1.2 “Winbond 78E516B”芯片功能详解
本节按照“W78E516B”的芯片资料及结构给大家介绍单片机的原理，为了便于读者的阅读和理解，补充了一些额外的知识点。
如果你是第一次阅读芯片资料可能会觉得这种结构很凌乱，不好理解。的确是这样的，但芯片资料都是这种结构，所以请你多一点耐心把这部分看完，因为对于专业的电子工程师来说，阅读相关的芯片资料是基本功。
1.2.1 芯片概述
1.“W78E516B”介绍
“W78E516B”是一款低功耗8位微控制器；片内具有带ISP功能的“Flash EPROM”；“ISP”功能的“Flash EPROM”可用于固件升级。其指令集同标准“8052”完全兼容。“W78E516B”包含64KB的主ROM，4KB的辅助ROM（位于4KB辅助ROM中的装载（loader）程序，可以让用户更新位于64KB主ROM中的程序内容）。512B片内RAM；4个8位双向、可位寻址的“I/O”口；一个附加的4位“I/O”口P4；3个16位定时/计数器及一个串行口。这些外围设备都由8个中断源和2级中断能力的中断系统的支持。
“W78E516B”内含的ROM允许电编程和电读写，这样用户就可以很方便地进行编程和验证。代码确定后，就可以对代码进行保护。“W78E516B”有两种节电模式：空闲模式和掉电模式，两种模式均可由软件来控制选择。空闲模式下，处理器时钟被关闭，但外设仍继续工作。在掉电模式下晶体振荡器停止工作，以将功耗降至最低。外部时钟可以在任何时间及状态下被关闭，而不影响处理器的运行。
2.特性
● 全静态设计的“CMOS ”8位微处理器频率最高达40MHz。
● 64KB并带“ISP”功能的“Flash EPROM”，用来存储应用程序（APROM）。
● 4KB的辅助ROM，用来存储装载程序（LDROM）。
● 512B片内暂存RAM（包括256B的软件可选的“AUX-RAM”）。
● 64KB程序存储器地址空间和64KB数据存储器地址空间。
● 4个8位双向“I/O”口。
● 一个4位多功能可编程口。
● 3个16位定时/计数器。
● 一个全双工串行口（UART）。
● 8个中断源，2级中断优先级嵌套能力。
● 内建电源管理。
● 代码保护机制。
● 封装：
--DIP40：W78E516B-40
--PLCC44：W78E516BP-40
3.引脚配置
40PIN DIP（W78E516B），如图1-1所示。
图1-1 “W78E516B”芯片引脚封装
1.2.2 引脚描述（见表1-1）
表1-1 芯片引脚描述
注释：类型I：输入；O：输出；I/O双向；H：上拉；L：下拉；D：开漏。
● I：只能作为输入端。
● O：只能作为输出端。
● I/O：双向口，可作为输入和输出。
● H：指芯片内部接有上拉电阻，设计时，可以直接用这类的引脚驱动一些小功率的器件，不需外加电源。
● L：芯片内部接有下拉电阻，作为输入用可以吸收较大的电流。
● D：开漏是指芯片内部引脚以“MOS”的漏极作为输出。它可以吸收很大的电流，但是不能向外输出电流。所以，为了能输入和输出电流，在电路设计时，开漏引脚要和上拉电阻一起使用。上拉电阻的阻值决定了逻辑电平转换的速度，阻值越大、速度越低、功耗越小。电阻通常选用2.2kΩ，4.9kΩ。
1.2.3 功能框图
芯片的功能框图如图1-2所示。
图1-2 芯片功能框图
“W78E516B”芯片兼容了标准的MCS-51芯片的总体结构，并且还扩展了一些功能。它由以下10部分组成：
● 中央处理器；
● 64KB片内可编程程序存储器“EPROM”；
● 512B的数据存储器；
