第十章c8051f系列soc單片機(jī)-read

1、第十章 C8051F系列SOC單片機(jī),10.1 C8051F系列單片機(jī)簡(jiǎn)介10.2 C8051F單片機(jī)結(jié)構(gòu)及原理,10.1 C8051F系列單片機(jī)簡(jiǎn)介 10.1.1 C8051F系列單片機(jī)的誕生美國 Silabs 公司推出的C8051F系列單片機(jī)，把 C8051F 系列單片機(jī)從微控制器（MCU）時(shí)代推向片上系統(tǒng)（ SOC ）時(shí)代，使其以8051為內(nèi)核的單片機(jī)上了一個(gè)新的臺(tái)階。,SOC即 System On C

2、hip 的縮寫，即把計(jì)算機(jī)常用的一些數(shù)字模擬設(shè)備全部都做在一塊芯片上，使之成為一個(gè)完整的模擬數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。C8051F系列單片機(jī)是一種高集成度的SOC型芯片，具有與 8051 兼容的微控制器內(nèi)核，與MCS-51指令系統(tǒng)完全兼容。除具有標(biāo)準(zhǔn) 8051 部件外，片內(nèi)還具有數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件及其他數(shù)字外設(shè)部件。,C8051F系列單片機(jī)既能處理數(shù)字信號(hào)也能處理模擬信號(hào)，所以稱為混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片或片上單片機(jī)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱單

3、片機(jī)。,10.1.2 C8051F系統(tǒng)單片機(jī)的組成,1、CIP-51微控制器內(nèi)核 C8051F系統(tǒng)單片機(jī)采用Silabs公司的專利CIP-51微控制器內(nèi)核。CIP-51內(nèi)核具有標(biāo)準(zhǔn)8052的所有部件，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了幾項(xiàng)關(guān)鍵性的改進(jìn)，提高了整體的性能，更易于應(yīng)用。,2、中斷系統(tǒng) 擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)可響應(yīng)22個(gè)中斷源的中斷請(qǐng)求，在設(shè)計(jì)多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)時(shí)，大大增加了單片機(jī)對(duì)外界復(fù)雜多變情況的反應(yīng)能力。,3、存儲(chǔ)器

4、C8051F 系統(tǒng)單片機(jī)具有標(biāo)準(zhǔn)的8052的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址配置。存儲(chǔ)器包括256B的核內(nèi)RAM，還具有核外1KB～4KB的RAM。程序存儲(chǔ)器包括8KB～128KB的FLASH存儲(chǔ)器。C8051F02X等單片機(jī)中有可用于訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的外部存儲(chǔ)器接口（EMIF）。EMIF可以被配置為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用方式或非復(fù)用方式。,4、模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換大部分的C8051Fxxx單片機(jī)內(nèi)部都有A/D轉(zhuǎn)換模塊，不同型號(hào)中的A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)、轉(zhuǎn)

5、換速度和輸入通道數(shù)不完全相同。部分的C8051Fxxx單片機(jī)內(nèi)部有兩個(gè)12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，MCA可將任何一個(gè)DAC置于低功耗關(guān)斷方式。,5、并行接口C8051Fxxx單片機(jī)具有一般單片機(jī)的通用I/O端口，不同型號(hào)的引腳數(shù)量不同，I/O端口的部分引腳可通過軟件配置成不同的特殊功能。,7、定時(shí)器和可編程計(jì)數(shù)器陣列 在C8051F系列單片機(jī)中都具有2～4個(gè)通用定時(shí)/計(jì)數(shù)器。在一些型號(hào)中還具有一個(gè)片內(nèi)可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器陣

6、列（PCA）。,10.1.3 C8051F系列單片機(jī)的特點(diǎn),1、指令運(yùn)行速度高 由于C8051Fxxx單片機(jī)采用流水線結(jié)構(gòu)，廢除了機(jī)器周期的概念，指令以時(shí)鐘周期為運(yùn)行單位，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。在相同時(shí)鐘下，指令運(yùn)行速度比一般的80C51系列單片機(jī)提高大約10倍。70％指令的執(zhí)行時(shí)間為 1 個(gè)或 2 個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，只有4條指令的執(zhí)行時(shí)間大于4個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。,2、I/O端口功能

7、采用軟件配置實(shí)現(xiàn) 在C8051Fxxx單片機(jī)中，I/O 端口的通用基本輸入輸出特性與標(biāo)準(zhǔn)8051兼容，但I(xiàn)/O端口的其他功能則是由配置實(shí)現(xiàn)，這樣極大提高了端口配置的靈活性。,3、時(shí)鐘系統(tǒng)更加完善C8051F系列單片機(jī)具有一個(gè)更加完美和先進(jìn)的時(shí)鐘系統(tǒng)，可采用多種時(shí)鐘源（2MHz、4MHz、8MHz或16MHz）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，其時(shí)鐘振蕩頻率是可編程的；可選擇外部時(shí)鐘振

