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1、单片机原理及其应用南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院补充知识一：补充知识一：C8051F高速单片机高速单片机一、一、8位单片机发展之路位单片机发展之路 8位单片机诞生已近位单片机诞生已近30年，在众多单片机中，年，在众多单片机中，MCS-51以经以经典的体系结构、极好的兼容性保持着典的体系结构、极好的兼容性保持着8051内核的生命延续，担内核的生命延续，担当当8位位CPU内核的重任。内核的重任。1、嵌入式应用中的、嵌入式应用中的8位机现象位机现象 8位单片机诞生至今，始终是嵌入式低端应用的主要机型位单片机诞生至今，始终是嵌入式低端应用的主要机型，嵌
2、入式系统主要是对外界物理参数进行采集、处理，对外界对嵌入式系统主要是对外界物理参数进行采集、处理，对外界对象实现控制，并与操作者进行人机交互等。时间响应有限。象实现控制，并与操作者进行人机交互等。时间响应有限。 而现代通信技术要求单片机提高运算速度。则可采用而现代通信技术要求单片机提高运算速度。则可采用RISC结构实现并行流水线作业，结构实现并行流水线作业，CISC结构的结构的C8051F采用采用CIP-8051结构，使单周期指令速度提高到原结构，使单周期指令速度提高到原8051的的12倍。倍。鉴于嵌入式低端应用对象的有限响应要求、嵌入式系统鉴于嵌入式低端应用对象的有限响应要求、嵌入式系统低端
3、应用的巨大市场以及低端应用的巨大市场以及8位机具有的速度潜力，可以预期在位机具有的速度潜力，可以预期在未来相当长的时间内，未来相当长的时间内，8位机仍然是嵌入式应用中的主流机型。位机仍然是嵌入式应用中的主流机型。 单片机原理及其应用南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院补充知识一：补充知识一：C8051F高速单片机高速单片机2、8位单片机中的位单片机中的80C51现象及现象及3次技术飞跃次技术飞跃在在8位单片机中，位单片机中，80C51系列历史最长，不断更新，形成了系列历史最长，不断更新，形成了既具有经典性，又不乏生命力的一个单片机系列。总结既具有经典
4、性，又不乏生命力的一个单片机系列。总结80C51系系列的发展历史，可以看出单片机的列的发展历史，可以看出单片机的3次技术飞跃次技术飞跃。2.1 从从MCS-51到到MCU的第的第1次飞跃次飞跃Intel公司于公司于1980年推出的年推出的MCS-51奠定了单片机的经典体系奠定了单片机的经典体系结构，但不久就放弃了进一步发展计划，并实施了结构，但不久就放弃了进一步发展计划，并实施了8051的技术的技术开放政策。无论从主观因素还是客观因素，都是明智之举。因开放政策。无论从主观因素还是客观因素，都是明智之举。因为在创建一个完善的嵌入式计算机体系结构后，面临的是不断为在创建一个完善的嵌入式计算机体系结
5、构后，面临的是不断满足嵌入式对象要求的各种控制功能。在满足嵌入式对象要求的各种控制功能。在8051实现开放后，实现开放后，PHILIPS公司公司着力发展着力发展80C51的控制功能及外围单元。将的控制功能及外围单元。将MCS-51的单片微型计算机迅速地推进到的单片微型计算机迅速地推进到80C51的的MCU时代，形成了时代，形成了可满足大量嵌入式应用的单片机系列产品。可满足大量嵌入式应用的单片机系列产品。单片机原理及其应用南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院补充知识一：补充知识一：C8051F高速单片机高速单片机2.2 引领引领Flash ROM潮流的
6、第潮流的第2次飞跃次飞跃当前，单片机普遍采用当前，单片机普遍采用Flash ROM技术，加速了单片机技技术，加速了单片机技术的发展。基于术的发展。基于Flash的的ISP/IAP技术，极大地改变了单片机应技术，极大地改变了单片机应用系统的结构模式以及开发和运行条件；在单片机中最早实现用系统的结构模式以及开发和运行条件；在单片机中最早实现Flash ROM技术的是技术的是ATMEL公司的公司的AT89Cxx系列系列。 2.3 内核化内核化SoC的第的第3次飞跃次飞跃当前嵌入式系统应用进入当前嵌入式系统应用进入SoC模式，在这个技术潮流中，模式，在这个技术潮流中，80C51又扮演了嵌入式系统内核的
