C8051F系列单片机的发展和应用

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、I／O 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