《單片機原理與應(yīng)用（第3版）》第5章 80C51內(nèi)核衍生型單片機芯片及應(yīng)用

單片機原理與應(yīng)用2024/1/15第5章MCS-51內(nèi)核衍生型單片機芯片及應(yīng)用

增強型MCS-51作內(nèi)核的衍生型嵌入式單片機芯片品種很多：

8XC51RX（如P89C51RX、P89V51RD2、SST89E（V）XXRD2、AT89C51RD2及AT89C51ED2）、LPC系列（如P87LPC76X系列、P89LPC900系列、AT89LPC21X系列、W79E8XX系列、STC12C54XX系列），以及Infeon的XC866與XC886芯片

5.1P89C51RX系列單片機概述

P89C51RX系列MCU以增強型80C51作內(nèi)核，硬件資源、指令系統(tǒng)、引腳排列與相同封裝形式的增強型MCS-51芯片保持100%兼容。與增強型MCS-51相比，P89C51RX系列的最大特點是擴展了片內(nèi)存儲器種類與容量，在P89C51RX系列芯片中程序存儲器容量最大可達64KB，片內(nèi)RAM存儲器容量為512～2048字節(jié)，并集成了可編程計數(shù)器陣列PCA（完全兼容Intel8XC51FX系列內(nèi)嵌的可編程計數(shù)器陣列）、硬件看門狗計數(shù)器WDT。可見，P89C51RX系列硬件資源豐富，一片P89C51RX芯片即可構(gòu)成一個功能相對完善的單片機應(yīng)用系統(tǒng)。2024/1/15單片機原理與應(yīng)用

1．Philips公司第一代P89C51RXXH系列芯片

①采用增強型80C51內(nèi)核，硬件資源、封裝形式及引腳排列、指令系統(tǒng)與增強型MCS-51芯片保持100%兼容，即P89C51RX系列完全可以替換具有相同封裝形式的8XC5X、8XC5XX2系列芯片。②擴充了片內(nèi)RAM存儲器容量，在P89C51RX內(nèi)部，除了256字節(jié)的內(nèi)部RAM外，還集成了256～768字節(jié)的內(nèi)部擴展RAM（簡稱ERAM）。為此，在輔助功能寄存器AUXR中增加了內(nèi)部擴展RAM/外部RAM選擇位EXTRAM。當(dāng)EXTRAM位為0時，MOVX指令的讀寫對象為內(nèi)部擴展RAM；反之，當(dāng)EXTRAM位為1時，MOVX指令的讀寫對象為外部RAM。③集成了與IntelP8XC51FX系列芯片完全兼容的可編程計數(shù)器陣列PCA模塊。④可使用與MCS-51相同的“12時鐘/機器周期”模式（在標(biāo)準(zhǔn)時鐘模式下，晶振頻率為0～33MHz），也可以采用“6時鐘/機器周期”模式（晶振頻率為0～20MHz，指令執(zhí)行速度快了一倍）。⑤內(nèi)置了硬件看門狗計數(shù)器WDT。⑥具有7個中斷源（4個中斷優(yōu)先級）。2024/1/15單片機原理與應(yīng)用2．Philips公司第二代P89C51RX系列芯片

①第一代P89C51RX芯片時鐘模式配置位FX2的記錄載體為OTPROM，默認(rèn)時為6時鐘模式，可編程為12時鐘模式，但編程后不能再恢復(fù)為6時鐘模式；而第二代P89C51RX系列芯片時鐘模式配置位FX2的記錄載體為FlashROM，默認(rèn)時為12時鐘模式，可編程為6時鐘模式，但可通過并行編程方式擦除，恢復(fù)為12時鐘模式。②增加了時鐘模式控制寄存器CKCON。即當(dāng)FX2位處于擦除狀態(tài)（未編程，F(xiàn)X2位為1）時，可通過軟件修改時鐘控制寄存器CKCON的X2位來選擇系統(tǒng)時鐘模式（但值得注意的是，位于FlashROM保密字節(jié)內(nèi)的系統(tǒng)時鐘配置位FX2比CKCON寄存器內(nèi)的X2位優(yōu)先，即當(dāng)FX2位被編程后，X2位無效）。③當(dāng)CPU運行在“6時鐘/機器周期”狀態(tài)時，可通過CKCON寄存器選擇外設(shè)時鐘模式2024/1/15單片機原理與應(yīng)用3．Atmel公司T89C51RX系統(tǒng)芯片

