Atmel TS80C51Rx2系列高性能8位微控制器深度剖析

在當(dāng)今的電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高性能、低功耗且功能豐富的微控制器是眾多項(xiàng)目的核心選擇。Atmel的TS80C51Rx2系列微控制器，包括TS80C51RA2/RD2、TS83C51RB2/RC2/RD2和TS87C51RB2/RC2/RD2等型號，憑借其卓越的性能和多樣化的功能，在市場上占據(jù)了重要的地位。本文將對該系列微控制器進(jìn)行全面深入的分析，為電子工程師們在設(shè)計(jì)過程中提供有價(jià)值的參考。

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一、概述

TS80C51Rx2是高性能CMOS 80C51系列的8位單芯片微控制器，有ROM、OTP、EPROM和無ROM等多種版本。它保留了80C51的所有特性，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展，如增加了ROM/EPROM容量（16/32/64 Kbytes）、256字節(jié)的內(nèi)部RAM、7源4級中斷系統(tǒng)、片上振蕩器和三個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等。此外，還具備可編程計(jì)數(shù)器陣列、256或768字節(jié)的XRAM、硬件看門狗定時(shí)器、更通用的串行通道（EUART）以及X2速度提升機(jī)制。其全靜態(tài)設(shè)計(jì)允許在不丟失數(shù)據(jù)的情況下將時(shí)鐘頻率降低到任意值，甚至是直流，有效降低了系統(tǒng)功耗。

二、特性亮點(diǎn)

2.1 兼容性與高性能

• 80C52和8051兼容：引腳和指令與8051兼容，方便工程師在已有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行升級和擴(kuò)展。
• 高速架構(gòu)：在5V電壓下可達(dá)40 MHz，3V電壓下可達(dá)30MHz，X2速度提升能力使在6時(shí)鐘/機(jī)器周期模式下性能顯著提升，相當(dāng)于5V下60 MHz、3V下40 MHz。

2.2 存儲(chǔ)與外設(shè)

• 大容量存儲(chǔ)：片上ROM/EPROM有16K、32K、64K字節(jié)可選，還有256或768字節(jié)的XRAM，滿足不同應(yīng)用對數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求。
• 多功能定時(shí)器與計(jì)數(shù)器：三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，以及可編程計(jì)數(shù)器陣列（PCA），提供了豐富的定時(shí)和計(jì)數(shù)功能。PCA可配置為多種模式，如高速輸出、比較/捕獲、脈沖寬度調(diào)制器等，減少了CPU干預(yù)，提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和效率。

2.3 通信與中斷

• 增強(qiáng)型UART：支持全雙工通信，具備幀錯(cuò)誤檢測和自動(dòng)地址識別功能，適用于多處理器通信場景。
• 7源4級中斷系統(tǒng)：可對每個(gè)中斷源進(jìn)行單獨(dú)的使能和優(yōu)先級設(shè)置，確保系統(tǒng)能及時(shí)響應(yīng)各種事件。

2.4 低功耗與控制

• 多種電源模式：包括空閑模式和掉電模式，可根據(jù)應(yīng)用需求靈活選擇，有效降低功耗。空閑模式下CPU凍結(jié)，定時(shí)器、串口和中斷系統(tǒng)仍可運(yùn)行；掉電模式下RAM數(shù)據(jù)保存，其他功能停止。
• 電源控制標(biāo)志：電源關(guān)閉標(biāo)志（POF）可幫助區(qū)分冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)復(fù)位，方便系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)管理。

2.5 其他特性

• 硬件看門狗定時(shí)器：提高系統(tǒng)的可靠性，防止軟件故障導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。
• ONCE模式：便于系統(tǒng)的測試和調(diào)試，無需將電路從電路板上移除。

三、功能模塊詳解

3.1 X2特性

X2特性讓TS80C51Rx2核心每個(gè)機(jī)器周期僅需6個(gè)時(shí)鐘周期，帶來了諸多優(yōu)勢。它可以將晶振頻率降低一半，使用更便宜的晶振，同時(shí)保持CPU性能不變；在保持CPU性能的前提下，節(jié)省振蕩器的功耗；在運(yùn)行和空閑模式下，動(dòng)態(tài)將工作頻率降低一半以節(jié)省功耗；在相同晶振頻率下，將CPU性能提升一倍。通過CKCON寄存器中的X2位，可在12時(shí)鐘周期/指令和6時(shí)鐘周期/指令之間切換。但需要注意的是，在X2模式下，所有以時(shí)鐘頻率為時(shí)間參考的外設(shè)（如UART、定時(shí)器、PCA等）的時(shí)間參考將減半。

