探索DS87C520/DS83C520：高性能8051兼容微控制器的卓越之選

在當(dāng)今的電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，一款高性能、功能豐富且兼容性強(qiáng)的微控制器是眾多工程師夢(mèng)寐以求的。DS87C520/DS83C520 EPROM/ROM高速微控制器正是這樣一款能夠滿足工程師多樣化需求的產(chǎn)品。下面，我們就來(lái)深入了解一下這兩款微控制器。

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1. 產(chǎn)品概覽

DS87C520/DS83C520是與8051兼容的高速微控制器，對(duì)處理器內(nèi)核進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，消除了時(shí)鐘和內(nèi)存周期的浪費(fèi)，執(zhí)行8051指令的速度相比原始產(chǎn)品快了1.5到3倍。在典型應(yīng)用中，使用相同代碼和晶體時(shí)，速度可提升2.5倍。最高晶體速度可達(dá)33MHz，相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了約82.5MHz的執(zhí)行速度。

關(guān)鍵特性

- 80C52和8051引腳及指令集兼容，便于在現(xiàn)有系統(tǒng)中直接替代。
- 具備四個(gè)8位I/O端口、三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和256字節(jié)暫存RAM。
- 片上內(nèi)存大，擁有16kB程序內(nèi)存和1kB額外片上SRAM用于MOVX操作。
- 采用高速架構(gòu)，4個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期（8051為12個(gè)），運(yùn)行時(shí)鐘頻率從直流到33MHz，單周期指令執(zhí)行時(shí)間為121ns。
- 配備雙數(shù)據(jù)指針，可選可變長(zhǎng)度MOVX以訪問(wèn)快速/慢速RAM/外設(shè)。
- 具備電源管理模式，可通過(guò)可編程時(shí)鐘源節(jié)省功耗。
- 有EMI降低模式，可禁用ALE信號(hào)。
- 集成度高，包含電源故障復(fù)位、預(yù)警電源故障中斷和可編程看門狗定時(shí)器。
- 提供13個(gè)中斷源，其中6個(gè)為外部中斷。

封裝形式

該微控制器提供40引腳PDIP、44引腳PLCC、44引腳TQFP和40引腳窗口式CERDIP等多種封裝形式，方便不同應(yīng)用場(chǎng)景的選擇。

2. 技術(shù)亮點(diǎn)剖析

2.1 兼容性與性能提升

DS87C520/DS83C520與8051家族完全靜態(tài)CMOS兼容，在大多數(shù)情況下，可直接插入現(xiàn)有8xc51家族的插座，顯著提升系統(tǒng)性能。雖然對(duì)8051用戶來(lái)說(shuō)操作熟悉，但它引入了許多新特性。不過(guò)，由于其執(zhí)行指令速度遠(yuǎn)快于原始8051，在關(guān)鍵時(shí)序方面需要特別注意。

這些微控制器運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的8051家族指令集，提供三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、兩個(gè)全雙工串行端口、256字節(jié)直接RAM和1kB額外的MOVX RAM。I/O端口操作與標(biāo)準(zhǔn)8051產(chǎn)品相同，定時(shí)器默認(rèn)采用12個(gè)時(shí)鐘/周期運(yùn)行，以保持與原始8051家族系統(tǒng)的時(shí)序兼容性，但也可單獨(dú)編程為新的4個(gè)時(shí)鐘/周期。

2.2 高速架構(gòu)優(yōu)勢(shì)

其高速架構(gòu)的核心在于消除了標(biāo)準(zhǔn)8051中存在的虛擬內(nèi)存周期。傳統(tǒng)8051使用時(shí)鐘頻率除以12來(lái)生成機(jī)器周期，而DS87C520/DS83C520僅需4個(gè)時(shí)鐘。因此，在相同晶體頻率下，最快的單機(jī)器周期指令執(zhí)行速度提高了3倍。大多數(shù)指令可實(shí)現(xiàn)3:1的速度提升，部分指令的提升幅度在1.5到2.4:1之間，所有指令的執(zhí)行速度都比原始8051快。平均而言，所有操作碼的速度提升約為2.5:1，這使得任何代碼都有可能實(shí)現(xiàn)顯著的速度改進(jìn)，其峰值指令周期可達(dá)121ns（8.25 MIPs）。此外，雙數(shù)據(jù)指針功能在進(jìn)行內(nèi)存塊移動(dòng)時(shí)可消除不必要的指令，提高操作效率。

2.3 指令集與特殊功能寄存器

所有指令的功能與8051對(duì)應(yīng)指令相同，但執(zhí)行時(shí)間有所不同。在絕對(duì)和相對(duì)時(shí)鐘數(shù)量上，指令的計(jì)時(shí)都發(fā)生了變化。對(duì)于實(shí)時(shí)事件的精確計(jì)時(shí)，可參考《高速微控制器用戶指南》中的表格進(jìn)行軟件循環(huán)計(jì)時(shí)。計(jì)數(shù)器/定時(shí)器默認(rèn)以12個(gè)時(shí)鐘/增量運(yùn)行，以確?；诙〞r(shí)器的事件按標(biāo)準(zhǔn)間隔發(fā)生，同時(shí)允許軟件以更高速度執(zhí)行。若需要，定時(shí)器也可選擇以4個(gè)時(shí)鐘/增量運(yùn)行，以充分利用處理器的高速性能。