①部分型號芯片，如AT89C51ED2、T89C51RX全系列等，集成了2KB、可擦寫10萬次的E2PROM存儲器，方便了系統(tǒng)參數(shù)的保存與修改。②AT89C51RX系列芯片部分型號，如AT89C51RC2、AT89C51RB2、AT89C51RD2集成了SPI串行總線接口部件。③在PLCC68封裝、VQFP64封裝的T89C51RX芯片品種中，增加了P4、P5兩個8位I/O口，即I/O引腳數(shù)目為48根（6口×8位）。④工作電壓范圍寬。P89C51RX系列電源電壓為5.0V±10%，而T89C51RX系列電源電壓為3.0～5.5V；低電壓版本，電源電壓為2.7～3.6V。⑤集成了溢出時間可調(diào)的硬件看門狗電路。⑥改進了X2時鐘模式，即在6時鐘/機器周期狀態(tài)下，可以選擇每一外設(shè)的時鐘頻率。即T89C51RX系列芯片內(nèi)CKCON寄存器各位含義與Philips第二代P89C51RX系列芯片相同。⑦可以選擇外部RAM讀選通、寫選通脈沖寬度。默認(rèn)狀態(tài)下，讀選通、寫選通脈沖寬度為6時鐘周期（與傳統(tǒng)的MCS-51兼容），但在T89C51RX中，可以選擇30時鐘周期，以便讀寫存取速度慢的外部RAM存儲器。單片機原理與應(yīng)用2024/1/155.2P89C51RX引腳功能

P89C51RX系列具有PDIP40、PLCC44（CLCC44）LQFP44三種封裝形式，引腳排列與相同封裝形式的增強型MCS-51芯片保持兼容，如圖5-2所示。由于P89C51RX比增強型MCS-51多了5模塊可編程計數(shù)器陣列PCA，因此P1口的P1.2～P1.7引腳具有復(fù)用功能，既可作為一般I/O引腳使用，也可作為5個PCA模塊的計數(shù)脈沖輸入端、捕獲/比較模式外部輸入/輸出端。

2024/1/15單片機原理與應(yīng)用2024/1/15單片機原理與應(yīng)用2024/1/15單片機原理與應(yīng)用圖5-2P89C51RX系列芯片封裝形式及引腳排列單片機原理與應(yīng)用2024/1/155.3P89C51RX系列片內(nèi)存儲器結(jié)構(gòu)

在介紹89C51RX系列CPU內(nèi)部資源前，先列出89C51RX系列芯片特殊功能寄存器（或寄存器位），如表5-3所示。單片機原理與應(yīng)用2024/1/155.3.1片內(nèi)程序存儲器

89C51RX系列采用FlashROM作為片內(nèi)程序存儲器，容量從8KB～64KB，無須通過EPROM、FlashROM芯片擴展外部程序存儲器，因此引腳一般通過2.0K～4.7K電阻接電源Vcc?？梢栽谕ㄓ镁幊唐魃蠈?9C51RX系列芯片編程，也可以用ISP、IAP方式進行編程。5.3.2片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器P89C51RX數(shù)據(jù)存儲器包括片內(nèi)RAM和外部RAM兩大部分，其中片內(nèi)RAM存儲器由256字節(jié)的內(nèi)部RAM（與增強型MCS-51芯片相同）和256～768字節(jié)的內(nèi)部擴展RAM組成，如圖5-3所示。圖5-3P89C51RX/87C51RX存儲器結(jié)構(gòu)2024/1/15單片機原理與應(yīng)用

