1. 80C196單片機概述

　　單片微型計算機（Single-Chip Microcomputer） 簡稱為單片機。它在一塊芯片上集成了

　　微型計算機的各個組成部件：微處理器（MPU） 或中央處理器（CPU） ，存儲器（ 包括隨機存儲

　　器RAM 和只讀存儲器ROM）和各種I/O 接口電路（ 例如并行I/O 接口電路，串行I/O 接口電路

　　，定時器/ 計數器電路，A/D 和D/A 轉換器電路等） 。換句話說， 一塊芯片就是一臺微型計

　　算機。由于一塊芯片上集成了微型計算機的各個功能部件，因此用單片機構成的控制系統結

　　構緊湊、體積小、價格便宜。當用于工業環境時，單片機構成的系統更具有可靠性高、抗干

　　擾能力強的優點。到目前為止，單片機已經被廣泛地應用于智能化產品和工業自動化控制設

　　備上。

　　1.1 MCS-96系列單片機

　　1.1.1 Intel 公司單片機

　　Intel 公司1971年首先推出了微處理器（4004），之后Intel 公司在研制通用微處理器（8

　　080/85、8086/88 ，80186 、80286 、80386 、80486 、P5） 的同時，從1976年開始推出了

　　8048（MCS-48）、8051（MCS-51）、8096（MCS-96）和80960 等4 個單片機系列產品。Intel 公司

　　的單片機主要面向控制領域，因此也稱為微控制器（MicroController） 。Intel 公司的單片

　　機是目前國際和國內的主流單片機，應用最為廣泛，被譽為“標準工業控制器”。

　　Intel 公司的單片機系列中，MCS-48系列是最早推出的低擋8 位機；1980年推出的MCS-

　　51系列單片機屬于高檔8 位機。與MCS-48系列單片機相比，MCS-51系列單片機硬件上增加了

　　串行接口，尋址范圍從4KB 增大到64KB；軟件上增加了減法運算和乘除運算以及布爾運算指

　　令，并且指令的執行速度比MCS-48系列有較大的提高。

　　1984年，Intel 公司研制出16位單片機，即MCS-96系列微控制器。與前兩類單片機相比

　　，MCS-96系列單片機無論是在硬件上還是在軟件上都做了很大的改進。Intel 公司MCS-96系

　　列單片機的發展過程如下：

　　1984年：16位基本型單片機8096-90 系列；

　　1985年：16位改進型單片機8096BH系列，與基本型相比8096BH型單片機的外部數據總線

　　寬度可以是8 位和（ 或者）16 位；

　　1987年：CMOS型單片機80C196系列，其性能是8096-90 和8096BH的兩倍；

　　1988年：外部數據總線寬度為8 位的8098單片機；

　　1989年：增強型CMOS單片機80C196KC系列，增加了外設事務服務器（PTS） ，大大改進了

　　I/O 處理能力；

　　1991年：適于電機控制的單片機80C196MC，用PTS 處理幾乎所有的I/O 操作。

　　1.1.2 MCS-96系列單片機分類

　　MCS-96系列單片機具有很多種類型。按引腳數量可分為48個引腳封裝和68個引腳封裝兩

　　類；按片內有無A/D 轉換器可分為片內有A/D 轉換器和片內無A/D 轉換器兩類；按片內程序

　　存儲器的類型又可分為片內有只讀存儲器ROM 、片內有可擦除的只讀存儲器EPROM 和片內無

　　程序存儲器三類；若按制造工藝及型號分類，有基本（-90） 型、改進（BH）型和CMOS型三類。

　　MCS-96系列單片機的詳細分類如表1-1 所示。

　　表1-1 MCS-96 系列單片機分類

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　　┃片內無程序存儲器┃片內ROM ┃片內EPROM

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　　┃ ┃無A/D ┃ 8094-90 ┃8394-90 ┃8794-90