● 4KB的辅助ROM，用来存储装载程序（LDROM），应用于ISP在线编程；
● 特殊功能寄存器“SFR”；
● 32条I/O线（四个8位口P0、P1、P2、P3）；
● 3个16位定时/计数器；
● 一个全双工串行口（UART）；
● 8个中断源，2级中断优先级嵌套；
● 片内振荡器和时钟电路。
“W78E516B”芯片有两种封装，其中方形封装44引脚的芯片，有四只引脚（P4.0～P4.3）为特殊功能引脚。在工程项目中采用的是40引脚的双列直插封装（DIP40），没有这四个引脚，在这里不做详细介绍。读者可以参见厂家提供的相关芯片资料。
1.2.4 功能描述
1.RAM
“W78E516B”有512B的片内RAM，分2个区，一个256B的暂存RAM区；另一个是256B的辅助RAM区。
● 地址为0H-7FH的RAM：这些RAM可以用与“8051”相同的直接或间接寻址方式来寻址。在选定的RAM区内，寻址指针是R0和R1。
● 地址为“80H-FFH”的RAM：只能用与“8051”相同的间接寻址方式来寻址，在选定的RAM区内，寻址指针是R0和R1。
● 地址范围为“0H-FFH”的辅助RAM（AUX-RAM）：寻址方式与用“MOVX”指令访问外部数据存储器的寻址方式相同。在选定的RAM区内，寻址指针是R0、R1和“DPTR”。对地址高于“FFH”的外部数据存储器的访问，寻址方式与“8051”下的“MOVX”指令相同。在复位后，“AUX-RAM”是被关闭的。把“CHPCON”寄存器中的bit 4置位，可以使能对“AUX-RAM”访问。在使能“AUX-RAM”后指令“MOVX @RI”将始终访问片内“AUX-RAM”。当执行的指令来自内部程序存储器时，对“AUX-RAM”的访问不会影响P0、P2口，以及WR、R-D。
补充知识点
寻址方式：这里补充介绍单片机的三种主要寻址方式。也就是直接寻址、间接寻址和外部数据存储器寻址。
1.直接寻址
直接寻址方式中，指令操作数域给出的是参加运算的操作数地址。
比如指令：MOV 58H，A
表示把累加器A中的内容送到58H单元中，其中58H为直接地址，表示内部数据存储器RAM中的一个单元。
2.间接寻址
间接寻址方式中，指令操作数给出的是存放操作数地址的寄存器。可作为间接寻址的工作寄存器只能是R0和R1。
比如指令：MOV @R1，A
表示把累加器A中的内容送到寄存器R1中的数所指定的存储单元。其中R1存放着间接地址。
3.外部数据存储器寻址
主要依靠MOVX指令访问外部RAM。
比如指令：MOVX @R1，A
表示把累加器A中的内容送到寄存器R1中的数所指定的外部存储单元。
以上介绍的各部分RAM寻址方式如图1-3所示。
图1-3 RAM寻址方式
2.定时器0，1，2
定时器0、1、2中都包含两个8位数据寄存器。分别是定时器0的TL0、TH0，定时器1的TL1、TH1，定时器2的TL2、TH2。TCON和TMOD对定时器0、1进行控制。T2CON寄存器对定时器2进行控制。“RCAP2H”，“RCAP2L”是定时器2的重装/捕捉寄存器。定时器0和1的操作与“8051”相同。定时器2为一个16位定时/计数器，通过“T2CON”设定和控制。与定时器0和1相同，定时器2可以根据“T2CON”的“C/T2”位，设定作为外部计数器或内部定时器，定时器2有三个操作模式：捕捉、自动重装和波特率发生器。捕捉或重装模式的时钟速度与定时器0和1相同。
3.晶体振荡器
