從Cygnal C8051F看8位單片機發(fā)展之路

    在嵌入式系統(tǒng)低端的單片機領域，從8位單片機誕生至今，已近30年，在百花齊放的單片機家族中，80C51系列一直扮演著一個獨特的角色。Cygnal 推出C8051F更令業(yè)界人士刮目相看?；仡櫄v史，在Intel公司推出了MCS-51不久便實施了最徹底的技術開放政策；在眾多電器商、半導體商的積極參與下，將MCS-51發(fā)展成了眾多型號系列的80C51 MCU家族。MCS-51經典的體系結構、極好的兼容性和Intel公司的開放政策不僅使眾多廠家參與發(fā)展，也誘使半導體廠家對MCS-51實行為所欲為的改造。由于MCS-51提供的最佳兼容性，使MCS-51在被"肢解"式改造后，還能以不變的指令系統(tǒng)、基本單元的兼容性保持著8051內核的生命延續(xù)，并在未來SoC發(fā)展中，擔任8位CPU內核的重任?；仡?0C51系列從MCS-51、80C51到C8051F的過程，我們可以深刻領會到單片機發(fā)展的一些規(guī)律性東西。
 
　　1 嵌入式應用中的8位機現象

　　與從8位機迅速向16位、32位、64位過渡的通用計算機相比，8位單片機從20世紀70年代初期誕生至今，雖歷經從單片微型計算機到微控制器、MCU和SoC的
變遷，8位機始終是嵌入式低端應用的主要機型，而且在未來相當長的時間里，仍會保持這個勢頭。這是因為嵌入式系統(tǒng)和通用計算機系統(tǒng)有完全不同的應用特性，從而走向完全不同的技術發(fā)展道路。

　　嵌入式系統(tǒng)嵌入到對象體系中，并在對象環(huán)境下運行。與對象領域相關的操作主要是對外界物理參數進行采集、處理，對外界對象實現控制，并與操作者進行人機交互等。而對象領域中的物理參數的采集與處理、外部對象的控制以及人機交互所要求的響應速度有限，而且不會隨時間變化。在8位單片機能基本滿足其響應速度要求后，數據寬度不成為技術發(fā)展的主要矛盾。因此8位單片機會穩(wěn)定下來，其技術發(fā)展方向轉為最大限度地滿足對象的采集、控制、可靠性和低功耗等品質要求。

　　隨著現代通信技術的發(fā)展，智能化系統(tǒng)對DSP需求的增長要求單片機相應提高運算速度。當前8位單片機在不擴展數據總線的情況下，提高運行速度仍有潛力可挖。例如，采用RISC結構實現并行流水線作業(yè)，CISC結構的C8051F采用CIP-8051結構，使單周期指令速度提高到原8051的12倍。

　　鑒于嵌入式低端應用對象的有限響應要求、嵌入式系統(tǒng)低端應用的巨大市場以及8位機具有的速度潛力，可以預期在未來相當長的時間內，8位機仍然是嵌入式應用中的主流機型。

　　隨著半導體技術的發(fā)展，8位單片機在CPU結構、CPU外圍、功能外圍、外圍接口和集成開發(fā)環(huán)境方面都會迅速地發(fā)展；因此，可以說8位單片機雖然"古老"，但又會是一個十分活躍而新興的嵌入式領域。80C51系列從Intel公司的MCS-51發(fā)展到Cygnel公司的C8051F的過程充分地說明了這一點。

　　2 8位單片機中的80C51現象

　　在8位單片機中，80C51系列形成了一道獨特的風景線。歷史最長，長盛不衰，眾星捧月，不斷更新，形成了既具有經典性，又不乏生命力的一個單片機系列。當前，Cygnal公司推出的C8051F又將8051兼容單片機推上了8位機的先進行列。總結80C51系列的發(fā)展歷史，可以看出單片機的3次技術飛躍。

　　2.1 從MCS-51到MCU的第1次飛躍

　　Intel公司于1980年推出的MCS-51奠定了嵌入式應用的單片微型計算機的經典體系結構，但不久就放棄了進一步發(fā)展計劃，并實施了8051的技術開放政策。無論從主觀因素還是客觀因素，都是明智之舉。因為在創(chuàng)建一個完善的嵌入式計算機體系結構后，面臨的是不斷滿足嵌入式對象要求的各種控制功能。在8051實現開放后，PHILIPS公司作為全球著名的電器商以其在電子應用系統(tǒng)的優(yōu)勢，著力發(fā)展80C51的控制功能及外圍單元。將MCS-51的單片微型計算機迅速地推進到80C51的MCU時代，形成了可滿足大量嵌入式應用的單片機系列產品。

