CF系列单片机的发展和应用.doc

.C8051F系列单片机的发展和应用摘要：C8051F系列单片机的推出，使单片机进入SoC ( System on Chip )时代。C8051F系列单片机功能强大,能够作为嵌入式系统的主控制器，具有上手快(全兼容8051指令集)、研发快(开发工具易用，可缩短研发周期)和见效快(调试手段灵活)等特点，使得C8051F系列单片机得到广泛的应用。本文首先对C8051F系列单片机做了大概的介绍，之后详细分析说明了它的原理机制，介绍了C8051F系列单片机的特点，阐述了它的发展和应用。关键词：C8051F SoC 发展应用前言在嵌入式系统低端的单片机领域, 80C51系列一直扮演着一个重要角色,近年来,由于80C51的速度低(每一条指令至少需要12个时钟周期) ,功耗高(几毫安到几十毫安) ,功能少(不能直接处理模拟信号)等等, 80C51系列单片机似乎已经走道了尽头,然而当前CYGNAL公司推出的C8051F系列单片机又将80C51兼容单片机推上了8位机的先进行列,使80C51系列从MCU时代进入到了SoC ( System on Chip )时代。 SoC是随着半导体生产技术的不断发展而产生的新概念,它是集成度越来越高和对嵌入式控制技术可靠性越来越高的产物1 。 SoC是指片上系统或系统级芯片, SoC的完整定义为:在同一个芯片上集成了控制部件(微处理器,存储器)和执行部件( I/O接口,微型开关,微机械) ,能够自成体系,独立工作的芯片。因此, C8051F系列单片机功能强大,能够作为嵌入式系统的主控制器。本文主要介绍了C8051F系列单片机的特点，以及它的发展和应用。一 C8051F系列单片机简介C8051F系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8051兼容的CIP-51微控制器内核，采用流水线结构，单周期指令运行速度是8051的12倍，全指令集运行速度是原来的9.5倍。C8051F020的内部电路包括CIP-51微控制器内核及RAM、ROM、IO口、定时计数器、ADC、DAC、PCA（Printed Circuit Assembly 印制电路组装）、SPI（Serial Peripheral Interface-串行外设接口）和SMBus（System Management Bus）等部件，即把计算机的基本组成单元以及模拟和数字外设集成在一个芯片上，构成一个完整的片上系统(SoC) 2。C8051F 单片机与MCS-51 指令集完全兼容，片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟、数字外设及其他功能部件；内置FLASH 程序存储器、内部RAM，大部分器件内部还有位于外部数据存储器空间的RAM，即XRAM。C8051F 单片机具有片内调试电路，通过4 脚的JTAG接口可以进行非侵入式、全速的在系统调试。C8051Fxxx 单片机采用流水线结构，机器周期由标准的12 个系统时钟周期降为1 个系统时钟周期，处理能力大大提高，峰值性能可达25MIPS。C8051Fxxx 单片机是真正能独立工作的片上系统（SOC）。每个MCU 都能有效地管理模拟和数字外设，可以关闭单个或全部外设以节省功耗。FLASH 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051 固件。应用程序可以使用MOVC 和MOVX 指令对FLASH 进行读或改写，每次读或写一个字节。这一特性允许将程序存储器用于非易失性数据存储以及在软件控制下更新程序代码。片内 JTAG 调试支持功能允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU 进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。在使用JTAG 调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。每个 MCU 都可在工业温度范围（-45到+85）内用2.7V-3.6V（F018/019 为2.8V-3.6V）的电压工作。端口I/O、/RST 和JTAG 引脚都容许5V 的输入信号电压。二 C8051系列单片机的特点C8051F具有上手快(全兼容8051指令集)、研发快(开发工具易用，可缩短研发周期)和见效快(调试手段灵活)的特点，其性能优势具体体现在以下方面： 1，基于高性能增强的CIP-51内核，其指令集与MCS-51完全兼容，具有标准8051的组织架构，可以使用标准的803x/805x汇编器和编译器进行软件开发；2，增加了中断源。中断系统向CIP-51提供22个中断源，允许大量的模拟和数字外设中断；3，集成了丰富的模拟资源。绝大部分的C8051F系列单片机都集成了单个或两个ADC，在片内模拟开关的作用下可实现对多路模拟信号的采集转换；4，具有独立的片内时钟源(精度最高可达0.5%)，设计人员既可选择外接时钟，也可直接应用片内时钟，同时可以在内外时钟源之间自如切换；5，复位方式多样化，C8051F把80C51单一的外部复位发展成多源复位；6，从传统的仿真调试到基于JTAG接口的在系统调试3。三 C8051F系列单片机的发展单片机自20世纪70年代末诞生至今，经历了单片微型计算机SCM、微控制器MCU及片上系统SoC三大阶段，前两个阶段分别以MCS-51和80C51为代表。随着在嵌入式领域中对单片机的性能和功能要求越来越高，以往的单片机无论是运行速度还是系统集成度等多方面都不能满足新的设计需要，这时Silicon Labs 公司推出了C8051F系列单片机，成为SoC的典型代表4。