單片機(jī)補(bǔ)充1課件

一、8位單片機(jī)發(fā)展之路8位單片機(jī)誕生已近30年，在眾多單片機(jī)中，MCS-51以經(jīng)典的體系結(jié)構(gòu)、極好的兼容性保持著8051內(nèi)核的生命延續(xù)，擔(dān)當(dāng)8位CPU內(nèi)核的重任。1、嵌入式應(yīng)用中的8位機(jī)現(xiàn)象

8位單片機(jī)誕生至今，始終是嵌入式低端應(yīng)用的主要機(jī)型，嵌入式系統(tǒng)主要是對外界物理參數(shù)進(jìn)行采集、處理，對外界對象實(shí)現(xiàn)控制，并與操作者進(jìn)行人機(jī)交互等。時(shí)間響應(yīng)有限。而現(xiàn)代通信技術(shù)要求單片機(jī)提高運(yùn)算速度。則可采用RISC結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)并行流水線作業(yè)，CISC結(jié)構(gòu)的C8051F采用CIP-8051結(jié)構(gòu)，使單周期指令速度提高到原8051的12倍。鑒于嵌入式低端應(yīng)用對象的有限響應(yīng)要求、嵌入式系統(tǒng)低端應(yīng)用的巨大市場以及8位機(jī)具有的速度潛力，可以預(yù)期在未來相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，8位機(jī)仍然是嵌入式應(yīng)用中的主流機(jī)型。

2、8位單片機(jī)中的80C51現(xiàn)象及3次技術(shù)飛躍在8位單片機(jī)中，80C51系列歷史最長，不斷更新，形成了既具有經(jīng)典性，又不乏生命力的一個(gè)單片機(jī)系列?？偨Y(jié)80C51系列的發(fā)展歷史，可以看出單片機(jī)的3次技術(shù)飛躍。2.1從MCS-51到MCU的第1次飛躍Intel公司于1980年推出的MCS-51奠定了單片機(jī)的經(jīng)典體系結(jié)構(gòu)，但不久就放棄了進(jìn)一步發(fā)展計(jì)劃，并實(shí)施了8051的技術(shù)開放政策。無論從主觀因素還是客觀因素，都是明智之舉。因?yàn)樵趧?chuàng)建一個(gè)完善的嵌入式計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)后，面臨的是不斷滿足嵌入式對象要求的各種控制功能。在8051實(shí)現(xiàn)開放后，PHILIPS公司著力發(fā)展80C51的控制功能及外圍單元。將MCS-51的單片微型計(jì)算機(jī)迅速地推進(jìn)到80C51的MCU時(shí)代，形成了可滿足大量嵌入式應(yīng)用的單片機(jī)系列產(chǎn)品。2.2引領(lǐng)FlashROM潮流的第2次飛躍當(dāng)前，單片機(jī)普遍采用FlashROM技術(shù)，加速了單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展?；贔lash的ISP/IAP技術(shù)，極大地改變了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式以及開發(fā)和運(yùn)行條件；在單片機(jī)中最早實(shí)現(xiàn)FlashROM技術(shù)的是ATMEL公司的AT89Cxx系列。2.3內(nèi)核化SoC的第3次飛躍當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)入SoC模式，在這個(gè)技術(shù)潮流中，80C51又扮演了嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核的重要角色。在MCU向SoC過渡的數(shù)、?；旌霞傻倪^程中：ADI公司推出了ADμC8xx系列，

Silabs公司則實(shí)現(xiàn)了完全SoC的C8051F系列。3.2、I/O從固定方式到交叉開關(guān)配置迄今為止，I/O端口大都是固定為某個(gè)特殊功能，可以是單功能或多功能，I/O端口可編程選擇為單向/雙向以及上拉、開漏等。固定方式的I/O端口，既占用引腳多，配置又不夠靈活。

為此，在Silabs公司的C8051F中，則采用開關(guān)網(wǎng)絡(luò)以硬件方式實(shí)現(xiàn)I/O端口的靈活配置，在這種通過交叉開關(guān)配置的I/O端口系統(tǒng)中，單片機(jī)外部為通用I/O口，如P0口、P1口和P2口。內(nèi)部則有輸入/輸出的電路單元通過相應(yīng)的配置寄存器控制的交叉開關(guān)配置到所選擇的端口上。3.3、從單一時(shí)鐘到多個(gè)時(shí)鐘1、早期單片機(jī)都是用1個(gè)時(shí)鐘控制片內(nèi)所有時(shí)序。2、進(jìn)入CMOS時(shí)代后，由于低功耗設(shè)計(jì)的要求，出現(xiàn)了在一個(gè)主時(shí)鐘下CPU運(yùn)行速度可選擇在不同的時(shí)鐘頻率下操作；或設(shè)置成高、低兩個(gè)主時(shí)鐘，按系統(tǒng)操作要求選擇合適的時(shí)鐘速度，或關(guān)閉時(shí)鐘。但時(shí)鐘源還是1個(gè)。3、而C8051F則提供了一個(gè)完整而先進(jìn)的時(shí)鐘系統(tǒng)：(1)片內(nèi)設(shè)置有一個(gè)可編程的時(shí)鐘振蕩器(無需外部器件);(2)片外振蕩器可選擇4種方式，如RC、無源、有源晶振等;(3)片內(nèi)有PLL電路，可采用內(nèi)、外振蕩源，進(jìn)行倍頻;(4)當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，可在線實(shí)現(xiàn)內(nèi)外時(shí)鐘的動(dòng)態(tài)切換。(5)系統(tǒng)時(shí)鐘除片內(nèi)使用外，還可從隨意選擇的I/O端口輸出3.4、從傳統(tǒng)的仿真調(diào)試到基于JTAG接口的在系統(tǒng)調(diào)試C8051F在8位單片機(jī)中率先配置了標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口，引入JTAG接口將使8位單片機(jī)傳統(tǒng)的仿真調(diào)試產(chǎn)生徹底的變革。在上位機(jī)軟件支持下，通過串行的JTAG接口直接對產(chǎn)品系統(tǒng)進(jìn)行仿真調(diào)試。C8051F的JTAG接口不僅支持FlashROM的讀/寫操作及非侵入式在系統(tǒng)調(diào)試，它的JTAG邏輯還為在系統(tǒng)測試提供邊界掃描功能。通過邊界寄存器的編程控制，可對所有器件引腳、SFR總線和I/O口弱上拉功能實(shí)現(xiàn)觀察和控制。