　　基┃48引腳┣━━━╋━━━━━━━━╋━━━━╋━━━━━━

　　┃ ┃有A/D ┃ 8095-90 ┃8395-90 ┃8795-90

　　本┣━━━╋━━━╋━━━━━━━━╋━━━━╋━━━━━━

　　┃ ┃無A/D ┃ 8096-90 ┃8396-90 ┃8796-90

　　型┃68引腳┣━━━╋━━━━━━━━╋━━━━╋━━━━━━

　　┃ ┃有A/D ┃ 8097-90 ┃8397-90 ┃8797-90

　　━╋━━━╋━━━╋━━━━━━━━╋━━━━╋━━━━━━

　　┃ ┃無A/D ┃ 8094BH ┃8394BH ┃8794BH

　　改┃ ┣━━━╋━━━━━━━━╋━━━━╋━━━━━━

　　┃48引腳┃ ┃ 8095BH ┃8395BH ┃8795BH

　　┃ ┃有A/D ┣━━━━━━━━╋━━━━╋━━━━━━

　　進┃ ┃ ┃ 8098 ┃8398 ┃8798

　　┣━━━╋━━━╋━━━━━━━━╋━━━━╋━━━━━━

　　┃ ┃無A/D ┃ 8096BH ┃8396BH ┃8796BH

　　型┃68引腳┣━━━╋━━━━━━━━╋━━━━╋━━━━━━

　　┃ ┃有A/D ┃ 8097BH ┃8397BH ┃8797BH

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　　┃ 80C196 ┃83C196 ┃87C196

　　CHMOS 型 ┣━━━━━━━━╋━━━━╋━━━━━━

　　┃ 80C196KB ┃83C196KB┃87C196KB

　?。?均有A/D 轉換器 ┣━━━━━━━━╋━━━━╋━━━━━━

　　┃ 80C196KC ┃83C196KC┃87C196KC

　　均為68引腳 ） ┣━━━━━━━━╋━━━━╋━━━━━━

　　┃ 80C196MC ┃83C196MC┃87C196MC

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　　表1-1 中，8098、8398及8798的功能與8095BH、8395BH及8795BH的功能大致相當，比較