随着技术的发展，C8051F系列单片机在CPU结构、CPU外围、功能外围、外围接口和集成开发环境方面都会迅速地发展，这又会是一个十分活跃而新兴的嵌入式领域。80C51系列从Intel公司的MCS-51发展到Silabs公司的C8051F的过程充分地说明了这一点。当前Silabs公司发展的C8051F系列，在许多方面已超出当前8位单片机水平，发展和更新了许多新的技术：1，采用CIP-51内核大力提升CISC结构运行速度Silabs公司在提升8051速度上，推出了CIP-51的CPU模式。在这种模式中，废除了机器周期的概念，指令以时钟周期为运行单位。平均每个时钟执行完1条单周期指令，大大提高了指令运行速度。2，I/O从固定方式到交叉开关配置在C8051F中采用开关网络以硬件方式实现I/O端口的灵活配置。在这种通过交叉开关配置的I/O端口系统中，单片机外部为通用I/O口，如P0口、P1口和P2口。内有输入/输出的电路单元，通过相应的配置寄存器控制的交叉开关配置到所选择的端口上。3，从系统时钟到时钟系统C8051F提供了一个完整而先进的时钟系统。当程序运行时，可实现内外时钟的动态切换。编程选择的时钟输出CYSCLK除供片内使用外，还可从随意选择的I/O端口输出。4，从传统的仿真调试到基于JTAG接口的在系统调试C8051F率先配置了标准的JTAG接口（IEEE1149.1）。C8051F的JTAG接口不仅支持Flash ROM的读/写操作及非侵入式在系统调试，它的JTAG逻辑还为在系统测试提供边界扫描功能。通过边界寄存器的编程控制，可对所有器件引脚、SFR总线和I/O口弱上拉功能实现观察和控制。5，从引脚复位到多源复位C8051F把80C51单一的外部复位发展成多源复位。众多的复位源为保障系统的安全、操作的灵活性以及零功耗系统设计带来好处。6，最小功耗系统的最佳支持C8051F实现了片内模拟与数字电路的3 V供电（电压范围2.73.6 V），大大降低了系统功耗，众多的复位源使系统在掉电方式下，可随意唤醒，从而可灵活地实现零功耗系统设计5。四 C8051F系列单片机的应用熟悉NCS-51系列单片机的工程技术人员可以很容易地掌握C8051F的应用技术并能进行软件的移植。但是不能将8051的程序完全照搬的应用于C8051F单片机中，这是因为两者的内部资源存在较大的差异，必须经过加工才能予以使用6。其中C8051F020以其功能较全面，应用较广泛的特点成为C8051F的代表性产品，其性能价格比在目前应用领域也极具竞争力。SoC是嵌入式应用系统的最终形态。嵌入式系统应用中除了最底层最广泛应用的单片机外，基于PLD、硬件描述语言的EDA模式，基于IP库的微电子ASIC模式等，形成了众多的SoC解决方法。无论是微电子集成，还是PLD的可编程设计，或是单片机的模拟混合集成，目的都是SoC，手段也会逐渐形成基于处理器内核加上外围IP单元的模式。作为8位经典结构的8051已开始为众多厂家承认，并广泛用于SoC的处理器内核。1，从单片机向SoC发展的8051内核按系统要求不断扩展外围功能、外围接口以及系统要求的模拟、数字混合集成。在向SoC发展过程中，许多厂家引入8051内核构成SoC单片机。Silabs公司为8051配置了全面的系统驱动控制、前向/后向通道接口，构成了较全面的通用型SoC。2，80C51内核在PLD中的SoC应用随着IP核及处理器技术的发展，从事可编程逻辑器件的公司，在向SoC进军时，几乎都会将微处理器、存储单元、通用IP模块集成到PLD中构成可配置的SoC芯片（CSoC）7。当设计人员使用这样的芯片开发产品时，由于系统设计所需部件已有80%集成在CSoC上，设计者可以节省许多精力。3，8051内核在可编程选择SoC（PSOC）器件中的应用完全基于通用IP模块，由可编程选择来构成产品SoC的设想是由Cypress公司倡导并推出的。这种可编程选择的SoC取名为PSoC，由基本的CPU内核和预设外围部件组成。Cypress将多种数字和模拟器件、微处理器、处理器外围单元、外围接口电路集成到PSoC上，用户只需按产品的功能构建自己的产品系统即可8。结束语Silicon Labs 公司C8051F系列单片机作为SoC芯片的杰出代表能够满足绝大部分场合的复杂功能要求，并在嵌入式领域的各个场合都得到了广泛的应用：在工业控制领域，其丰富的模拟资源可用于工业现场多种物理量的监测、分析及控制和显示；在便携式仪器领域，其低功耗和强大的外设接口也非常适合各种信号的采集、存储和传输；此外，新型的C8051F5xx系列单片机也在汽车电子行业中崭露头角。此系列单片机完全兼容MCS-51指令集，容易上手，开发周期短，大大节约了开发成本。正是这些优势，使得C8051单片机在进入中国市场的短短几年内就迅速风靡，相信随着新型号的不断推出以及推广力度的不断加大，C8051系列单片机将迎来日益广阔的发展空间，成为嵌入式领域的时代宠儿。参考文献 1曾繁泰,王强,盛娜, 等. EDA工程的理论与实践- SoC系统芯片的设计M . 北京:电子工业出版社, 2003.2潘琢金, 施国君. C8015FXXX高速SOC单片机原理及应用M . 北京: 北京航空航天大学出版社, 2008.3李刚,林凌. 与8051兼容的高性能,高速单片机- C8051FxxxM . 北京:北京航空航天大学出版社, 2007.4Atmel Corporation . AT45DB081芯片数据手册M . 沈阳:沈阳新华龙公司, 2010.5Cygnal Integratged Products, Ins. Cygnal F020单片机数据手册M . 沈阳:沈阳新华龙公司, 2006.6Cygnal Integratged Products, Ins. C8051F单片机应用解析M . 潘琢金,孙德龙,夏秀峰译