從Cygnal C8051F看8位單片機(jī)發(fā)展之路

我們習(xí)慣于將各廠家生產(chǎn)的與51兼容的形形色色的單片機(jī)系列稱之為80C51系列。它們都采用CMOS工藝，并與MCS-51兼容。

與MCS-51相比較，80C51已有很大發(fā)展。然而，當(dāng)前Cygnal公司發(fā)展的C8051F系列，在許多方面已超出當(dāng)前8位單片機(jī)水平，有許多新的技術(shù)概念需要學(xué)習(xí)與更新。

3.1 采用CIP-51內(nèi)核大力提升CISC結(jié)構(gòu)運(yùn)行速度

迄今為止，MCS-51已成為8位機(jī)中運(yùn)行最慢的系列。為了提升速度，DALLAS公司和PHILIPS公司采用傳統(tǒng)的改變總線速度的辦法，將機(jī)器周期從12個(gè)縮短到4個(gè)和6個(gè)，速度提升有限。

Cygnal公司在提升8051速度上采取了新的途徑，即設(shè)法在保持CISC結(jié)構(gòu)及指令系統(tǒng)不變的情況下，對(duì)指令運(yùn)行實(shí)行流水作業(yè)，推出了CIP-

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)特殊功能的輸入/輸出口，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，Scenix公司在推出的8位SX單片機(jī)系列中，采取虛擬外設(shè)的方法將I/O的固定方式轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖O(shè)定方式。而在Cygnal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，如圖1所示。在這種通過(guò)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)有輸入/輸出的電路單元通過(guò)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。

                                   圖1

3.3 從系統(tǒng)時(shí)鐘到時(shí)鐘系統(tǒng)

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。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。而Cygnal公司的C8051F則提供了一個(gè)完整而先進(jìn)的時(shí)鐘系統(tǒng)，如圖2所示。在這個(gè)系統(tǒng)中，片內(nèi)設(shè)置有一個(gè)可編程的時(shí)鐘振蕩器（無(wú)需外部器件），可提供2、4、8和16 MHz時(shí)鐘的編程設(shè)定。外部振蕩器可選擇4種方式。當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)外時(shí)鐘的動(dòng)態(tài)切換。編程選擇的時(shí)鐘輸出CYSCLK除供片內(nèi)使用外，還可從隨意選擇的I/O端口輸出。

圖2

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（IEEE1149.1）。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(guò)串行的JTAG接口直接對(duì)產(chǎn)品系統(tǒng)進(jìn)行仿真調(diào)試。C8051F的JTAG接口不僅支持Flash ROM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(cè)試提供邊界掃描功能。通過(guò)邊界寄存器的編程控制，可對(duì)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。

3.5 從引腳復(fù)位到多源復(fù)位

在非CMOS單片機(jī)中，通常只提供引腳復(fù)位的1種方法。迄今為止的80C51系列單片機(jī)仍然停留在這一水平上。為了系統(tǒng)的安全和CMOS單片機(jī)的功耗管理，對(duì)系統(tǒng)的復(fù)位功能提出了越來(lái)越高的要求。Cygnal 公司的C8051F把80C51單一的外部復(fù)位發(fā)展成多源復(fù)位，如圖3所示。C8051的多復(fù)位源提供了上電復(fù)位、掉電復(fù)位、外部引腳復(fù)位、軟件復(fù)位、時(shí)鐘檢測(cè)復(fù)位、比較器0復(fù)位、WDT復(fù)位和引腳配置復(fù)位。眾多的復(fù)位源為保障系統(tǒng)的安全、操作的靈活性以及零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)極大的好處。

圖3

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為

式中：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5 V供電的單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了片內(nèi)模擬與數(shù)字電路的3 V供電（電壓范圍2.7~3.6 V），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)。因此，C8051F具有極佳的最小功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)境。

C8051F雖然擺脫了5 V供電，但仍可與5 V電路方便地連接。所有I/O端口可以接收5 V邏輯電平的輸入，在選擇開漏加上拉電阻到5 V后，也可驅(qū)動(dòng)5 V的邏輯器件。 

4 8051內(nèi)核在SoC中再做貢獻(xiàn) 

SoC是嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的最終形態(tài)。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中除了最底層最廣泛應(yīng)用的單片機(jī)外，基于PLD、硬件描述語(yǔ)言的EDA模式，基于IP庫(kù)的微電子ASIC模式等，形成了眾多的SoC解決方法。無(wú)論是微電子集成，還是PLD的可編程設(shè)計(jì)，或是單片機(jī)的模擬混合集成，目的都是SoC，手段也會(huì)逐漸形成基于處理器內(nèi)核加上外圍IP單元的模式。作為8位經(jīng)典結(jié)構(gòu)的8051已開始為眾多廠家承認(rèn)，并廣泛用于SoC的處理器內(nèi)核。 