“W78E516B”包含一个内置的晶体振荡器。为使振荡器工作，在“XTAL1”和“XTAL2”引脚之间必须连接一个石英晶体。此外，必须分别在这两个引脚和地之间连接负载电容。同时，当频率高于24MHz时，需要在“XTAL1”和“XTAL2”引脚间接一个电阻，以防止DC偏压。
4.时钟
“W78E516B”单片机虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外接附加电路。时钟产生方式有内部时钟方式和外部时钟方式两种。
使用外部时钟方式时，外部时钟源连接到引脚“XTAL1”上，引脚“XTAL2”悬空。晶体振荡器要求“XTAL1”上的输入是一个“CMOS”型输入，这样就要求外部时钟信号输入电压应大于3.5V。外部振荡信号输入后首先在内部进行2分频，然后才作为内部时钟信号，故“W78E516B”对外部振荡信号占空比的变化相对不敏感。
补充知识点
时钟：芯片资料上描述的单片机时钟产生方式比较概要。这里加以补充。
1.内部时钟方式
在单片机“XTAL1”和“XTAL2”引脚上外接定时元器件（最常用的方式是采用外接石英晶体和电容组成并联回路），利用单片机片内的振荡电路，在内部产生自激励，以产生时钟信号。
2.外部时钟方式
外部时钟方式是将外部振荡信号直接由“XTAL1”（对于“CMOS”型单片机）或“XTAL2”（对于HMOS型单片机）引脚进入。
外部振荡信号输入后，在内部首先通过一个2 分频的触发器而成为内部时钟信号，MCS-51单片机对外部振荡信号的占空比没有特殊要求。
3.时钟同步
当使用片内振荡器时，可以利用“XTAL1”、“XTAL2”引脚引出时钟，为其他芯片提供时钟。对于“HMOS”型单片机，由“XTAL2”引脚引出。对于“CMOS”型单片机，由“XTAL1”引脚引出。
当系统使用多单片机组成时，为便于各单片机之间的时钟同步，一般选用外部时钟方式。
5.电源管理
1）空闲模式
将“PCON” 寄存器的“IDL”位置位，系统进入空闲模式。这时连接到处理器的内部时钟被关闭。外设和中断逻辑继续工作。当有中断或复位发生时，处理器退出空闲模式。
2）掉电模式
将“PCON”寄存器的PD位置位，处理器进入掉电模式。这时包括振荡器在内的所有时钟被关闭。退出掉电模式的条件是硬件复位或外部中断触发信号。
6.减少“EMI”辐射
为了减少振荡电路中的“EMI”辐射，“W78E516B”允许用户通过编程将安全寄存器的B7位清零，来减少片内振荡放大器的增益。一旦B7置为“0”，放大器就会减少一半的增益。用户在试图减少晶振放大器增益时，必须注意：在高于24MHz的高频下运行时，减少一半的增益也许会使外部晶振工作不正常。当在较低的增益下运行时，应适当调整“XTAL1”与“XTAL2”引脚间电阻以及“XTAL1”、“XTAL2”与地间的电容大小。
7.“I/O”口P4
“I/O”口P4的地址为D8H，是一个4位多功能可编程“I/O”口。每个引脚都可以通过软件来单独设置。“I/O”口P4有4种工作方式。
● 模式0：P4.0～P4.3是与P1口功能相同的双向“I/O”口。如果外部中断
使能，P4.2、P4.3复用为
输入口。
● 模式1：P4.0～P4.3是在指定地址单元处与
信号同步的读信号。这些信号可用做外部设备的片选信号。
● 模式2：P4.0～P4.3是在指定地址单元处与
信号同步的读信号。这些信号可用做外部设备的片选信号。
● 模式3：P4.0～P4.3是在指定地址单元处与
或
信号同步的读、写信号。这些信号可用做外部设备的片选信号。
当P4口设置为片选信号时，片选信号地址根据“SFR P4xAH”，“4xAL”，“P4CONA”和“P4CONB”的内容安排。寄存器“P4xAH”和“P4xAL”包含16位基本地址。寄存器“P4CONA”和“P4CONB”为P4口工作模式的控制位。