3.2 雙數(shù)據(jù)指針寄存器Ddptr

雙數(shù)據(jù)指針結(jié)構(gòu)可通過AUXR1寄存器中的DPS位在兩個(gè)16位的DPTR寄存器之間切換，用于指定外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址。這一特性可加快代碼執(zhí)行速度，減少代碼大小，例如在塊操作（復(fù)制、比較、搜索等）中，可將一個(gè)數(shù)據(jù)指針作為“源”指針，另一個(gè)作為“目標(biāo)”指針。

3.3 擴(kuò)展RAM（XRAM）

TS80C51Rx2提供額外的隨機(jī)訪問內(nèi)存（RAM）空間，RA2、RB2和RC2設(shè)備有256字節(jié)的XRAM，RD2設(shè)備有768字節(jié)的XRAM。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分為四個(gè)獨(dú)立的段，通過MOVX指令和AUXR寄存器中的EXTRAM位可間接訪問XRAM。堆棧指針可位于256字節(jié)的內(nèi)部RAM中，但不能位于XRAM中。

3.4 定時(shí)器2

定時(shí)器2是一個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，由TH2和TL2兩個(gè)8位寄存器級聯(lián)組成，受T2CON和T2MOD寄存器控制。它有捕獲、自動(dòng)重載和波特率發(fā)生器三種工作模式，還具備自動(dòng)重載模式下的上下計(jì)數(shù)器功能和可編程時(shí)鐘輸出功能。在自動(dòng)重載模式下，DCEN位可控制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)方向；在時(shí)鐘輸出模式下，可將定時(shí)器2配置為50%占空比的可編程時(shí)鐘發(fā)生器。

3.5 可編程計(jì)數(shù)器陣列PCA

PCA提供了比標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器更多的定時(shí)能力，減少了CPU的干預(yù)。它由一個(gè)專用的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器作為時(shí)間基準(zhǔn)，控制五個(gè)比較/捕獲模塊。每個(gè)模塊可配置為上升和/或下降沿捕獲、軟件定時(shí)器、高速輸出或脈沖寬度調(diào)制器等模式，模塊4還可作為看門狗定時(shí)器。PCA的時(shí)鐘輸入可通過CMOD寄存器進(jìn)行編程選擇，其運(yùn)行控制和標(biāo)志位由CCON寄存器管理。

3.6 串行I/O端口

串行I/O端口與80C52兼容，支持同步和異步通信模式，作為通用異步收發(fā)器（UART）在三種全雙工模式下工作。具備幀錯(cuò)誤檢測和自動(dòng)地址識別功能，可提高通信的可靠性和效率。通過設(shè)置PCON寄存器中的SMOD0位可啟用幀錯(cuò)誤檢測，在多處理器通信中，設(shè)置SCON寄存器中的SM2位可啟用自動(dòng)地址識別。

3.7 中斷系統(tǒng)

TS80C51Rx2共有7個(gè)中斷向量，包括兩個(gè)外部中斷、三個(gè)定時(shí)器中斷、串口中斷和PCA全局中斷。每個(gè)中斷源可通過中斷使能寄存器（IE）單獨(dú)使能或禁用，還可通過中斷優(yōu)先級寄存器（IP）和中斷優(yōu)先級高寄存器（IPH）將每個(gè)中斷源編程為四個(gè)優(yōu)先級級別之一。

3.8 低功耗模式

• 空閑模式：通過設(shè)置PCON.0位進(jìn)入空閑模式，此時(shí)內(nèi)部時(shí)鐘信號停止向CPU提供，但中斷、定時(shí)器和串口功能仍可運(yùn)行。可通過激活任何使能的中斷或硬件復(fù)位退出空閑模式。
• 掉電模式：通過軟件設(shè)置PCON寄存器中的PD位進(jìn)入掉電模式，此時(shí)振蕩器停止，內(nèi)部RAM和SFR的值保持不變。可通過硬件復(fù)位或外部中斷（INT0和INT1）退出掉電模式。

3.9 硬件看門狗定時(shí)器

硬件看門狗定時(shí)器（WDT）由一個(gè)14位計(jì)數(shù)器和WatchDog Timer ReSeT（WDTRST）特殊功能寄存器組成。默認(rèn)情況下，WDT在復(fù)位后是禁用的，通過向WDTRST寄存器依次寫入01EH和0E1H可啟用WDT。啟用后，WDT在振蕩器運(yùn)行時(shí)每個(gè)機(jī)器周期遞增，當(dāng)計(jì)數(shù)器溢出時(shí)，會(huì)在RST引腳產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位脈沖。為避免WDT溢出，用戶需要定期向WDTRST寄存器寫入01EH和0E1H。

