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

在当今的电子设计领域，一款高性能、功能丰富且兼容性强的微控制器是众多工程师梦寐以求的。DS87C520/DS83C520 EPROM/ROM高速微控制器正是这样一款能够满足工程师多样化需求的产品。下面，我们就来深入了解一下这两款微控制器。

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1. 产品概览

DS87C520/DS83C520是与8051兼容的高速微控制器，对处理器内核进行了重新设计，消除了时钟和内存周期的浪费，执行8051指令的速度相比原始产品快了1.5到3倍。在典型应用中，使用相同代码和晶体时，速度可提升2.5倍。最高晶体速度可达33MHz，相当于实现了约82.5MHz的执行速度。

关键特性

- 80C52和8051引脚及指令集兼容，便于在现有系统中直接替代。
- 具备四个8位I/O端口、三个16位定时器/计数器和256字节暂存RAM。
- 片上内存大，拥有16kB程序内存和1kB额外片上SRAM用于MOVX操作。
- 采用高速架构，4个时钟/机器周期（8051为12个），运行时钟频率从直流到33MHz，单周期指令执行时间为121ns。
- 配备双数据指针，可选可变长度MOVX以访问快速/慢速RAM/外设。
- 具备电源管理模式，可通过可编程时钟源节省功耗。
- 有EMI降低模式，可禁用ALE信号。
- 集成度高，包含电源故障复位、预警电源故障中断和可编程看门狗定时器。
- 提供13个中断源，其中6个为外部中断。

封装形式

该微控制器提供40引脚PDIP、44引脚PLCC、44引脚TQFP和40引脚窗口式CERDIP等多种封装形式，方便不同应用场景的选择。

2. 技术亮点剖析

2.1 兼容性与性能提升

DS87C520/DS83C520与8051家族完全静态CMOS兼容，在大多数情况下，可直接插入现有8xc51家族的插座，显著提升系统性能。虽然对8051用户来说操作熟悉，但它引入了许多新特性。不过，由于其执行指令速度远快于原始8051，在关键时序方面需要特别注意。

这些微控制器运行标准的8051家族指令集，提供三个16位定时器/计数器、两个全双工串行端口、256字节直接RAM和1kB额外的MOVX RAM。I/O端口操作与标准8051产品相同，定时器默认采用12个时钟/周期运行，以保持与原始8051家族系统的时序兼容性，但也可单独编程为新的4个时钟/周期。

2.2 高速架构优势

其高速架构的核心在于消除了标准8051中存在的虚拟内存周期。传统8051使用时钟频率除以12来生成机器周期，而DS87C520/DS83C520仅需4个时钟。因此，在相同晶体频率下，最快的单机器周期指令执行速度提高了3倍。大多数指令可实现3:1的速度提升，部分指令的提升幅度在1.5到2.4:1之间，所有指令的执行速度都比原始8051快。平均而言，所有操作码的速度提升约为2.5:1，这使得任何代码都有可能实现显著的速度改进，其峰值指令周期可达121ns（8.25 MIPs）。此外，双数据指针功能在进行内存块移动时可消除不必要的指令，提高操作效率。

2.3 指令集与特殊功能寄存器

所有指令的功能与8051对应指令相同，但执行时间有所不同。在绝对和相对时钟数量上，指令的计时都发生了变化。对于实时事件的精确计时，可参考《高速微控制器用户指南》中的表格进行软件循环计时。计数器/定时器默认以12个时钟/增量运行，以确保基于定时器的事件按标准间隔发生，同时允许软件以更高速度执行。若需要，定时器也可选择以4个时钟/增量运行，以充分利用处理器的高速性能。

特殊功能寄存器（SFRs）控制着DS87C520/DS83C520的大多数特殊特性。通过在软件中定义SFR到汇编器或编译器的等号语句，即可访问新功能，这使得微控制器在使用相同指令集的同时具备更多新特性。

2.4 内存资源管理

DS87C520/DS83C520采用与8051相同的三个内存区域，总内存配置为16kB ROM、1kB数据SRAM和256字节暂存或直接RAM。1kB的数据SRAM可通过MOVX指令进行读写操作，不用于可执行内存。暂存区的256字节寄存器映射RAM与80C52上的RAM相同。这两个内存区域使用不同的寻址模式和指令，不会发生冲突或重叠。

2.5 电源管理模式

除了标准80C52的空闲和掉电（停止）模式外，DS87C520/DS83C520还提供了一种新的电源管理模式（PMM）。在默认操作中，微控制器使用4个时钟/机器周期，指令周期速率为Clock/4。在PMM模式下，微控制器继续运行，但使用内部分频的时钟源，提供(Clock/64)和(Clock/1024)两种降低的指令周期速度选择，从而显著降低功耗。与空闲模式相比，PMM模式能提供更低的功耗，且唤醒速度更快，因此在新设计中更具优势。