　　大的區別是8098的外部數據總線寬度只能是8 位，如果非要將8098的數據總線寬度設置為16

　　位，則有些指令不能正常運行；而8095BH的外部數據總線寬度即可以是8 位，也可以是16位

　　，在兩種總線寬度下，8095BH都能正常工作。

　　1.1.3 MCS-96系列單片機體系結構

　　MCS-96系列單片機包括很多的成員，為使敘述簡單下面用8096表示表1-1 中的基本型（-

　　90型） 單片機，用8096BH表示增強型（BH 型） 單片機，用80C196KB表示80C196KB、83C196KB

　　和87C196KB，用80C196KC表示80C196KC、83C196KC和87C196KC；僅對某個成員有效的地方，

　　將特別指出。

　　盡管Intel 公司MCS-96系列單片機成員眾多，但所有的器件都有著相同的指令集和體系

　　結構。

　　增強型CMOS單片機80C196KC為片內含有16位CPU 和488 字節數據存儲器RAM 的高性能微

　　控制器。80C196KC采用面向寄存器的算術邏輯單元（RALU），因此不需要專門的累加器，并且

　　大部分的指令都可直接快速地對寄存器中的數據進行運算和操作。除此之外，通過寄存器還

　　能直接控制片內的許多I/O 設備，例如全雙工串行接口、帶有采樣/ 保持器（S/H） 和模擬多

　　路開關（MUX） 的8 通道10位A/D 轉換器、3 條脈沖寬度調制（PWM） 輸出引線（ 可當作D/A 轉

　　換器使用） 、多至48條的輸入輸出引線和高速I/O 子系統。高速I/O 子系統又含有兩個16位

　　定時器/ 計數器，有8 級FIFO隊列的4 條高速輸入（HSI） 引線和有8 個可編程單元的6 條高

　　速輸出（HSO） 引線。

　　80C196KC單片機的結構框圖如圖1-1 所示。

　　圖1-1 80C196KC單片機結構框圖

　　1.1.4 MCS-96系列單片機的應用

　　MCS-96系列單片機的典型應用是閉環控制和中等速度范圍內的數字信號處理。MCS-96系

　　列產品已被廣泛應用于以下幾個領域：

　　1） 工業方面：直流、交流電動機控制，工業機器人，離散與連續過程控制，直接數字

　　控制，智能傳感器，機電儀一體化控制等。

　　2） 儀器儀表方面：智能儀器，醫療器械，色譜儀，數字示波器等。

　　3） 家用電器：高級電子玩具，錄像機，洗衣機，空調器的溫度控制等。

　　4） 通訊方面：調制解調器，智能通訊設備等。

　　5） 導航與控制方面：導彈控制，魚雷制導控制，智能武器裝置，航天導航系統等。

　　6） 數據處理方面：智能圖形終端，彩色和黑白復印機，硬磁盤控制器，磁帶機，打印

　　機等。

　　7） 汽車方面：引擎控制， 防滑剎車， 排氣控制等。

　　1.2 CPU 及時鐘電路

　　1.2.1 CPU 結構

　　圖1-1 中虛線內部分為80C196KC的CPU ，由控制器和運算器兩大部分構成，包含有特殊

　　功能寄存器（SFR） 、寄存器組（Register File） 、256 字節附加片內數據存儲器RAM 、程序

　　計數器（PC）、算術邏輯單元（ALU） 等功能部件。

　　80C196KC的控制器采用微程序代碼形式。與別的微處理器相比，MCS-96系列微控制器的

　　運算器擯棄了通常使用的累加器，取而代之以232 字節片內數據存儲器（ 地址范圍0018H ～

　　00FFH）構成的寄存器組。這樣就把算術邏輯單元（ALU） 稱為寄存器算術邏輯單元（RALU）。

　　80C196KB的CPU 通過特殊功能寄存器（SFR 地址范圍0000H ～0017H）或者通過存儲器控

　　制器與外界交換數據。由于RALU不采用專用的累加器， 而是直接對由SFR 和寄存器組構成的

　　256 字節存儲區間（ 地址范圍0000H ～00FFH）內某個單元的數據進行運算和處理，因此擁有

　　256 個字節的“累加器”，首次解決了使用專用累加器造成的“瓶頸”障礙。直接控制I/O

　　接口的SFR 具有累加器的功能，這樣對輸入/ 輸出端口進行操作就變得相當的容易，并大大

　　地加快了I/O 處理速度。

　　80C196KC CPU由16位總線連接到中斷控制器、外設事務服務器（PTS） 和存儲器控制器，

　　而由8 位總線從存儲器控制器中的指令預取隊列傳送指令代碼到CPU 。16位總線也是CPU 和

　　外設的數據交換通道。

　　1.2.2 存儲器控制器

　　除了寄存器組、特殊功能寄存器以及附加數據存儲器（ 地址范圍0100H ～01FFH）外，RA

　　LU和別的存儲器或者外部設備交換數據時必須通過存儲器控制器。

　　存儲器控制器由總線控制器、4 字節指令預取隊列和一個從程序計數器（Slave PC）組成

　　。片內ROM/EPROM 和片外存儲器的地址信號、數據信號和控制信號均來自總線控制器。送到

　　總線控制器的存儲器讀寫請求有兩個來源：一個是RALU，另一個是指令預取隊列，后者具有

　　較高的優先權。通常RALU的讀寫請求是讀寫操作數；而指令預取隊列總是到從程序計數器所

　　指存儲單元讀取指令代碼。

　　指令代碼的讀取由從程序計數器控制，因而節省了處理器寶貴的時間，這是因為很少需

　　要將下一條指令的地址從CPU 傳送到存儲器控制器。如果由于跳轉、中斷、子程序調用、子

　　程序返回等原因改變了指令的執行順序，這時才需要將程序計數器（PC）的內容傳送到從程序

　　計數器，并刷新指令預取隊列，繼續執行后續程序。

　　指令預取隊列的設置加快了程序的執行速度，因為該隊列內通常含有下一條將要執行的

　　指令之代碼。本書附錄2 中列出的指令執行時間是指正常情況下，沒有等待，選擇16位寬的

　　數據總線時的情況。重裝從程序計數器和讀取新指令流的第一個字節需要4 個狀態周期。這

　　一情況可以從指令發生和不發生跳轉的時間差別之中看出。

　　指令預取隊列的存在使我們不能確定一條指令到底什么時候執行，因為指令預取隊列對

　　指令的讀取總是先于指令的具體執行。

　　1.2.3 CPU 控制

　　微代碼控制器控制80C196KC的CPU ，允許其對地址范圍0000H ～00FFH 之內的存儲空間

　　中的任意的字節、字、雙字進行運算和操作。利用2.3 所討論的垂直窗口技術， 片內256 字

　　節的附加數據存儲器RAM 也可當作“累加器”來使用。傳送到CPU 的指令來自指令預取隊列

　　，并暫存在指令寄存器內。微代碼控制器對指令進行譯碼，并產生相應的動作序列，使RALU

　　能實現希望的運算和功能。圖1-2 所示是存儲器控制器、RALU、指令寄存器和控制器單元的

　　結構框圖。