8、蕩器或外部時(shí)鐘源產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘。在程序運(yùn)行時(shí)，可通過軟件方便地實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘內(nèi)外切換。,4、可實(shí)現(xiàn)通過JTAG口的在線系統(tǒng)調(diào)試 在 C8051FXXX 單片機(jī)（8位）中首先配置了片內(nèi)JTAG接口和調(diào)試電路，可為生產(chǎn)和測(cè)試提供完全的邊界掃描功能。,5、有多種復(fù)位方式C8051F提供了7個(gè)復(fù)位源：片內(nèi) VDD監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器、時(shí)鐘失效檢測(cè)器、由比較器0提供的電壓檢測(cè)器、軟件強(qiáng)制復(fù)位、CNVSTR引腳及RST引腳。多復(fù)位源

9、提高了系統(tǒng)的安全性、靈活性，并有利于零功耗設(shè)計(jì)。,,6、進(jìn)一步降低了系統(tǒng)功耗 C8051F 系列單片機(jī)采用了可降低系統(tǒng)功耗的多種方法： 1）采用3V（電壓范圍2.7V至3.6V）供電； 2）完善時(shí)鐘系統(tǒng)，在滿足響應(yīng)速度的要求下，使 系統(tǒng)的平均時(shí)鐘頻率最低，降低了功耗； 3）多種復(fù)位源，可使系統(tǒng)在掉電情況下，方便活地重新復(fù)位； 4）片上外設(shè)都能單個(gè)關(guān)閉或全部關(guān)閉以節(jié)省功耗。,10.1.4 C

10、8051F系列單片機(jī)分類 C8051F系列單片機(jī)型號(hào)很多，按照它們的主要共性大約可以分為 10 個(gè)子系列；按照它們的主要區(qū)別分為 6 類。,1、通用型通用型C8051Fxxx單片機(jī)功能比較全面，通用性較好，應(yīng)用較為廣泛。典型型號(hào)：C8051F310 / 020 / 022 / 005 / 330等,圖10－1C8051F310的結(jié)構(gòu)框圖,2、超微型超微型 C8051Fxxx單片機(jī)主要特點(diǎn)

11、是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能減少，體積大大縮小，僅有3mm×3mm，外部引腳為11個(gè)。典型型號(hào)： C8051F30x子系列,圖10－2C8051F30x的結(jié)構(gòu)框圖,3、CAN型主要特點(diǎn)是增加了CAN總線；典型型號(hào)：C8051F04X,圖10－3C8051F04x的結(jié)構(gòu)框圖,4、精確A/D型精確A/D型主要特點(diǎn)是具有轉(zhuǎn)換精度較高的A/D模塊。典型型號(hào)：C8051F35x，C8051F06x,圖10－4C8051F35

12、x的結(jié)構(gòu)框圖,5、USB型USB型的主要特點(diǎn)是具有USB功能控制器；典型型號(hào)：C8051F32x,圖10－5C8051F32x的結(jié)構(gòu)框圖,6、高速型高速型的主要特點(diǎn)是單片機(jī)的工作速度高于其他型號(hào)；典型型號(hào)：C8051F12x/13x,圖10-6 C8051F12x/13x的結(jié)構(gòu)框圖,10.2C8051F單片機(jī)結(jié)構(gòu)及原理,以功能較全面，應(yīng)用較廣泛的C8051F02x子系列為例，介紹以CIP-51為內(nèi)核C8051F系列單片機(jī)

13、的結(jié)構(gòu)及工作原理。,10.2.1 C8051F的CIP-51內(nèi)核,CIP-51內(nèi)核,它是在Intel公司標(biāo)準(zhǔn)8位8051單片機(jī)的組織結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)和提高形成的。,1、CIP-51內(nèi)核的組成及結(jié)構(gòu),CIP- 51內(nèi)核也稱為微控制器（Micro Controller Unit， MCU），實(shí)際上就是C8051F單片機(jī)的中央處理器（CPU）部分，主要完成運(yùn)算和控制功能，管理整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的各個(gè)外設(shè)的工作。,圖10-7 CIP-5

14、1原理框圖,2、CIP-51內(nèi)核的特點(diǎn),1) 主要功能部件及組成與8051相同；2) 與MCS-51指令系統(tǒng)完全兼容；3) 時(shí)鐘頻率為0～25MHz，執(zhí)行速度一般可達(dá)25兆指令/秒，有的型號(hào)最高執(zhí)行速度可達(dá)100兆指令/秒；4) 增加了流水線結(jié)構(gòu)，70%指令的執(zhí)行時(shí)間為1～2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期；,5) 與模/數(shù)、數(shù)字外設(shè)有關(guān)的SFR移到核外，通過SFR接口與CPU交換信息；6) 中斷系統(tǒng)擴(kuò)展為可處理22個(gè)中斷源；7) 復(fù)位和時(shí)鐘電