　　2.2 引領Flash ROM潮流的第2次飛躍

　　當前，嵌入式系統(tǒng)普遍采用Flash ROM技術。Flash ROM的使用加速了單片機技術的發(fā)展?；贔lash ROM的ISP/IAP技術，極大地改變了單片機應用系統(tǒng)的結構模式以及開發(fā)和運行條件；而在單片機中最早實現Flash ROM技術的是ATMEL公司的AT89Cxx系列。

　　2.3 內核化SoC的第3次飛躍

　　MCS-51典型的體系結構以及極好的兼容性，對于MCU不斷擴展的外圍來說，形成了一個良好的嵌入式處理器內核的結構模式。當前嵌入式系統(tǒng)應用進入SoC模式，從各個角度，以不同方式向SoC進軍，形成了嵌入式系統(tǒng)應用熱潮。在這個技術潮流中，8051又扮演了嵌入式系統(tǒng)內核的重要角色。在MCU向SoC過渡的數、?；旌霞傻倪^程中，ADI公司推出了ADμC8xx系列，而Cygnal公司則實現了向SoC的C8051F過渡；在PLD向SoC發(fā)展過程中，Triscend公司在可配置系統(tǒng)芯片CSoC的E5系列中便以8052作為處理器內核。
 

 

　　3 Cygnal C8051F對80C51的技術突破

　　我們習慣于將各廠家生產的與51兼容的形形色色的單片機系列稱之為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，當前Cygnal公司發(fā)展的C8051F系列，在許多方面已超出當前8位單片機水平，有許多新的技術概念需要學習與更新。

　　3.1 采用CIP-51內核大力提升CISC結構運行速度

　　迄今為止，MCS-51已成為8位機中運行最慢的系列。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，將機器周期從12個縮短到4個和6個，速度提升有限。

　　Cygnal公司在提升8051速度上采取了新的途徑，即設法在保持CISC結構及指令系統(tǒng)不變的情況下，對指令運行實行流水作業(yè)，推出了CIP-
51的CPU模式。在這種模式中，廢除了機器周期的概念，指令以時鐘周期為運行單位。平均每個時鐘可以執(zhí)行完1條單周期指令，從而大大提高了指令運行速度。即與8051相比，在相同時鐘下單周期指令運行速度為原來的12倍；整個指令集平均運行速度為原來8051的9.5倍，使8051兼容機系列進入了8位高速單片機行列。

　　3.2 I/O從固定方式到交叉開關配置

　　迄今為止，I/O端口大都是固定為某個特殊功能的輸入/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單片機系列中，采取虛擬外設的方法將I/O的固定方式轉變?yōu)檐浖O定方式。而在Cygnal公司的C8051F中，則采用開關網絡以硬件方式實現I/O端口的靈活配置，如圖1所示。在這種通過交叉開關配置的I/O端口系統(tǒng)中，單片機外部為通用I/O口，如P0口、P1口和P2口。內有輸入/輸出的電路單元通過相應的配置寄存器控制的交叉開關配置到所選擇的端口上。
　　　　　


　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1

　　3.3 從系統(tǒng)時鐘到時鐘系統(tǒng)

　　早期單片機都是用1個時鐘控制片內所有時序。進入CMOS時代后，由于低功耗設計的要求，出現了在一個主時鐘下CPU運行速度可選擇在不同的時鐘頻率下操作；或設置成高、低兩個主時鐘，按系統(tǒng)操作要求選擇合適的時鐘速度，或關閉時鐘。而Cygnal公司的C8051F則提供了一個完整而先進的時鐘系統(tǒng)，如圖2所示。在這個系統(tǒng)中，片內設置有一個可編程的時鐘振蕩器（無需外部器件），可提供2、4、8和16 MHz時鐘的編程設定。外部振蕩器可選擇4種方式。當程序運行時，可實現內外時鐘的動態(tài)切換。編程選擇的時鐘輸出CYSCLK除供片內使用外，還可從隨意選擇的I/O端口輸出。
　　　　　　　　　


　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2

　　3.4 從傳統(tǒng)的仿真調試到基于JTAG接口的在系統(tǒng)調試

　　C8051F在8位單片機中率先配置了標準的JTAG接口（IEEE1149.1）。引入JTAG接口將使8位單片機傳統(tǒng)的仿真調試產生徹底的變革。在上位機軟件支持下，通過串行的JTAG接口直接對產品系統(tǒng)進行仿真調試。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口弱上拉功能實現觀察和控制。

　　3.5 從引腳復位到多源復位

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


　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　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，其系統(tǒng)功耗WS為
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　