3.10 ONCE模式

ONCE模式便于對使用TS80C51Rx2的系統(tǒng)進(jìn)行測試和調(diào)試，無需將電路從電路板上移除。通過在設(shè)備復(fù)位（RST高）且PSEN高時(shí)將ALE拉低，然后在RST釋放時(shí)保持ALE低，即可進(jìn)入ONCE模式。在該模式下，可使用仿真器或測試CPU驅(qū)動(dòng)電路，恢復(fù)正常復(fù)位后可恢復(fù)正常操作。

3.11 電源關(guān)閉標(biāo)志

電源關(guān)閉標(biāo)志（POF）位于PCON寄存器中，當(dāng)VCC從0上升到標(biāo)稱電壓時(shí)，硬件會(huì)設(shè)置POF位。用戶可通過軟件設(shè)置或清除POF位，以區(qū)分冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)復(fù)位。

3.12 降低EMI模式

通過設(shè)置AUXR寄存器中的AO位，可禁用ALE信號，從而降低電磁干擾（EMI）。禁用后，ALE信號在內(nèi)部取指時(shí)不再輸出，但在MOVX和MOVC指令以及外部取指時(shí)仍保持有效。

四、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)與編程

4.1 TS83C51RB2/RC2/RD2 ROM

該系列ROM內(nèi)存分為代碼陣列（16/32/64 Kbytes）、加密陣列（64字節(jié)）和簽名陣列（4字節(jié)）。程序鎖系統(tǒng)可保護(hù)片上程序，加密陣列在程序驗(yàn)證時(shí)對代碼進(jìn)行加密，程序鎖位根據(jù)不同的編程狀態(tài)提供不同級別的保護(hù)。

4.2 TS87C51RB2/RC2/RD2 EPROM

EPROM分為代碼陣列（16/32/64 Kbytes）和加密陣列（64字節(jié)），還有一個(gè)4字節(jié)的簽名陣列。程序鎖系統(tǒng)同樣用于保護(hù)片上程序，加密陣列的使用方法與ROM類似。EPROM的編程和驗(yàn)證需要將設(shè)備置于特定的設(shè)置模式，采用改進(jìn)的快速脈沖算法進(jìn)行編程，驗(yàn)證時(shí)需對代碼陣列進(jìn)行逐字節(jié)或逐塊驗(yàn)證。此外，EPROM可通過紫外線照射進(jìn)行擦除，擦除后所有單元恢復(fù)到1狀態(tài)。

五、電氣特性

5.1 絕對最大額定值

該系列微控制器的環(huán)境溫度范圍分為商業(yè)級（0°C - 70°C）和工業(yè)級（-40°C - 85°C），存儲(chǔ)溫度范圍為-65°C - +150°C。各引腳的電壓范圍和功耗都有明確的限制，超過絕對最大額定值可能會(huì)對設(shè)備造成永久性損壞。

5.2 功耗測量

為更準(zhǔn)確地測量功耗，采用了新的測量方法，通過執(zhí)行內(nèi)部測試ROM中的代碼（SJMP Label），在特定的測試條件下測量電源電流。不同工作模式（復(fù)位、運(yùn)行、空閑）下的功耗與時(shí)鐘頻率和電源電壓有關(guān)。

5.3 DC參數(shù)

在標(biāo)準(zhǔn)電壓（5V ± 10%）和低電壓（2.7V - 5.5V ± 10%）下，規(guī)定了輸入輸出電壓、電流、電阻和電容等DC參數(shù)，這些參數(shù)對于電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)穩(wěn)定性至關(guān)重要。

5.4 AC參數(shù)

包括外部程序存儲(chǔ)器、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、串行端口等的交流參數(shù)，如時(shí)鐘周期、脈沖寬度、信號延遲等，這些參數(shù)對于高速數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)性能的優(yōu)化具有重要意義。

六、訂購信息

該系列微控制器有多種型號和封裝可供選擇，用戶可根據(jù)工作電壓、時(shí)鐘頻率、溫度范圍等需求進(jìn)行訂購。不同型號的ROM/EPROM容量和XRAM大小有所不同，用戶可根據(jù)具體應(yīng)用選擇合適的產(chǎn)品。

Atmel的TS80C51Rx2系列微控制器以其豐富的功能、高性能和低功耗等優(yōu)勢，為電子工程師提供了一個(gè)強(qiáng)大而靈活的設(shè)計(jì)平臺(tái)。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們可根據(jù)具體需求充分發(fā)揮其特性，設(shè)計(jì)出更加高效、可靠的電子系統(tǒng)。你在使用該系列微控制器的過程中遇到過哪些問題呢？又有哪些獨(dú)特的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可以分享呢？歡迎在評論區(qū)留言交流。