7、重要角色。又扮演了嵌入式系统内核的重要角色。 在在MCU向向SoC过渡的数、模混合集成的过程中：过渡的数、模混合集成的过程中： ADI公司公司推出了推出了ADC8xx系列，系列， Silabs公司公司则实现了完全则实现了完全SoC的的C8051F系列。系列。单片机原理及其应用南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院补充知识一：补充知识一：C8051F高速单片机高速单片机3、C8051F对对80C51的技术突破的技术突破 当前当前Silabs公司的公司的C8051F系列，采用了许多新技术，性能系列，采用了许多新技术，性能大大超出当前大大超出当前8位单片机水
8、平，甚至低端的位单片机水平，甚至低端的16位位DSP水平。水平。3.1、采用、采用CIP-51内核大力提升内核大力提升CISC结构运行速度结构运行速度普通普通MCS-51已成为已成为8位机中运行最慢的系列。位机中运行最慢的系列。DALLAS公公司和司和PHILIPS公司采用传统的改变总线速度的办法，将机器公司采用传统的改变总线速度的办法，将机器周期从周期从12个缩短到个缩短到4个和个和6个，速度提升有限。个，速度提升有限。Silabs公司则设法在保持指令系统不变的情况下，实行指令公司则设法在保持指令系统不变的情况下，实行指令流水作业，推出了流水作业，推出了CIP-51的的CPU模式。在这种模式
9、中，以时模式。在这种模式中，以时钟周期为指令运行单位。每个时钟可执行钟周期为指令运行单位。每个时钟可执行1条单周期指令，从条单周期指令，从而大大提高了指令运行速度。与而大大提高了指令运行速度。与8051相比，在相同时钟下单相比，在相同时钟下单周期指令运行速度为原来的周期指令运行速度为原来的12倍；整个指令集平均运行速度倍；整个指令集平均运行速度为原来的为原来的9.5倍，使倍，使8051兼容机系列进入了兼容机系列进入了8位高速单片机行位高速单片机行列。列。单片机原理及其应用南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院补充知识一：补充知识一：C8051F高速单片
10、机高速单片机3.2、I/O从固定方式到交叉开关配置从固定方式到交叉开关配置迄今为止，迄今为止，I/O端口大都是固定为某个特殊功能，可以是单端口大都是固定为某个特殊功能，可以是单功能或多功能，功能或多功能，I/O端口可编程选择为单向端口可编程选择为单向/双向以及上拉、双向以及上拉、开漏等。开漏等。固定方式的固定方式的I/O端口，既占用引脚多，配置又不够灵端口，既占用引脚多，配置又不够灵活。活。 为此，在为此，在Silabs公司的公司的C8051F中，则采用开关网络以硬件方中，则采用开关网络以硬件方式实现式实现I/O端口的灵活配置，在这种通过交叉开关配置的端口的灵活配置，在这种通过交叉开关配置的I
11、/O端口系统中，单片机外部为通用端口系统中，单片机外部为通用I/O口，如口，如P0口、口、P1口和口和P2口。口。内部则有输入内部则有输入/输出的电路单元通过相应的配置寄存器控制的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。交叉开关配置到所选择的端口上。单片机原理及其应用南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院补充知识一：补充知识一：C8051F高速单片机高速单片机3.3、从单一时钟到多个时钟、从单一时钟到多个时钟1、早期单片机都是用、早期单片机都是用1个时钟个时钟控制片内所有时序。控制片内所有时序。 2、进入、进入CMOS时代
12、后，由于低功耗设计的要求，出现了在时代后，由于低功耗设计的要求，出现了在一个主时钟下一个主时钟下CPU运行速度可选择在不同的时钟频率下操作；或运行速度可选择在不同的时钟频率下操作；或设置成高、低两个主时钟，按系统操作要求选择合适的时钟速度，设置成高、低两个主时钟，按系统操作要求选择合适的时钟速度，或关闭时钟。但或关闭时钟。但时钟源还是时钟源还是1个个。 3、而、而C8051F则提供了一个完整而先进的时钟系统：则提供了一个完整而先进的时钟系统： (1) 片内设置有一个可编程的时钟振荡器片内设置有一个可编程的时钟振荡器(无需外部器件无需外部器件); (2) 片外振荡器可选择片外振荡器可选择4种方式