8.中断源
如表1-2所示，传统“8051”的中断系统有5个独立的中断源，即两个外部中断申请，两个定时器/计数器中断以及一个串口中断。“W78E516B”芯片新增了三个中断：定时器/计数器2中断，外部中断2、3。两个附加的外部中断
，与标准的“80C52”中的外部中断0和1的功能相似。这些中断的功能/状态由“XICON”（外部中断控制）寄存器中的设置位表示。
表1-2 8个中断源
“W78E516B”芯片40引脚的双列直插封装（DIP40）没有外部中断2、3。读者可以参见厂家提供的相关的芯片资料。
1.2.5 时序波形图
芯片的时序分析比较有难度，但对于一个硬件工程师来说，时序分析是必须了解和掌握的。在下面的介绍中针对“W78E516B”芯片资料提供的时序波形图，详细讲解MCS-51芯片的时序，希望读者好好阅读这部分内容，在以后的电子设计中，你将受益匪浅。
1.晶振输入波形
如图1-4所示为“XTAL1”引脚输入的晶振振荡信号时序。“TCP”为振荡信号周期，一般大于20ns。“TCH”为振荡信号高电平持续时间，“TCL”为振荡信号低电平持续时间。晶振输入波形参数如表1-3所示。
图1-4 晶振输入波形
表1-3 晶振输入波形参数
注释：1.时钟在任一状态都可以停止。
2.TCP规格用做其他规格的基准。
3.“XTAL1”的输入对占空比没有要求。
本处提到的“振荡周期TCP”概念，在芯片资料中为“时钟周期”，本书为了与单片机概念统一，把晶振周期称为振荡周期，两个振荡周期构成一个时钟周期。
补充知识点
机器周期：一个机器周期由6个时钟周期组成（6个状态，S1-S6），每个时钟周期有两个振荡周期（P1和P2），共包含12个振荡周期（12个节拍），依次表示为“S1P1”、“S1P2”、“S2P1”、“S2P2”、…、“S6P1”和“S6P2”。详细内容可见第3章。
2.外部程序读取周期
在外部存储器取指令期间，P0口（PORT0）和P2口（PORT2）总共16根“I/O”线输出地址码。其中P0口作为分时复用地址/数据总线使用。外部存储器读取周期为一个机器周期，时序图如图1-5所示，图中各参数详见表1-4所示。
表1-4 外部程序读取周期参数
注释：1.在整个存储器存取周期，P0.0～P0.7, P2.0～P2.7保持稳定；
2.存储器访问时间为3Tcp；
3.内部数据锁定先于
变为高电平；
4.“△”为20ns（由于缓冲器驱动延迟和线载延迟（wire loading）。
图1-5 外部程序读取周期时序图
时序说明如下：
● P0口作为地址信号线输出线，用于输出程序存储器的低8位地址A0-A7。P2口用于输出程序存储器的高8位地址A8-A15。P2口具有锁存功能。P0口还分时复用位8位地址线，需要用“ALE”锁存信号把P0口输出的低8位地址锁存起来。
● “ALE”是地址锁存信号，该信号每有效一次就能对存储器进行一次读指令操作。“ALE”信号以振荡脉冲六分之一的频率出现。因此，在一个机器周期中（包含12个振荡周期），“ALE”信号两次有效。第一次在“S1P2”和“S2P1”期间，第二次在“S4P2”和“S5P1”期间。有效电平持续时间为一个时钟周期。
● 当“ALE”信号由高变低时，把P0端口的低8位地址选通进入地址锁存器，然后P0口变成浮置状态等待程序存储器读出指令码。P2口输出程序计数器中的高8位地址。
● 外部程序存储器读取指令时，除ALE外，还需要“PSEN”信号，用于片外程序存储器的选通。该信号从“S3P1”开始有效，片外程序存储器选通。“S4P1”时，按PC值读出的指令出现在数据总线P0上，CPU在