256字節(jié)內(nèi)部RAM、外部RAM讀寫方法與增強型MCS-51相同；內(nèi)部擴展RAM地址空間與外部RAM地址空間重疊，也是通過MOVX指令讀寫。為區(qū)別MOVX指令的讀寫對象——是內(nèi)部擴展RAM，還是外部RAM，在89C51RX系列輔助功能寄存器AUXR中增加了EXTRAM選擇位。當(dāng)EXTRAM為0時，MOVX指令讀寫對象為內(nèi)部擴展RAM；反之，當(dāng)EXTRAM為1時，MOVX指令讀寫對象為外部RAM。由于復(fù)位時，AUXR寄存器內(nèi)容為xxxxxx00B，因此復(fù)位后，MOVX指令讀寫對象為內(nèi)部擴展RAM。當(dāng)需要讀寫外部RAM時，須通過如下指令，將EXTRAM位置1。2024/1/15單片機原理與應(yīng)用ORAUXR,#00000010B ;由于AUXR寄存器不具有位尋址功能，只能通過或;指令將指定位置1。MOVDPTR,#XXXXH ;外部RAM地址送DPTR。MOVXA,@DPTR ;讀外部RAM單元內(nèi)容。在讀寫內(nèi)部擴展RAM期間，P0、P2口及、引腳無效，因此當(dāng)以R0或R1作間接尋址寄存器讀寫擴展RAM時，只能訪問擴展RAM前256字節(jié)。

單片機原理與應(yīng)用2024/1/155.4可編程計數(shù)器陣列PCA及應(yīng)用

P89C51RX系列可編程計數(shù)器陣列含有5個結(jié)構(gòu)相同的16位捕捉/比較計數(shù)器，每個模塊均可以編程為捕捉模式、軟件定時器模式、高速輸出模式、脈寬調(diào)制(PWM)模式，此外模塊4還可作為看門狗定時器WDT使用，如圖5-4所示。

2024/1/15單片機原理與應(yīng)用圖5-4可編程計數(shù)器陣列PCA

單片機原理與應(yīng)用2024/1/155.4.1PCA結(jié)構(gòu)及控制

在P89C51RX中，為簡化硬件結(jié)構(gòu)，PCA單元電路內(nèi)五個計數(shù)模塊共用一個16位加法計數(shù)器（CH和CL）作為記時基準(zhǔn)，計數(shù)脈沖來源由PCA模式寄存器CMOD的CPS1、CPS0位決定，允許/禁止PCA計數(shù)器計數(shù)由PCA控制寄存器CCON的CR位控制，如圖5-5所示。

2024/1/15單片機原理與應(yīng)用圖5-5PCA計數(shù)器及控制

2024/1/15單片機原理與應(yīng)用PCA中斷控制邏輯如圖5-6所示。當(dāng)某一模塊產(chǎn)生捕捉（將PCA計數(shù)器捕捉到相應(yīng)模塊捕捉/比較寄存器）或匹配（PCA計數(shù)器與相應(yīng)模塊捕捉/比較寄存器相等）時，CCON寄存器相應(yīng)模塊匹配/捕捉標(biāo)志位CCFn置1，能否產(chǎn)生PCA中斷請求由相應(yīng)模塊的ECCFn位控制。

2024/1/15單片機原理與應(yīng)用圖5-6PCA中斷控制邏輯1.PCA模式寄存器CMOD

PCA模式寄存器CMOD各位含義如下：

(1)

CPS1、CPS0——用于選擇PCA計數(shù)器計數(shù)脈沖來源。PCA內(nèi)五個模塊共用一個16位加法計數(shù)器（CH和CL），計數(shù)脈沖來源由CMOD寄存器的CPS1、CPS0位決定：CPS1、CPS1、CPS0 計數(shù)脈沖源00