特殊功能寄存器（SFRs）控制著DS87C520/DS83C520的大多數(shù)特殊特性。通過(guò)在軟件中定義SFR到匯編器或編譯器的等號(hào)語(yǔ)句，即可訪問(wèn)新功能，這使得微控制器在使用相同指令集的同時(shí)具備更多新特性。

2.4 內(nèi)存資源管理

DS87C520/DS83C520采用與8051相同的三個(gè)內(nèi)存區(qū)域，總內(nèi)存配置為16kB ROM、1kB數(shù)據(jù)SRAM和256字節(jié)暫存或直接RAM。1kB的數(shù)據(jù)SRAM可通過(guò)MOVX指令進(jìn)行讀寫操作，不用于可執(zhí)行內(nèi)存。暫存區(qū)的256字節(jié)寄存器映射RAM與80C52上的RAM相同。這兩個(gè)內(nèi)存區(qū)域使用不同的尋址模式和指令，不會(huì)發(fā)生沖突或重疊。

2.5 電源管理模式

除了標(biāo)準(zhǔn)80C52的空閑和掉電（停止）模式外，DS87C520/DS83C520還提供了一種新的電源管理模式（PMM）。在默認(rèn)操作中，微控制器使用4個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期，指令周期速率為Clock/4。在PMM模式下，微控制器繼續(xù)運(yùn)行，但使用內(nèi)部分頻的時(shí)鐘源，提供(Clock/64)和(Clock/1024)兩種降低的指令周期速度選擇，從而顯著降低功耗。與空閑模式相比，PMM模式能提供更低的功耗，且喚醒速度更快，因此在新設(shè)計(jì)中更具優(yōu)勢(shì)。

此外，還支持無(wú)晶體PMM模式，可將CPU操作切換到內(nèi)部環(huán)形振蕩器并關(guān)閉晶體放大器，進(jìn)一步節(jié)省0.5mA到6.0mA的功耗。PMM模式的操作通過(guò)設(shè)置SFR區(qū)域中的相應(yīng)位來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括選擇分頻速度和時(shí)鐘源。退出PMM模式可通過(guò)軟件或硬件實(shí)現(xiàn)。

2.6 電磁干擾（EMI）降低

在基于8051的系統(tǒng)中，ALE信號(hào)的切換是輻射噪聲的主要來(lái)源之一。DS87C520/DS83C520允許軟件通過(guò)將ALEOFF（PMR.2）位設(shè)置為1來(lái)禁用ALE信號(hào)。當(dāng)ALEOFF = 1時(shí)，在進(jìn)行片外MOVX操作時(shí)ALE仍會(huì)切換，但在進(jìn)行片上內(nèi)存訪問(wèn)時(shí)，ALE將保持靜態(tài)模式，從而有效降低電磁干擾。

2.7 外設(shè)功能

DS87C520/DS83C520提供了多個(gè)在基于微計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)中常用的外設(shè)功能：

• 串行端口：除了與80C52相同的串行端口（UART）外，還包括一個(gè)完全復(fù)制的第二硬件串行端口，可選擇使用P1.2（RXD1）和P1.3（TXD1）引腳。兩個(gè)端口可同時(shí)運(yùn)行，且波特率和工作模式可獨(dú)立設(shè)置。
• 定時(shí)器速率控制：與8051不同，DS87C520/DS83C520的定時(shí)器和串行端口在復(fù)位時(shí)默認(rèn)采用12個(gè)時(shí)鐘/周期運(yùn)行，以確?，F(xiàn)有代碼的兼容性。若需要更高的定時(shí)器速度或串行波特率，可通過(guò)時(shí)鐘控制寄存器（CKCON）單獨(dú)選擇定時(shí)器以4個(gè)時(shí)鐘/周期運(yùn)行。
• 電源故障復(fù)位：使用精密帶隙電壓基準(zhǔn)來(lái)判斷VCC是否超出容差范圍。在上電過(guò)程中，內(nèi)部監(jiān)控電路會(huì)保持復(fù)位狀態(tài)，直到VCC上升到VRST水平以上，然后啟動(dòng)晶體振蕩器并計(jì)數(shù)65,536個(gè)時(shí)鐘，最后退出復(fù)位狀態(tài)。在電源故障或電壓下降時(shí)，監(jiān)控電路會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生并保持復(fù)位信號(hào)。
• 電源故障中斷：帶隙電壓基準(zhǔn)還可生成可選的早期預(yù)警電源故障中斷（PFI）。當(dāng)軟件啟用該中斷時(shí)，若VCC下降到VPFW以下，處理器將跳轉(zhuǎn)到程序內(nèi)存地址0033h。PFI具有最高優(yōu)先級(jí)，其使能位位于看門狗控制SFR（WDCON–D8h）中，軟件可讀取PFI標(biāo)志并手動(dòng)清除。
• 看門狗定時(shí)器：為防止軟件失控，DS87C520/DS83C520包含一個(gè)可編程看門狗定時(shí)器。它是一個(gè)自由運(yùn)行的定時(shí)器，若允許其達(dá)到預(yù)選擇的超時(shí)時(shí)間，將設(shè)置一個(gè)標(biāo)志。軟件可選擇該標(biāo)志作為復(fù)位源，同時(shí)必須在定時(shí)器超時(shí)前重新啟動(dòng)它，否則處理器將被復(fù)位。軟件可從四個(gè)超時(shí)值中進(jìn)行選擇，定時(shí)器的功能由多個(gè)SFR控制，并提供了一個(gè)中斷選項(xiàng)，可在調(diào)試或作為時(shí)間基發(fā)生器使用。

