MCS196系列单片机分类与选型指南

概述

MCS196系列单片机是Intel公司继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进，性能上也有了显著提高，使得它适用于更复杂的实时控制场合。MCS196单片机有多种型号，不同型号配置有不同的功能部件，且具有不同存储器空间和寻址能力，可满足不同场合的要求。

MCS196系列单片机都有1个基于寄存器到寄存器结构的内核。这种结构消除了累加器的瓶颈现象，加快了数据传输。另有多种功能部件，在不同型号中进行不同配置。这些功能部件除包括在8X9X中就有的I/O口、 10位A/D转换器、PWM（脉宽调制器）、SIO（全双工串行I/O口）、中断源、看门狗定时器、16位定时/计数器、HSI/O（高速输入/输出口）等以外，还包括在MCS196中出现的PTS（外围事务服务器）、EPA（事件处理器阵列）、WG（波形发生器）等。

与其他系列（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用于记录某一外部事件相对于时间基准（如定时器1）的发生时刻。此功能部件在检测到引脚上规定的跳变事件（包括正跳变、负跳变、每次正跳变、8个正跳变）后，将发生事件的类型与时刻记录下来，并产生相关中断。此部件适用于信号的时间参数测量。HSO则用于按程序规定的时间去触发某一事件（如置位/清零口线、启动A/D转换等），要求CPU的开销极小，速度极高。此部件便于实时输出控制，可用来产生多种信号波形。

EPA（Event Processor Array）：实质上是捕捉/比较模块。所谓“捕捉”就是捕获产生于引脚上的跳变事件（有正跳变、负跳变、正负跳变等），记载这些输入事件相对于时基定时器发生的时刻；“比较”则是和预先规定好的时间作比较，预定时间一到就去执行某种输出功能（比如输出置为高、输出置为低、输出翻转、启动A/D转换、复位定时器等等）。可见，EPA和HSI/O的功能类似，但EPA在CPU开销上要求更少，性能更好一些。表1给出在不同时钟频率下两者分辨能力的比较。

表 1 HSI/O和EPA分辨能力的比较

PTS （Peripheral Transaction Server）：实质上是中断服务机制的改进。对正常的中断服务，CPU都要“亲自”去执行，而现在的PTS提供了一种类似DMA的操作。当中断发生后，由微代码执行PTS周期。该周期就像DMA周期那样插入正常的指令流中，完成中断服务，这样CPU的开销比一般的中断响应要少得多。

WG（Waveform Generator）：可产生独立的、具有相同频率和工作方式的3对PWM波形。特别适合控制三相交流感应电机、直流无刷电机和其他需要多个PWM输出的场合。

另外，MCS196单片机总线控制器还具有可编程的等待状态发生器，可方便地与慢速外设接口。在运行中可动态选择8位或者16位的总线宽度，并能通过HOLD/HLDA协议方便地实现多处理器通信。

目前，MCS196系列主要有3种：① HSI/O系列，这类芯片具有高速输入、输出口；② EPA系列，这类芯片内部具有事件处理器阵列；③ Motor Control系列，这类芯片适用于电机控制。要注意上述分类也不是绝对的，往往在同一个型号的部件中，可同时具有多种功能。

一、 HSI/O系列

本系列主要芯片有8XC196KB、8XC196KC、8XC196KD，产品分类如表2所列。

表 2 HSI/O系列一览表

注：① 封装形式N：PLCCS：QFPSB：SQFPU：窄DIP。② 温度C：0~70℃E：－40~85℃A：－40~125℃。 （以上含义表3和表4同）

8XC196KB 是MCS196系列的第1个成员，片内具有8KB程序空间，232个字节的寄存器RAM。它采用高速输入/输出口进行事件处理。 HSI/O最多有4个高速输入口，6个高速输出口。2个16位的定时/计数器均可用作时基发生器。其余的片内资源有：1路PWM，1个全双工串行通信口， 1个看门狗定时器，1个8通道10位A/D转换器。48条输入/输出口（与部件复用）。

8XC196KC的性能比8XC196KB要更进一步。它的片内有16KB的程序空间，488个字节的寄存器RAM，最高工作频率可达 20MHz。除了具有8XC196KB的全部特点外，还具有如下特点：有3路PWM发生器；A/D转换器具有8位和10位2种方式；可对采样率和转换时间编程。在片内还加入外围事务处理服务器PTS，可大大减轻CPU在中断处理上的负担。

8XC196KD除具有8XC196KC所具有的全部特点以外，它的片内还具有32KB的程序空间，1000个字节的寄存器RAM。由于片内存储空间的增大，所以，更适合于使用高级语言编程。这种芯片的最高频率也可达20MHz。

二、 EPA系列

EPA系列芯片主要包括8XC196KR、8XC196KT、8XC196NT、8XC196NP、8XL196NP、80C196NU、 80C196EA、87C196CA、87C196CB等，产品分类如表3所列。