15、路不包括在核內(nèi)；8) 具有程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器安全管理功能,3、CIP-51內(nèi)核的基本部件,1）中央處理器（CPU） C8051F系列的CPU是單片機(jī)最核心的部分，主要完成運(yùn)算和控制功能，只是它的控制功能比通用處理器更強(qiáng)。CPU是8位中央處理單元。,2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（片內(nèi)RAM） C8051F內(nèi)核中有256B的RAM,地址空間為00H～FFH。特殊功能寄存器（SFR）其地址為80H～FFH，與部分RAM地址重疊，用不同的尋址方

16、式區(qū)分它們。 3）SFR總線接口 SFR總線接口用于控制與管理核外的數(shù)字與模擬功能模塊，以及所有的I/O端口等。,4）存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) C8051F單片機(jī)大部分系列都有位于片上的核外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間RAM（XRAM），除此還可向外擴(kuò)展64KB RAM。存儲(chǔ)器接口就是用于控制和管理片上和片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，需要用MOVX訪問。,5）流水線結(jié)構(gòu) 在CIP-51中采用流水線結(jié)構(gòu)，使多條指令并行執(zhí)行，大大提高了單片機(jī)的

17、執(zhí)行速度。 6）中斷系統(tǒng) C8051F系列單片機(jī)的中斷系統(tǒng)可以滿足一般控制應(yīng)用需要，中斷源最多可達(dá)22個(gè)。,10.2.2 C8051F單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理,1、C8051F02x單片機(jī)的組成與結(jié)構(gòu) C8051F020單片機(jī)是以8051內(nèi)核為中心，通過SFR總線、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)總線、系統(tǒng)時(shí)鐘線、復(fù)位線等與64KB FLASH、4KB XRAM、數(shù)字功能模塊、模擬功能模塊、片上時(shí)鐘系統(tǒng)和JTAG邏輯電路相連，構(gòu)

18、成一個(gè)完整的單片機(jī)片上系統(tǒng)。,圖10-8 C8051F020 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,2、引腳定義及功能,C8051F02x系列單片機(jī)實(shí)際有效引腳有2種，即64個(gè)和100個(gè)，封裝形式TQFP（Thin Quad Flat Package），它的體積很小、很薄，是一種表面貼焊的封裝形式，芯片尺寸為17mm x 17mm。,圖10-9 TQFP-100引腳圖,圖2-4 TQFP-64引腳圖,表1 C8051F02x型號(hào)的引腳定義及功能,說明,1）

19、 C8051F02x單片機(jī)的大部分I/O引腳都有2～3種功能，在復(fù)位時(shí)，一部分專用引腳功能不變，其他大部分引腳均為通用I/O端口的轉(zhuǎn)入狀態(tài)，當(dāng)要把它們作為其他功能模塊的轉(zhuǎn)入或轉(zhuǎn)出引腳時(shí)，需對(duì)它們進(jìn)行配置。2） VDD和GND各為3個(gè)引腳，使用時(shí)建議全部接上，可提高抗干擾能力。,3） 如果在系統(tǒng)中沒有使用模擬部分，芯片的模擬電源V+和模擬地AGND也要連接。4） VDEF端也可以作為帶隙電壓基準(zhǔn)輸出驅(qū)動(dòng)其他電路，但需加一個(gè)24kΩ

20、的電阻把電流限制在100µA。5） 模擬功能模塊的引腳大部分為固定引腳，但C8051F02x的8路模擬輸入采用復(fù)用方式（AIN1.0～AIN1.7），此時(shí)對(duì)輸入端最好采用加限壓或限流保護(hù)。,6） TMS、TCK、TDI和TDO引腳是專門用于JTAG接口的，在不使用JTAG接口時(shí)，TMS、TCK和TDI要直接接地或通過下拉電阻接地。7） MONEN（VDD監(jiān)視器輸入）引腳不能懸空，要接VDD或接地。8） 表中P0～P

21、7口每端功能，可查閱相關(guān)書籍（C8051系列SOC單片機(jī)原理及應(yīng)用）。,3、C8051F單片機(jī)的工作原理,C8051F單片機(jī)是高集成度的SOC芯片，也是一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。它是以CIP-51F內(nèi)核（8051核）為核心的單片機(jī)系統(tǒng)。在C8051F單片機(jī)中采用流水線結(jié)構(gòu)，使得指令能夠并行執(zhí)行，從而大大提高了指令的運(yùn)行速度。,工作過程：,1） 單片機(jī)剛加電時(shí)，外部或內(nèi)部復(fù)位信號(hào)使單片機(jī)復(fù)位，各功能模塊均為停機(jī)等待，系統(tǒng)處于最小功耗狀