3. 安全性與編程

3.1 DS87C520的安全性與編程

DS87C520采用了標(biāo)準(zhǔn)的三級(jí)鎖機(jī)制，限制對(duì)EPROM內(nèi)容的查看。同時(shí)，64字節(jié)的加密陣列允許授權(quán)用戶以加密形式驗(yàn)證內(nèi)存，確保數(shù)據(jù)的安全性。編程時(shí)，微控制器應(yīng)在4MHz至6MHz的時(shí)鐘速度下運(yùn)行，編程夾具需按要求提供地址、數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。具體的編程步驟包括應(yīng)用地址和數(shù)據(jù)值、選擇編程選項(xiàng)、調(diào)整VPP電壓、脈沖PROG信號(hào)等。

3.2 DS83C520的安全性與編程

DS83C520是DS87C520的工廠掩膜ROM版本，支持部分DS87C520的EPROM特性。它也采用了鎖機(jī)制和加密陣列來(lái)保護(hù)ROM內(nèi)容，可使用標(biāo)準(zhǔn)的EPROM編程器驗(yàn)證內(nèi)存內(nèi)容。

4. 電氣特性

4.1 絕對(duì)最大額定值

DS87C520/DS83C520規(guī)定了引腳電壓、VCC電壓、工作溫度范圍、存儲(chǔ)溫度和焊接溫度等絕對(duì)最大額定值，使用時(shí)應(yīng)確保不超出這些范圍，以保證設(shè)備的可靠性。

4.2 直流電氣特性

在給定的VCC和溫度范圍內(nèi)，詳細(xì)列出了供電電壓、電源故障警告電壓、最小工作電壓、各種模式下的供電電流、輸入輸出電平、輸入電流等直流電氣參數(shù)。這些參數(shù)為電路設(shè)計(jì)提供了重要的參考依據(jù)。

4.3 交流電氣特性

包括振蕩器頻率、ALE脈沖寬度、地址和數(shù)據(jù)的建立與保持時(shí)間、PSEN信號(hào)的時(shí)序等交流電氣參數(shù)。這些參數(shù)對(duì)于確保微控制器與外部設(shè)備的正確通信和操作至關(guān)重要。

5. 經(jīng)驗(yàn)與思考

在實(shí)際應(yīng)用中，DS87C520/DS83C520的高性能和豐富功能為電子工程師帶來(lái)了諸多便利。但在使用過(guò)程中，也需要注意一些問(wèn)題：

• 時(shí)序調(diào)整：由于其高速特性，在關(guān)鍵時(shí)序設(shè)計(jì)時(shí)，需要仔細(xì)考慮指令執(zhí)行時(shí)間的變化，特別是在與原有8051系統(tǒng)兼容的設(shè)計(jì)中，要確保定時(shí)器和串行端口的時(shí)序匹配。
• 電源管理優(yōu)化：合理利用電源管理模式（PMM）可以顯著降低系統(tǒng)功耗，但需要注意在切換時(shí)鐘源和頻率時(shí)的時(shí)序要求，避免影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
• 安全性設(shè)置：對(duì)于安全性要求較高的應(yīng)用，如涉及敏感數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理，應(yīng)正確設(shè)置鎖位和加密陣列，確保設(shè)備的安全性。

DS87C520/DS83C520以其卓越的性能、豐富的功能和良好的兼容性，為電子工程師提供了一個(gè)強(qiáng)大的解決方案。無(wú)論是在工業(yè)控制、智能家居還是消費(fèi)電子等領(lǐng)域，都具有廣闊的應(yīng)用前景。希望通過(guò)本文的介紹，能讓更多工程師對(duì)這兩款微控制器有更深入的了解，從而在實(shí)際設(shè)計(jì)中充分發(fā)揮它們的優(yōu)勢(shì)。你在使用類似微控制器時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。