13、，如种方式，如RC、无源、有源晶振等、无源、有源晶振等; (3) 片内有片内有PLL电路，可采用内、外振荡源，进行电路，可采用内、外振荡源，进行倍频倍频; (4) 当程序运行时，可在线实现内外时钟的动态切换。当程序运行时，可在线实现内外时钟的动态切换。 (5) 系统时钟除片内使用外，还可从随意选择的系统时钟除片内使用外，还可从随意选择的I/O端口输出端口输出单片机原理及其应用南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院补充知识一：补充知识一：C8051F高速单片机高速单片机3.4、从传统的仿真调试到基于、从传统的仿真调试到基于JTAG接口的在系统调试接口的在
14、系统调试C8051F在在8位单片机中率先配置了标准的位单片机中率先配置了标准的JTAG接口，引入接口，引入JTAG接口将使接口将使8位单片机传统的仿真调试产生彻底的变革。在上位单片机传统的仿真调试产生彻底的变革。在上位机软件支持下，通过串行的位机软件支持下，通过串行的JTAG接口直接对产品系统进行仿接口直接对产品系统进行仿真调试。真调试。C8051F的的JTAG接口不仅支持接口不仅支持Flash ROM的读的读/写操作写操作及非侵入式在系统调试，它的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、界扫描功
15、能。通过边界寄存器的编程控制，可对所有器件引脚、SFR总线和总线和I/O口弱上拉功能实现观察和控制。口弱上拉功能实现观察和控制。 单片机原理及其应用南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院补充知识一：补充知识一：C8051F高速单片机高速单片机3.5、从引脚复位到多源复位、从引脚复位到多源复位8位单片机中，通常只提供引脚复位的位单片机中，通常只提供引脚复位的1种方法，迄今为止的种方法，迄今为止的80C51系列单片机仍然停留在这一水平上。为了系统的安全和系列单片机仍然停留在这一水平上。为了系统的安全和CMOS单片机的功耗管理，对系统的复位功能提出了越来越高
16、的单片机的功耗管理，对系统的复位功能提出了越来越高的要求。要求。Silabs公司的公司的C8051F把把80C51单一的外部复位发展成多源单一的外部复位发展成多源复位，提供了上电复位、掉电复位、外部引脚复位、软件复位、复位，提供了上电复位、掉电复位、外部引脚复位、软件复位、时钟检测复位、比较器时钟检测复位、比较器0复位、复位、WDT复位和引脚配置复位。众多复位和引脚配置复位。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极大的好处。带来极大的好处。单片机原理及其应用南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院南通大学电气工程
17、学院南通大学电气工程学院补充知识一：补充知识一：C8051F高速单片机高速单片机3.6、最小功耗系统的最佳支持、最小功耗系统的最佳支持在在CMOS系统中，按照系统中，按照CMOS电路的特点，其系统功耗电路的特点，其系统功耗WS = CV2f，C为负载电容，为负载电容，V为电源电压，为电源电压，f为时钟频率。为时钟频率。 C8051F是是8位机中首先摆脱位机中首先摆脱5 V供电的单片机，实现了供电的单片机，实现了片内模拟与数字电路的片内模拟与数字电路的3 V供电，大大降低了系统功耗；完供电，大大降低了系统功耗；完善的时钟系统可以保证系统在满足响应速度要求下，使系善的时钟系统可以保证系统在满足响应
18、速度要求下，使系统的平均时钟频率最低；众多的复位源使系统在掉电方式统的平均时钟频率最低；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。下，可随意唤醒，从而可灵活地实现零功耗系统设计。C8051F虽然摆脱了虽然摆脱了5 V供电，但仍可与供电，但仍可与5 V电路方便地连电路方便地连接。所有接。所有I/O端口可以接收端口可以接收5 V逻辑电平的输入，在选择开逻辑电平的输入，在选择开漏加上拉电阻到漏加上拉电阻到5 V后，也可驱动后，也可驱动5 V的逻辑器件。的逻辑器件。单片机原理及其应用南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院补充知