00

內(nèi)部時鐘信號fosc/6（6時鐘模式）或fosc/12（12時鐘模式）01

01內(nèi)部時鐘信號fosc/2（6時鐘模式）或fosc/4（12時鐘模式）((可見，PCA模塊最高計數(shù)頻率比T0、T1、T2高了3倍)1010定時器T0的溢出脈沖。

11來自ECI/P1.2引腳的外部脈沖。在6時鐘模式下，外部脈沖最高頻率為fosc/4；在12時鐘模式下，外部脈沖最高頻率為fosc/8。2024/1/15單片機原理與應(yīng)用(2)

ECF——PCA計數(shù)器CH/CL溢出中斷允許。當(dāng)PCA計數(shù)器溢出時，PCA控制寄存器CCON的溢出標(biāo)志CF有效。如果ECF=1，且中斷允許寄存器IE的EC、EA位為1，則CPU將響應(yīng)PCA計數(shù)器溢出中斷。(3)

CIDL——節(jié)電狀態(tài)下PCA運行控制。當(dāng)CIDL=0時，在節(jié)電狀態(tài)下，PCA計數(shù)器繼續(xù)計數(shù)（圖5-5中的與非門輸出恒為1，與PCON寄存器節(jié)電運行控制位IDL內(nèi)容無關(guān)）；反之，當(dāng)CIDL=1時，在節(jié)電狀態(tài)下，PCA計數(shù)器停止計數(shù)（由于CIDL位為1，圖5-5中與非門輸出狀態(tài)由PCON寄存器節(jié)電運行控制位IDL決定，當(dāng)IDL位為1時，與非門輸出為0，PCA計數(shù)器停止計數(shù)）。(4)

WDTE——禁止/允許模塊4看門狗工作。單片機原理與應(yīng)用2024/1/152.PCA計數(shù)器（CH和CL）

16位加法計數(shù)器，計數(shù)脈沖由CMOD寄存器的CPS1、CPS0位定義，每來一個脈沖，計數(shù)器加1，當(dāng)CH溢出時，CCON寄存器內(nèi)的溢出標(biāo)志CF置位。

單片機原理與應(yīng)用2024/1/153.PCA控制寄存器CCON(具有位地址(1)

CCF4～CCF0——分別是模塊4～0的中斷標(biāo)志位。當(dāng)產(chǎn)生匹配（比較）或捕捉時由硬件置1。但CPU響應(yīng)PCA中斷請求后，不能自動清除，需要軟件清0。(2)

CR——PCA計數(shù)器啟動控制位。在正常狀態(tài)下，CR=1時，計數(shù)脈沖開關(guān)閉合，每來一個計數(shù)脈沖，計數(shù)器加1；當(dāng)CR=0時，PCA計數(shù)器停止計數(shù)。(3)CF——PCA計數(shù)器溢出標(biāo)志。當(dāng)PCA計數(shù)器溢出時，CF自動置1（不自動清除，需要軟件清0）。

4.模塊比較/捕捉寄存器（CCAPnH和CCAPnL）和模塊模式寄存器CCAPMn

每一模塊對應(yīng)一個16位比較/捕捉寄存器（即高8位CCAPnH和低8位CCAPnL）、模塊工作方式寄存器CCAPMn。每一模塊的工作方式由對應(yīng)模塊的工作方式寄存器CCAPMn決定，如模塊0的工作方式由模塊0的工作方式寄存器CCAPM0決定、模塊1的工作方式由模塊1的工作方式寄存器CCAPM1決定，依此類推，模塊4的工作方式由模塊4的工作方式寄存器CCAPM4決定。模塊工作方式寄存器CCAPM0～CCAPM4結(jié)構(gòu)、各位含義相同，如下所示：2024/1/15單片機原理與應(yīng)用CCAPMn(n=0～4)寄存器位模塊工作方式-ECOMnCAPPnCAPNnMATnTOGnPWMnECCFnX0000000無XX10000X16位捕捉（CEXn引腳上升沿觸發(fā)）XX01000X16位捕捉（CEXn引腳下降沿觸發(fā)）XX11000X16位捕捉（CEXn引腳上、下沿觸發(fā)）X100100X16位軟件定時器X100110X16位高速輸出X10000108位PWM輸出X1001X0X看門狗定時器（模塊4）表5-4PCA模塊工作方式