的上升沿前将指令读入，并寄存到指令寄存器“IR”中。即完成一次读指令操作。从“S4P2”开始第二次读指令操作。
可以看到，在访问外部程序存储器的一个周期时序中，“ALE”信号和PSEN信号两次有效，这表示在一个机器周期中，允许单片机两次访问外部程序存储器，即取出两个指令字节。对于单字节指令，由于程序计数计数器“PC”没有加1，读出的是同一条指令，第二次读出的指令无效。
本时序波形图主要是针对扩展程序存储器的。当片内ROM不够时，就需要扩展片外程序存储器。在工程项目中采用的这款芯片片内有64KB的ROM，足够满足工程的应用了，所以没有进行程序存储器的扩展，其
引脚悬空。
3.外部数据读周期
外部数据读时序由两个机器周期组成，第一个周期为取指令周期，第二个周期为读数据周期。从第二个机器周期的“S1P1”开始，读信号
变为有效，选通片外RAM，进行RAM的读操作。在S2期间，被寻址的RAM单元把有效数据送入P0口，在
信号的上升沿前，数据被读入单片机。时序图如图1-6 所示，外部数据读周期参数详见表1-5所示。
表1-5 外部数据读周期参数
注释：数据存储访问时间为8 TCP；
“△”为20ns（由于缓冲器驱动延迟和线载延迟）。
数据的读取只使用
控制线而不用
，正是因为如此，数据存储器与程序存储器地址可以完全重叠，均为“0000H-FFFFH”。
图1-6 外部数据读周期时序图
从时序图可以看到，在执行外部数据读“MOVX”指令时，“ALE”信号不是固定频率的信号，不适合作为时钟脉冲。
4.外部数据写周期
外部数据写时序与外部数据读时序相似，也是由两个机器周期组成。第一个周期为取指令周期，第二个周期为写周期。写的过程是CPU先向P0口总线传送低8位地址，然后在第一个机器周期的S6状态将数据传送到P0口。第二个机器周期的“S2P1”开始，写信号
变为有效，选通片外RAM，对外部RAM进行写操作。在
信号的上升沿前，P0口上的8位数据就写入寻址地址单元。时序图如图1-7所示，图中各参数详见表1-6所示。
表1-6 外部数据写周期参数
注释：“△”为20ns（由于缓冲器驱动延迟和线载延迟）。
图1-7 外部数据写周期时序图
5.端口访问周期
为方便起见，端口的访问时序以“ALE”为参考。在“S5P2”时，读数据。输出的数据在“S6P2”结束时才有效。端口访问周期时序图如图1-8所示，端口访问周期参数详见表1-7所示。
表1-7 端口访问周期参数
图1-8 端口访问周期时序图
6.复位
外部“RESET”信号在机器周期“S5P2”期间被采样。为使复位有效，在振荡器运行时，复位信号至少要保持两个机器周期的高电平。在复位期间，端口地址被初始化为FFH，堆栈指针为07H，“PCON”为00H（“PCON.4”特殊，复位时不对其进行清零），除“SBUF”之外的所有“SFR”寄存器为00H，“SBUF”不被复位。
当“W78E516B”应用一个外部RC网络构成复位电路时，复位引脚的内部触发电路用来防止尖峰脉冲。
1.2.6 电气特性
如表1-8所示为芯片的直流电源电压、输入电压以及工作温度、存储温度的最大绝对额定值。这几个参数很重要，若超出最大绝对额定值使用时，会对器件的可靠性和寿命造成严重损害。
表1-8 最大绝对额定值表
芯片资料中还包括DC特性、典型应用电路等内容。这些内容对于电路设计也很有参考价值，在使用时要仔细阅读。
当然，这部分只是概要地讲解了单片机的内部结构和基本原理。在本书的后续章节，将会对各部分进行更详细的分析。