立控制。

在MC/MH中也采用EPA部件進(jìn)行事件監(jiān)測(cè)與控制：MC中有4路捕捉/比較模塊和獨(dú)立的4路比較模塊；MH中有2路捕捉/比較模塊和獨(dú)立的4路比較模塊。EPA具有125ns的事件處理分辨能力。

MC中A/D轉(zhuǎn)換有13個(gè)通道；MH中有8個(gè)通道?？晒ぷ髟?位或10位模式，采樣時(shí)間、轉(zhuǎn)換時(shí)間、閾值檢測(cè)方式和偏差校正均可編程。

在MC中具有特殊的PTS方式支持串行輸入、輸出（SIO）功能。MH中2個(gè)UART，均支持同步和異步方式。

MC中有40條I/O口線和部件共用，另有13條輸入線可作為模擬與數(shù)字輸入；MH中有44條I/O口線和部件共用，另有8條輸入線可作為模擬與數(shù)字輸入。

MD除具有MC的全部功能外，還有如下功能：
    ① 1路頻率發(fā)生器產(chǎn)生頻率可編程的方波，適用于紅外遙控通信中；
    ② 在EPA中，再添加2路捕捉/比較模塊和獨(dú)立的2路比較模塊；
    ③增加8條I/O口線，2條僅用于輸入的口線和1路僅用于模擬/數(shù)字輸入的口線。

MD和MC的引腳兼容，便于對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行升級(jí)。MES

參考文獻(xiàn)
1 8XC196MC 8XC196MD 8XC196MH Microcontroller User's Manual?Intel Corporation
2 8XC196EA Microcontroller User's Manual?Intel Corporation
3 8XC196NP 8XC196NU Microcontroller User'sManual?Intel Corporation
4 8XC196Kx 8XC196Jx 87C196CA Microcontroller User's Manual?Intel Corporation
5 孫涵芳主編．Intel 16位單片機(jī)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1995