單片機原理與應(yīng)用2024/1/155.4.2PCA模塊初始化步驟PCA模塊初始化步驟包括：(1)初始化PCA模式寄存器CMOD，選擇PCA計數(shù)器計數(shù)脈沖源、允許/禁止節(jié)電狀態(tài)下PCA計數(shù)器計數(shù)、禁止/允許PCA計數(shù)器溢出中斷。(2)計數(shù)初值送CH/CL，完成PCA計數(shù)器CH/CL的初試化。(3)初始化相應(yīng)模塊工作方式寄存器CCAPMn，選擇所需的工作模式。(4)

初始化相應(yīng)模塊的比較/捕捉寄存器（CCAPnL、CCAPnH）。注意：必須先初始化低8位CCAPnL，后初始化CCAPnH，否則會關(guān)閉模式寄存器CCAPMn的ECOMn位（或者說完成CCAPnH寄存器初始化后，比較器使能控制ECOMn位自動置1）。(5)啟動PCA計數(shù)器（即執(zhí)行“SETBCR”命令，將CCON寄存器的CR位置1）。單片機原理與應(yīng)用2024/1/155.4.3PCA模塊工作模式1.捕捉模式

當(dāng)CCAPMn寄存器的CAPP（上升沿捕捉）、CAPN（下降沿捕捉）之一為1，而其他位為0時，相應(yīng)的PCA模塊就工作于捕捉模式，如圖5-10所示。圖5-10捕捉模式單片機原理與應(yīng)用2024/1/152.軟件定時器

當(dāng)PCA模式寄存器CMOD的WDTE位為0；而模塊模式CCAPMn寄存器的MAT位為1（否則匹配時相應(yīng)CCFn位不置1，無法通過查詢或中斷方式確定定時時間到），其他位為0時，相應(yīng)PCA模塊工作于定時器狀態(tài)，定時時間由CH/CL初值、模塊比較/捕捉寄存器CCAPnH、CCAPnL決定，如圖5-11所示。完成比較/捕捉寄存器高8位CCAPnH裝入后，ECOM位置1，比較即處于允許狀態(tài)。當(dāng)PCA計數(shù)器等于模塊比較/捕捉寄存器（即發(fā)生匹配）時，CCON寄存器相應(yīng)標(biāo)志位CCFn即有效，如果ECCFn位為1，將產(chǎn)生PCA中斷請求。圖5-11PCA軟件定時器模式

當(dāng)PCA模塊工作于軟件定時模式時，不影響相關(guān)引腳的狀態(tài)，即相應(yīng)CEXn引腳依然可作為I/O引腳使用。單片機原理與應(yīng)用2024/1/153.高速輸出模式

高速輸出模式也是一種軟件定時方式。在軟件定時模式中，如果模塊控制寄存器CCAPMn的TOG位為1，則匹配（定時時間到）時，將觸發(fā)CEXn引腳狀態(tài)翻轉(zhuǎn)。當(dāng)MATn、ECCFn位為1時，觸發(fā)引腳翻轉(zhuǎn)的同時，將產(chǎn)生PCA中斷請求，如圖5-12所示。使用高速PCA模式觸發(fā)引腳狀態(tài)獲得的定時信號比用軟件定時器在中斷服務(wù)程序中通過SETBP1.X、CLRP1.X或CPLP1.X指令獲得的定時信號要精確得多。圖5-12高速輸出模式4.8位PWM輸出