3.6、最小功耗系統(tǒng)的最佳支持在CMOS系統(tǒng)中，按照CMOS電路的特點(diǎn)，其系統(tǒng)功耗WS=CV2f，C為負(fù)載電容，V為電源電壓，f為時(shí)鐘頻率。

C8051F是8位機(jī)中首先擺脫5V供電的單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了片內(nèi)模擬與數(shù)字電路的3V供電，大大降低了系統(tǒng)功耗；完善的時(shí)鐘系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)在滿足響應(yīng)速度要求下，使系統(tǒng)的平均時(shí)鐘頻率最低；眾多的復(fù)位源使系統(tǒng)在掉電方式下，可隨意喚醒，從而可靈活地實(shí)現(xiàn)零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)。C8051F雖然擺脫了5V供電，但仍可與5V電路方便地連接。所有I/O端口可以接收5V邏輯電平的輸入，在選擇開漏加上拉電阻到5V后，也可驅(qū)動(dòng)5V的邏輯器件。

二、C8051F高速單片機(jī)簡介C8051F系列單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，具有與8051兼容的微控制器內(nèi)核，與MCS-51指令集完全兼容。除了具有標(biāo)準(zhǔn)8052的數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設(shè)及功能部件。包括模擬多路選擇器MUX、可編程增益放大器PGA、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、SMBus/I2C、UART、SPI、可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列（PCA）、定時(shí)器、數(shù)字I/O端口、電源監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器（WDT）和時(shí)鐘振蕩器等。所有器件都有內(nèi)置的FLASH程序存儲(chǔ)器和256字節(jié)的內(nèi)部RAM，有些器件內(nèi)部還有位于外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間的RAM，即XRAM。C8051F單片機(jī)采用指令流水線結(jié)構(gòu)，機(jī)器周期由標(biāo)準(zhǔn)的12個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期降為1個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，處理能力大大提高，峰值性能可達(dá)100MIPS。C8051F單片機(jī)是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)(SOC)。每個(gè)MCU都能有效地管理模擬和數(shù)字外設(shè)，可以關(guān)閉單個(gè)或全部外設(shè)以節(jié)省功耗。FLASH存儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場更新8051固件。每個(gè)MCU都可在工業(yè)溫度范圍（-45℃到+85℃）內(nèi)，用2.7V-3.6V的電壓工作。端口I/O、/RST和JTAG引腳都容許5V的輸入信號(hào)電壓。

(6)CIP-51提供22個(gè)中斷源(標(biāo)準(zhǔn)8051只有6個(gè)中斷源)，允許大量的模擬和數(shù)字外設(shè)中斷微控制器。

(7)MCU可有多達(dá)7個(gè)復(fù)位源：一個(gè)片內(nèi)VDD監(jiān)視器、一個(gè)看門狗定時(shí)器、一個(gè)時(shí)鐘丟失檢測器、一個(gè)由比較器0提供的電壓檢測器、一個(gè)強(qiáng)制軟件復(fù)位、CNVSTR引腳及/RST引腳。

(8)MCU內(nèi)部有一個(gè)能獨(dú)立工作的時(shí)鐘發(fā)生器，在復(fù)位后被默認(rèn)為系統(tǒng)時(shí)鐘。如有需要，時(shí)鐘源可以在運(yùn)行時(shí)切換到外部振蕩器。外部振蕩器可以使用晶體、陶瓷諧振器、電容、RC或外部時(shí)鐘源產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘。C8051F12X系列內(nèi)部還有PLL倍頻電路，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)的外頻、內(nèi)頻機(jī)制，在不增加電磁干擾的前提下，提高系統(tǒng)的工作速度。2、存儲(chǔ)器

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，尋址范圍為64k。

(1)CIP-51有標(biāo)準(zhǔn)8052的程序和數(shù)據(jù)地址配置。包括：256字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM，其中高128字節(jié)為兩個(gè)地址空間：用間接尋址訪問通用RAM的高128字節(jié)，用直接尋址訪問128字節(jié)的SFR地址空間。低128字節(jié)可用直接或間接尋址方式訪問。前32個(gè)字節(jié)為4個(gè)通用工作寄存器區(qū)，接下來的16字節(jié)為位尋址區(qū)。

(2)某些器件中還另有位于外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間的1K-8K字節(jié)的RAM塊，即XRAM。

程序存儲(chǔ)器為8K-128K字節(jié)的FLASH，以512字節(jié)為一個(gè)扇區(qū)，可以在系統(tǒng)編程，且不需在片外提供編程電壓。3、可編程數(shù)字I/O和交叉開關(guān)C8051F具有標(biāo)準(zhǔn)8051兼容的I/O端口，工作情況與標(biāo)準(zhǔn)8051相似，但有一些改進(jìn)：

(1)每個(gè)端口I/O引腳都可以配置為推挽或漏極開路輸出。在標(biāo)準(zhǔn)8051中固定的“弱上拉”可以被禁止，這為低功耗應(yīng)用提供了進(jìn)一步節(jié)電的能力。