4.1 從單片機(jī)向SoC發(fā)展的8051內(nèi)核 

單片機(jī)從單片微型計(jì)算機(jī)向微控制器（MCU）發(fā)展，體現(xiàn)了單片機(jī)向SoC的發(fā)展方向，按系統(tǒng)要求不斷擴(kuò)展外圍功能、外圍接口以及系統(tǒng)要求的模擬、數(shù)字混合集成。在向SoC發(fā)展過(guò)程中，許多廠家引入8051內(nèi)核構(gòu)  
成SoC單片機(jī)。例如，ADI公司引入8051內(nèi)核后配置自己的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品--信號(hào)調(diào)理電路，構(gòu)成了用于數(shù)據(jù)采集的SoC；Cygnal公司則為8051配置了全面的系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制、前向/后向通道接口，構(gòu)成了較全面的通用型SoC。 

4.2 80C51內(nèi)核在PLD中的SoC應(yīng)用 

基于PLD，采用硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)的電子系統(tǒng)是近年來(lái)十分流行的方法。在解決較大規(guī)模的智能化系統(tǒng)時(shí)，要求可編程邏輯門數(shù)量很大。這導(dǎo)致設(shè)計(jì)工作量大，資源很難充分利用，出錯(cuò)概率也大。隨著IP核及處理器技術(shù)的發(fā)展，從事可編程邏輯器件的公司，在向SoC進(jìn)軍時(shí)，幾乎都會(huì)將微處理器、存儲(chǔ)單元、通用IP模塊集成到PLD中構(gòu)成可配置的SoC芯片（CSoC）。當(dāng)設(shè)計(jì)人員使用這樣的芯片開發(fā)產(chǎn)品時(shí)，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需部件已有80%集成在CSoC上，設(shè)計(jì)者可以節(jié)省許多精力。Triscend公司推出的E5系列SoC就是由以8051為處理器核，加上40 KB RAM、WDT、DMA和4萬(wàn)門帶SoC總線的PLD組成，形成了一個(gè)以8051為內(nèi)核的可編程的半定制SoC器件。 

4.3 8051內(nèi)核在可編程選擇SoC（PSOC）器件中的應(yīng)用 

完全基于通用IP模塊，由可編程選擇來(lái)構(gòu)成產(chǎn)品SoC的設(shè)想是由Cypress公司倡導(dǎo)并推出的。這種可編程選擇的SoC取名為PSoC，由基本的CPU內(nèi)核和預(yù)設(shè)外圍部件組成。Cypress將多種數(shù)字和模擬器件、微處理器、處理器外圍單元、外圍接口電路集成到PSoC上，用戶只需按產(chǎn)品的功能構(gòu)建自己的產(chǎn)品系統(tǒng)即可。Cypress公司在構(gòu)建PSoC中的8位處理器時(shí)，選擇了8051。 

結(jié)束語(yǔ) 

① 嵌入式應(yīng)用中，由于應(yīng)用對(duì)象及環(huán)境的特點(diǎn)，8位機(jī)一直占據(jù)低端應(yīng)用的主流地位。 

② 在單片機(jī)家族中，MCS-51是一個(gè)獨(dú)特的系列。Intel公司創(chuàng)建了8位機(jī)的經(jīng)典系列結(jié)構(gòu)，并實(shí)施技術(shù)開發(fā)政策，使這個(gè)系列歷經(jīng)滄桑而不老。 

③ PHILIPS等著名大電器商以自己在電子應(yīng)用技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)，與Intel公司技術(shù)互補(bǔ)，發(fā)展了MCS-51，并迅速將單片微型計(jì)算機(jī)帶入了微控制器（MCU）時(shí)代，創(chuàng)造了許多優(yōu)異的單片機(jī)產(chǎn)品，形成了獨(dú)特的、包含許多公司兼容產(chǎn)品的80C51系列。 

④ Cygnal公司推出C8051F系列，把80C51系列推上了一個(gè)嶄新高度，將單片機(jī)從MCU帶入了SoC時(shí)代。C8051F中的一些新技術(shù)定會(huì)在8位機(jī)中進(jìn)一步普及與推廣。 

⑤ MCS-51從單片微型計(jì)算機(jī)（SCMC）到微控制器（MCU）再到片上系統(tǒng)（SoC）內(nèi)核，顯示了嵌入式系統(tǒng)硬件體系典型的變化過(guò)程。在嵌入式系統(tǒng)SoC的最終體系中，MCS-51以8051處理器內(nèi)核的形式延續(xù)下去。這對(duì)于國(guó)內(nèi)外從事80C51教學(xué)和科研的廣大人士來(lái)說(shuō)，無(wú)論是過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)都能感受它帶來(lái)的好處。