8位PWM輸出結(jié)構(gòu)如圖5-13所示。圖5-138位PWM輸出方式單片機原理與應(yīng)用2024/1/155.看門狗模式

圖5-17PCA看門狗方式2024/1/15單片機原理與應(yīng)用

P89C51RX系列中斷控制系統(tǒng)與增強型MCS-51相同，但由于89C51RX系列內(nèi)嵌了PCA計數(shù)陣列，因此89C51RX系列具有7個中斷源（6個增強型MCS-51中斷源+PCA中斷源）。89C51RX系列使用增強型MCS-51中斷控制寄存器IE、中斷優(yōu)先級控制寄存器IP和IPH中的保留位分別作為PCA中斷允許位和優(yōu)先級控制位，PCA中斷入口地址規(guī)定為0033B。即在89C51RX系列中IE寄存器的b6位是PCA中斷允許/禁止控制位，IP、IPH的b6位是PCA中斷優(yōu)先級控制位。如圖5-15所示。

5.5P89C51RX系列中斷控制系統(tǒng)2024/1/15單片機原理與應(yīng)用(a)89C51RX中斷控制寄存器IE2024/1/15單片機原理與應(yīng)用(b)89C51RX中斷優(yōu)先級IP(c)89C51RX中斷優(yōu)先級高位IPH2024/1/15單片機原理與應(yīng)用5.6硬件看門狗單片機主要用于工業(yè)控制，工作環(huán)境比較惡劣——溫度波動大、電磁干擾嚴(yán)重，容易引起程序計數(shù)器PC“走飛”，造成系統(tǒng)失靈。因此，在硬件上采用“看門狗”技術(shù)，復(fù)位處于失控狀態(tài)的系統(tǒng)，使其正常工作就顯得尤為必要。2024/1/15單片機原理與應(yīng)用可通過如下方法啟動和強迫看門狗計數(shù)器復(fù)位并重新計數(shù)：MOVWDTRST,#1EH ;寫入立即數(shù)1EH。MOVWDTRST,#0E1H ;寫入立即數(shù)0E1H，啟動WDT功能。2024/1/15單片機原理與應(yīng)用由于在掉電模式下，系統(tǒng)時鐘停止輸出，因此WDT計數(shù)器也停止計數(shù)，不會產(chǎn)生匹配。對于采用增強型MCS-51內(nèi)核芯片來說，硬件復(fù)位或外中斷均能使CPU退出掉電狀態(tài)。當(dāng)通過復(fù)位方式退出掉電狀態(tài)時，無須考慮WDT溢出，原因是復(fù)位后WDT也被復(fù)位。但對于通過外中斷退出掉電狀態(tài)來說，必須保證退出掉電狀態(tài)后的幾個機器周期內(nèi)WDT不會溢出，而觸發(fā)CPU復(fù)位。為此，可在進入掉電狀態(tài)前和掉電中斷服務(wù)程序中執(zhí)行上述兩條指令，強迫WDT復(fù)位并重新計數(shù)，這樣至少要經(jīng)過16384個機器周期后，WDT才溢出，以便CPU有足夠時間執(zhí)行掉電中斷服務(wù)程序。MOVWDTRST,#1EH ;寫入立即數(shù)1EH。MOVWDTRST,#0E1H ;寫入立即數(shù)0E1H，強迫WDT重新計數(shù)。ORLPCON,#02H ;使PCON寄存器的PD位為1，強迫機器進入掉電狀態(tài)。2024/1/15單片機原理與應(yīng)用由于在節(jié)電狀態(tài)下，系統(tǒng)時鐘電路仍在工作，即WDT計數(shù)器仍在計數(shù)，為防止WDT溢出復(fù)位CPU，在進入節(jié)電模式前除了執(zhí)行寫WDTRST寄存器外，還需啟動一個定時器（定時時間小于16384個機器周期），在定時器中斷服務(wù)程序中執(zhí)行寫WDTRST寄存器命令，使WDT