　　式中：C為負載電容，V為電源電壓，f為時鐘頻率。

　　C8051F是8位機中首先擺脫5 V供電的單片機，實現了片內模擬與數字電路的3 V供電（電壓范圍2.7~3.6 V），大大降低了系統(tǒng)功耗；完善的時鐘系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)在滿足響應速度要求下，使系統(tǒng)的平均時鐘頻率最低；眾多的復位源使系統(tǒng)在掉電方式下，可隨意喚醒，從而可靈活地實現零功耗系統(tǒng)設計。因此，C8051F具有極佳的最小功耗系統(tǒng)設計環(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，也可驅動5 V的邏輯器件。
 

 

　　4 8051內核在SoC中再做貢獻

　　SoC是嵌入式應用系統(tǒng)的最終形態(tài)。嵌入式系統(tǒng)應用中除了最底層最廣泛應用的單片機外，基于PLD、硬件描述語言的EDA模式，基于IP庫的微電子ASIC模式等，形成了眾多的SoC解決方法。無論是微電子集成，還是PLD的可編程設計，或是單片機的模擬混合集成，目的都是SoC，手段也會逐漸形成基于處理器內核加上外圍IP單元的模式。作為8位經典結構的8051已開始為眾多廠家承認，并廣泛用于SoC的處理器內核。

　　4.1 從單片機向SoC發(fā)展的8051內核

　　單片機從單片微型計算機向微控制器（MCU）發(fā)展，體現了單片機向SoC的發(fā)展方向，按系統(tǒng)要求不斷擴展外圍功能、外圍接口以及系統(tǒng)要求的模擬、數字混合集成。在向SoC發(fā)展過程中，許多廠家引入8051內核構
成SoC單片機。例如，ADI公司引入8051內核后配置自己的優(yōu)勢產品--信號調理電路，構成了用于數據采集的SoC；Cygnal公司則為8051配置了全面的系統(tǒng)驅動控制、前向/后向通道接口，構成了較全面的通用型SoC。

　　4.2 80C51內核在PLD中的SoC應用

　　基于PLD，采用硬件描述語言設計的電子系統(tǒng)是近年來十分流行的方法。在解決較大規(guī)模的智能化系統(tǒng)時，要求可編程邏輯門數量很大。這導致設計工作量大，資源很難充分利用，出錯概率也大。隨著IP核及處理器技術的發(fā)展，從事可編程邏輯器件的公司，在向SoC進軍時，幾乎都會將微處理器、存儲單元、通用IP模塊集成到PLD中構成可配置的SoC芯片（CSoC）。當設計人員使用這樣的芯片開發(fā)產品時，由于系統(tǒng)設計所需部件已有80%集成在CSoC上，設計者可以節(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4萬門帶SoC總線的PLD組成，形成了一個以8051為內核的可編程的半定制SoC器件。

　　4.3 8051內核在可編程選擇SoC（PSOC）器件中的應用

　　完全基于通用IP模塊，由可編程選擇來構成產品SoC的設想是由Cypress公司倡導并推出的。這種可編程選擇的SoC取名為PSoC，由基本的CPU內核和預設外圍部件組成。Cypress將多種數字和模擬器件、微處理器、處理器外圍單元、外圍接口電路集成到PSoC上，用戶只需按產品的功能構建自己的產品系統(tǒng)即可。Cypress公司在構建PSoC中的8位處理器時，選擇了8051。 

 

　　結束語

　　① 嵌入式應用中，由于應用對象及環(huán)境的特點，8位機一直占據低端應用的主流地位。

　　② 在單片機家族中，MCS-51是一個獨特的系列。Intel公司創(chuàng)建了8位機的經典系列結構，并實施技術開發(fā)政策，使這個系列歷經滄桑而不老。

　?、?PHILIPS等著名大電器商以自己在電子應用技術方面的優(yōu)勢，與Intel公司技術互補，發(fā)展了MCS-51，并迅速將單片微型計算機帶入了微控制器（MCU）時代，創(chuàng)造了許多優(yōu)異的單片機產品，形成了獨特的、包含許多公司兼容產品的80C51系列。

　　④ Cygnal公司推出C8051F系列，把80C51系列推上了一個嶄新高度，將單片機從MCU帶入了SoC時代。C8051F中的一些新技術定會在8位機中進一步普及與推廣。

　?、?MCS-51從單片微型計算機（SCMC）到微控制器（MCU）再到片上系統(tǒng)（SoC）內核，顯示了嵌入式系統(tǒng)硬件體系典型的變化過程。在嵌入式系統(tǒng)SoC的最終體系中，MCS-51以8051處理器內核的形式延續(xù)下去。這對于國內外從事80C51教學和科研的廣大人士來說，無論是過去、現在和未來都能感受它帶來的好處。
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