19、识一：补充知识一：C8051F高速单片机高速单片机 二、二、C8051F高速单片机简介高速单片机简介 C8051F系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与有与8051 兼容的微控制器内核，兼容的微控制器内核，与与MCS-51 指令集完全兼容指令集完全兼容。除了除了具有标准具有标准8052 的数字外设部件的数字外设部件之外，片内还集成了数据采之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件。 包括包括模拟多路选择器模拟多路选择器MUX、可编程增益放大器、可编程增益放
20、大器PGA、ADC、DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器、电压比较器、电压基准、温度传感器、SMBus/ I2C、UART 、SPI、可编程计数器、可编程计数器/定时器阵列（定时器阵列（PCA）、定时器、）、定时器、数字数字I/O 端口、电源监视器、看门狗定时器（端口、电源监视器、看门狗定时器（WDT）和时钟振）和时钟振荡器荡器等。等。 所有器件都有内置的所有器件都有内置的FLASH 程序存储器程序存储器和和256 字节的内部字节的内部RAM，有些器件内部还有位于，有些器件内部还有位于外部数据存储器空间的外部数据存储器空间的RAM，即即XRAM。单片机原理及其应用南通大学电气工程学院南通大
21、学电气工程学院南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院补充知识一：补充知识一：C8051F高速单片机高速单片机 C8051F单片机采用单片机采用指令流水线指令流水线结构，机器周期由标准的结构，机器周期由标准的12 个系统时钟周期降为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，个系统时钟周期，处理能力大大提高，峰值性能可达峰值性能可达100MIPS。 C8051F单片机是真正能独立工作的单片机是真正能独立工作的片上系统片上系统(SOC)。每个。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部外设以节省功耗。 F
22、LASH 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易非易失性数据存储失性数据存储，并允许现场更新，并允许现场更新8051 固件固件。 每个每个MCU 都可在工业温度范围（都可在工业温度范围（-45到到+85）内）内，用，用2.7V-3.6V 的电压工作。端口的电压工作。端口I/O、/RST 和和JTAG 引脚都容许引脚都容许5V 的输入信号电压的输入信号电压。单片机原理及其应用南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院补充知识一：补充知识一：C8051F高速单片机高速单片机1、CIP-51TM 内核内核 (1) C80
23、51F系列器件使用系列器件使用Silabs公司公司的专利的专利CIP-51 微控制微控制器内核。器内核。CIP-51 与与MCS-51指令集完全兼容，可以使用标准指令集完全兼容，可以使用标准的的8051汇编器和编译器进行软件开发。汇编器和编译器进行软件开发。 (2) CIP-51 内核具有标准内核具有标准8052 的所有外设部件的所有外设部件(3 个个16 位位的计数器的计数器/定时器、一个全双工定时器、一个全双工UART 、256 字节内部字节内部RAM 、128 字节特殊功能寄存器字节特殊功能寄存器(SFR)、4 个个8 位的位的I/O 端口端口)。 (3) CIP-51 还另外有增加的模
24、拟和数字外设或功能部件。还另外有增加的模拟和数字外设或功能部件。 (4) CIP-51 采用流水线结构，采用流水线结构，以以时钟周期时钟周期为指令执行的为指令执行的最小单位，最小单位，70%指令的执行时间为指令的执行时间为1 或或2 个系统时钟周期，个系统时钟周期，只有只有4 条指令的执行时间大于条指令的执行时间大于4 个系统时钟周期。个系统时钟周期。 (5) CIP-51 工作在最大系统时钟频率工作在最大系统时钟频率100MHz 时，它的峰时，它的峰值速度达到值速度达到100MIPS 。单片机原理及其应用南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院补充知识