8XC196KR 是MCS196系列中集成度较高、较复杂的一员。程序空间为16KB，488个寄存器RAM，256字节的内部RAM，内部 RAM既可用来存储程序，也可用来存储数据。它使用EPA部件对事件进行监测与控制。当工作于16MHz时，EPA有250ns的分辨能力，包括10个捕捉/比较模块，2个仅用于比较的模块。EPA使用时非常灵活，可用来产生PWM输出。

8XC196KR片内还有1个从机口，便于与其他系统总线相连。这种特性可将8XC196KR本身作为一灵活的、可编程的外设与PC总线相连。

在8XC196KR中有2个串行口，一个是标准的串行口SIO；另一个是同步串行口SSIO，可进行全双工同步通信。2个串行口的波特率可独立编程。片内的A/D转换器继承于8XC196KC，又增加了可编程的阈值检测和偏差校正功能。

8XC196KT是8XC196KR的增强型。程序空间为32KB，有1000个字节寄存器RAM和512个字节的片内RAM。它的总线控制器在支持存取低速存储器时具有新的工作模式。

8XC196NP提供了可动态选择的多路复用总线。其他特点有：片内有片选单元，1MB的寻址能力，3路PWM输出，5V供电时最高工作频率可达25MHz。

表 3 EPA系列一览表

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

8XC196NT 和8XC196KT类似，但它有1MB外部寻址能力。A/D输入的4路由扩展地址口EPORT（the Extended Address Port）代替。4个EPORT口既可作标准口，也能作高4位地址线（A16~A19）。工作频率可达20MHz。

表 4 Motor Control系列一览表

E80C196NU可工作于50MHz（5V时），使得它的性能比NP系列增强1倍。片内运算器采用32位，使乘除指令执行更快。NU系列的引脚和NP系列是兼容的，可方便地对NP系列进行升级。其他特点为：1MB寻址能力，3路PWM输出，片内选择单元等。

80C196EA 是MCS196系列中第1片用于电力机车控制的芯片。与其他型号相比，其性能有显著提高，包括：40MHz的工作频率、2MB的寻址能力、4KB的片内 RAM、3条片选线的片内片选单元、每条片选线可动态分时实现地址/数据复用、每条片选线的等待状态可编程、17个高速捕捉/比较模块、8个高速比较输出模块、4个灵活的16位定时/计数器、8路PWM输出、2个全双工串行口、1个全双工同步串行口、堆栈溢出自动检查、16通道自动巡回A/D转换、串行调试接口等。

在87C196CA和87C196CB中集成了符合CAN2.0规范的CAN总线控制器82527，使它们更适合于需要实时事件控制的场合。例如，可应用于防抱死刹车系统、四缸发动机控制系统中。

三、 Motor Control系列

Motor Control系列主要芯片包括8XC196MC/MH、8XC196MD，产品分类如表4所列。

8XC196MC/MH 芯片内部有专门用于三相交流感应电机和直流无刷电机控制的硬件，也能用于电源逆变器中。MC芯片内部有仅供CPU使用的 488个字节的寄存器RAM，程序空间16KB；MH芯片内部有744个字节仅供CPU使用的寄存器RAM，程序空间32KB。当时钟频率为16MHz 时，进行一次16bit×16bit运算需1.75μs；进行一次32bit÷16bit运算需3μs。

在MC/MH内部有独特的功能部件WG。它可以产生三相互补不重叠的PWM脉冲。在采用边沿触发时，具有125ns的分辨能力；中心触发时，具有 250ns的分辨能力。WG具有多种可编程频率、占空比和消隐时间，每路波形输出的驱动能力很强，输出极性可以编程，并能强制为高或低电平。此外，还具有保护功能：当发生某意外事件时，响应该外部事件能立即停止输出。片内3路PWM，都有8位分辨率。既可同时控制，也可分开独立控制。

在MC/MH中也采用EPA部件进行事件监测与控制：MC中有4路捕捉/比较模块和独立的4路比较模块；MH中有2路捕捉/比较模块和独立的4路比较模块。EPA具有125ns的事件处理分辨能力。

MC中A/D转换有13个通道；MH中有8个通道。可工作在8位或10位模式，采样时间、转换时间、阈值检测方式和偏差校正均可编程。

在MC中具有特殊的PTS方式支持串行输入、输出（SIO）功能。MH中2个UART，均支持同步和异步方式。

MC中有40条I/O口线和部件共用，另有13条输入线可作为模拟与数字输入；MH中有44条I/O口线和部件共用，另有8条输入线可作为模拟与数字输入。

MD除具有MC的全部功能外，还有如下功能：
    ① 1路频率发生器产生频率可编程的方波，适用于红外遥控通信中；
    ② 在EPA中，再添加2路捕捉/比较模块和独立的2路比较模块；
    ③增加8条I/O口线，2条仅用于输入的口线和1路仅用于模拟/数字输入的口线。

MD和MC的引脚兼容，便于对现有设计进行升级。MES

参考文献
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 孙涵芳主编．Intel 16位单片机．北京：北京航空航天大学出版社，1995