此外，还支持无晶体PMM模式，可将CPU操作切换到内部环形振荡器并关闭晶体放大器，进一步节省0.5mA到6.0mA的功耗。PMM模式的操作通过设置SFR区域中的相应位来实现，包括选择分频速度和时钟源。退出PMM模式可通过软件或硬件实现。

2.6 电磁干扰（EMI）降低

在基于8051的系统中，ALE信号的切换是辐射噪声的主要来源之一。DS87C520/DS83C520允许软件通过将ALEOFF（PMR.2）位设置为1来禁用ALE信号。当ALEOFF = 1时，在进行片外MOVX操作时ALE仍会切换，但在进行片上内存访问时，ALE将保持静态模式，从而有效降低电磁干扰。

2.7 外设功能

DS87C520/DS83C520提供了多个在基于微计算机的系统中常用的外设功能：

• 串行端口：除了与80C52相同的串行端口（UART）外，还包括一个完全复制的第二硬件串行端口，可选择使用P1.2（RXD1）和P1.3（TXD1）引脚。两个端口可同时运行，且波特率和工作模式可独立设置。
• 定时器速率控制：与8051不同，DS87C520/DS83C520的定时器和串行端口在复位时默认采用12个时钟/周期运行，以确保现有代码的兼容性。若需要更高的定时器速度或串行波特率，可通过时钟控制寄存器（CKCON）单独选择定时器以4个时钟/周期运行。
• 电源故障复位：使用精密带隙电压基准来判断VCC是否超出容差范围。在上电过程中，内部监控电路会保持复位状态，直到VCC上升到VRST水平以上，然后启动晶体振荡器并计数65,536个时钟，最后退出复位状态。在电源故障或电压下降时，监控电路会自动产生并保持复位信号。
• 电源故障中断：带隙电压基准还可生成可选的早期预警电源故障中断（PFI）。当软件启用该中断时，若VCC下降到VPFW以下，处理器将跳转到程序内存地址0033h。PFI具有最高优先级，其使能位位于看门狗控制SFR（WDCON–D8h）中，软件可读取PFI标志并手动清除。
• 看门狗定时器：为防止软件失控，DS87C520/DS83C520包含一个可编程看门狗定时器。它是一个自由运行的定时器，若允许其达到预选择的超时时间，将设置一个标志。软件可选择该标志作为复位源，同时必须在定时器超时前重新启动它，否则处理器将被复位。软件可从四个超时值中进行选择，定时器的功能由多个SFR控制，并提供了一个中断选项，可在调试或作为时间基发生器使用。

3. 安全性与编程

3.1 DS87C520的安全性与编程

DS87C520采用了标准的三级锁机制，限制对EPROM内容的查看。同时，64字节的加密阵列允许授权用户以加密形式验证内存，确保数据的安全性。编程时，微控制器应在4MHz至6MHz的时钟速度下运行，编程夹具需按要求提供地址、数据和控制信号。具体的编程步骤包括应用地址和数据值、选择编程选项、调整VPP电压、脉冲PROG信号等。

3.2 DS83C520的安全性与编程

DS83C520是DS87C520的工厂掩膜ROM版本，支持部分DS87C520的EPROM特性。它也采用了锁机制和加密阵列来保护ROM内容，可使用标准的EPROM编程器验证内存内容。

4. 电气特性

4.1 绝对最大额定值

DS87C520/DS83C520规定了引脚电压、VCC电压、工作温度范围、存储温度和焊接温度等绝对最大额定值，使用时应确保不超出这些范围，以保证设备的可靠性。

4.2 直流电气特性

在给定的VCC和温度范围内，详细列出了供电电压、电源故障警告电压、最小工作电压、各种模式下的供电电流、输入输出电平、输入电流等直流电气参数。这些参数为电路设计提供了重要的参考依据。

4.3 交流电气特性

包括振荡器频率、ALE脉冲宽度、地址和数据的建立与保持时间、PSEN信号的时序等交流电气参数。这些参数对于确保微控制器与外部设备的正确通信和操作至关重要。

5. 经验与思考

在实际应用中，DS87C520/DS83C520的高性能和丰富功能为电子工程师带来了诸多便利。但在使用过程中，也需要注意一些问题：

• 时序调整：由于其高速特性，在关键时序设计时，需要仔细考虑指令执行时间的变化，特别是在与原有8051系统兼容的设计中，要确保定时器和串行端口的时序匹配。
• 电源管理优化：合理利用电源管理模式（PMM）可以显著降低系统功耗，但需要注意在切换时钟源和频率时的时序要求，避免影响系统的正常运行。
• 安全性设置：对于安全性要求较高的应用，如涉及敏感数据的存储和处理，应正确设置锁位和加密阵列，确保设备的安全性。

DS87C520/DS83C520以其卓越的性能、丰富的功能和良好的兼容性，为电子工程师提供了一个强大的解决方案。无论是在工业控制、智能家居还是消费电子等领域，都具有广阔的应用前景。希望通过本文的介绍，能让更多工程师对这两款微控制器有更深入的了解，从而在实际设计中充分发挥它们的优势。你在使用类似微控制器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验。