25、一：补充知识一：C8051F高速单片机高速单片机 (6) CIP-51 提供提供22个中断源个中断源(标准标准8051 只有只有6个中断源个中断源)，允，允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。许大量的模拟和数字外设中断微控制器。 (7) MCU 可有多达可有多达7 个复位源：一个片内个复位源：一个片内VDD 监视器、一监视器、一个看门狗定时器、一个时钟丢失检测器、一个由比较器个看门狗定时器、一个时钟丢失检测器、一个由比较器0 提供的提供的电压检测器、一个强制软件复位、电压检测器、一个强制软件复位、CNVSTR 引脚及引脚及/RST 引脚引脚。 (8) MCU 内部有一个能独立工作的时钟发生器，
26、在复位后被内部有一个能独立工作的时钟发生器，在复位后被默认为系统时钟。如有需要，时钟源可以在运行时切换到外部振默认为系统时钟。如有需要，时钟源可以在运行时切换到外部振荡器荡器。 外部振荡器可以使用晶体、陶瓷谐振器、电容、外部振荡器可以使用晶体、陶瓷谐振器、电容、RC 或外部时或外部时钟源产生系统时钟钟源产生系统时钟。 C8051F12X系列内部还有系列内部还有PLL倍频电路，实现倍频电路，实现PC机的外频、机的外频、内频机制，在不增加电磁干扰的前提下，提高系统的工作速度。内频机制，在不增加电磁干扰的前提下，提高系统的工作速度。单片机原理及其应用南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院南通大学电
27、气工程学院南通大学电气工程学院补充知识一：补充知识一：C8051F高速单片机高速单片机2、存储器、存储器 数据存储器数据存储器，寻址范围为，寻址范围为64k 。 (1) CIP-51 有标准有标准8052 的程序和数据地址配置。包括：的程序和数据地址配置。包括： 256 字节的数据字节的数据RAM，其中高，其中高128 字节为两个地址空间：字节为两个地址空间： 用间接寻址访问通用用间接寻址访问通用RAM 的高的高128 字节，字节， 用直接寻址访问用直接寻址访问128 字节的字节的SFR 地址空间。地址空间。 低低128 字节可用直接或间接寻址方式访问。字节可用直接或间接寻址方式访问。 前前3
28、2 个字节为个字节为4 个通用工作寄存器区，个通用工作寄存器区， 接下来的接下来的16 字节为位寻址区。字节为位寻址区。 (2) 某些器件中还另有位于外部数据存储器地址空间的某些器件中还另有位于外部数据存储器地址空间的1K- 8K 字节的字节的RAM 块，即块，即XRAM。 程序存储器程序存储器为为8K- 128K 字节的字节的FLASH，以，以512 字节为一个字节为一个扇区，可以在系统编程，且不需在片外提供编程电压。扇区，可以在系统编程，且不需在片外提供编程电压。单片机原理及其应用南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院南通大学电气工程学院补充知识一：补充知识一：C80
29、51F高速单片机高速单片机3、可编程数字、可编程数字I/O 和交叉开关和交叉开关 C8051F具有标准具有标准8051 兼容的兼容的I/O端口，工作情况与标准端口，工作情况与标准8051相似，但有一些改进：相似，但有一些改进： (1) 每个端口每个端口I/O引脚都可以配置为推挽或漏极开路输出。引脚都可以配置为推挽或漏极开路输出。在标准在标准8051 中固定的中固定的“弱上拉弱上拉”可以被禁止，这为低功耗应可以被禁止，这为低功耗应用提供了进一步节电的能力。用提供了进一步节电的能力。 (2) 最突出的改进是引入了数字交叉开关网络，允许将内部最突出的改进是引入了数字交叉开关网络，允许将内部数字系统资
30、源分配给端口数字系统资源分配给端口I/O引脚。与具有标准复用数字引脚。与具有标准复用数字I/O的微控制器不同，这种结构可支持所有的功能组合。的微控制器不同，这种结构可支持所有的功能组合。 可通过设置交叉开关控制寄存器，将片内计数器可通过设置交叉开关控制寄存器，将片内计数器/定时器、定时器、串行总线、硬件中断、串行总线、硬件中断、ADC 转换启动输入、比较器输出以及转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其它数字信号配置在端口微控制器内部的其它数字信号配置在端口I/O。这就允许用户。这就允许用户根据自己的特定应用选择通用端口根据自己的特定应用选择通用端口I/O和所需数字资源的组合。和所需数字资源的组合。
