第十章c8051f系列soc單片機-read

1、第十章 C8051F系列SOC單片機,10.1 C8051F系列單片機簡介10.2 C8051F單片機結(jié)構(gòu)及原理,10.1 C8051F系列單片機簡介 10.1.1 C8051F系列單片機的誕生美國 Silabs 公司推出的C8051F系列單片機，把 C8051F 系列單片機從微控制器（MCU）時代推向片上系統(tǒng)（ SOC ）時代，使其以8051為內(nèi)核的單片機上了一個新的臺階。,SOC即 System On C

2、hip 的縮寫，即把計算機常用的一些數(shù)字模擬設(shè)備全部都做在一塊芯片上，使之成為一個完整的模擬數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。C8051F系列單片機是一種高集成度的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。除具有標準 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系列單片機既能處理數(shù)字信號也能處理模擬信號，所以稱為混合信號系統(tǒng)級芯片或片上單片機系統(tǒng)，簡稱單

3、片機。,10.1.2 C8051F系統(tǒng)單片機的組成,1、CIP-51微控制器內(nèi)核 C8051F系統(tǒng)單片機采用Silabs公司的專利CIP-51微控制器內(nèi)核。CIP-51內(nèi)核具有標準8052的所有部件，并在此基礎(chǔ)上進行了幾項關(guān)鍵性的改進，提高了整體的性能，更易于應(yīng)用。,2、中斷系統(tǒng) 擴展的中斷系統(tǒng)可響應(yīng)22個中斷源的中斷請求，在設(shè)計多任務(wù)實時系統(tǒng)時，大大增加了單片機對外界復雜多變情況的反應(yīng)能力。,3、存儲器

4、C8051F 系統(tǒng)單片機具有標準的8052的程序和數(shù)據(jù)存儲器的地址配置。存儲器包括256B的核內(nèi)RAM，還具有核外1KB～4KB的RAM。程序存儲器包括8KB～128KB的FLASH存儲器。C8051F02X等單片機中有可用于訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的外部存儲器接口（EMIF）。EMIF可以被配置為地址/數(shù)據(jù)復用方式或非復用方式。,4、模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換大部分的C8051Fxxx單片機內(nèi)部都有A/D轉(zhuǎn)換模塊，不同型號中的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單片機內(nèi)部有兩個12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，MCA可將任何一個DAC置于低功耗關(guān)斷方式。,5、并行接口C8051Fxxx單片機具有一般單片機的通用I/O端口，不同型號的引腳數(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、定時器和可編程計數(shù)器陣列 在C8051F系列單片機中都具有2～4個通用定時/計數(shù)器。在一些型號中還具有一個片內(nèi)可編程定時器/計數(shù)器陣

6、列（PCA）。,10.1.3 C8051F系列單片機的特點,1、指令運行速度高 由于C8051Fxxx單片機采用流水線結(jié)構(gòu)，廢除了機器周期的概念，指令以時鐘周期為運行單位，由標準的12個系統(tǒng)時鐘周期降為 1 個系統(tǒng)時鐘周期，處理能力大大提高。在相同時鐘下，指令運行速度比一般的80C51系列單片機提高大約10倍。70％指令的執(zhí)行時間為 1 個或 2 個系統(tǒng)時鐘周期，只有4條指令的執(zhí)行時間大于4個系統(tǒng)時鐘周期。,2、I/O端口功能

7、采用軟件配置實現(xiàn) 在C8051Fxxx單片機中，I/O 端口的通用基本輸入輸出特性與標準8051兼容，但I/O端口的其他功能則是由配置實現(xiàn)，這樣極大提高了端口配置的靈活性。,3、時鐘系統(tǒng)更加完善C8051F系列單片機具有一個更加完美和先進的時鐘系統(tǒng)，可采用多種時鐘源（2MHz、4MHz、8MHz或16MHz）MCU 內(nèi)部有一個能獨立工作的時鐘發(fā)生器，在復位后被默認為系統(tǒng)時鐘，其時鐘振蕩頻率是可編程的；可選擇外部時鐘振

8、蕩器或外部時鐘源產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘。在程序運行時，可通過軟件方便地實現(xiàn)時鐘內(nèi)外切換。,4、可實現(xiàn)通過JTAG口的在線系統(tǒng)調(diào)試 在 C8051FXXX 單片機（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)和測試提供完全的邊界掃描功能。,5、有多種復位方式C8051F提供了7個復位源：片內(nèi) VDD監(jiān)視器、看門狗定時器、時鐘失效檢測器、由比較器0提供的電壓檢測器、軟件強制復位、CNVSTR引腳及RST引腳。多復位源

9、提高了系統(tǒng)的安全性、靈活性，并有利于零功耗設(shè)計。,,6、進一步降低了系統(tǒng)功耗 C8051F 系列單片機采用了可降低系統(tǒng)功耗的多種方法： 1）采用3V（電壓范圍2.7V至3.6V）供電； 2）完善時鐘系統(tǒng)，在滿足響應(yīng)速度的要求下，使 系統(tǒng)的平均時鐘頻率最低，降低了功耗； 3）多種復位源，可使系統(tǒng)在掉電情況下，方便活地重新復位； 4）片上外設(shè)都能單個關(guān)閉或全部關(guān)閉以節(jié)省功耗。,10.1.4 C

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

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

12、x的結(jié)構(gòu)框圖,5、USB型USB型的主要特點是具有USB功能控制器；典型型號：C8051F32x,圖10－5C8051F32x的結(jié)構(gòu)框圖,6、高速型高速型的主要特點是單片機的工作速度高于其他型號；典型型號：C8051F12x/13x,圖10-6 C8051F12x/13x的結(jié)構(gòu)框圖,10.2C8051F單片機結(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

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公司標準8位8051單片機的組織結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)上加以改進和提高形成的。,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），實際上就是C8051F單片機的中央處理器（CPU）部分，主要完成運算和控制功能，管理整個單片機系統(tǒng)的各個外設(shè)的工作。,圖10-7 CIP-5

14、1原理框圖,2、CIP-51內(nèi)核的特點,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) 時鐘頻率為0～25MHz，執(zhí)行速度一般可達25兆指令/秒，有的型號最高執(zhí)行速度可達100兆指令/秒；4) 增加了流水線結(jié)構(gòu)，70%指令的執(zhí)行時間為1～2個系統(tǒng)時鐘周期；,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)擴展為可處理22個中斷源；7) 復位和時鐘電

15、路不包括在核內(nèi)；8) 具有程序和數(shù)據(jù)存儲器安全管理功能,3、CIP-51內(nèi)核的基本部件,1）中央處理器（CPU） C8051F系列的CPU是單片機最核心的部分，主要完成運算和控制功能，只是它的控制功能比通用處理器更強。CPU是8位中央處理單元。,2）數(shù)據(jù)存儲器（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）存儲器結(jié)構(gòu) C8051F單片機大部分系列都有位于片上的核外數(shù)據(jù)存儲器空間RAM（XRAM），除此還可向外擴展64KB RAM。存儲器接口就是用于控制和管理片上和片外的數(shù)據(jù)存儲器，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，大大提高了單片機的

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

18、成一個完整的單片機片上系統(tǒng)。,圖10-8 C8051F020 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,2、引腳定義及功能,C8051F02x系列單片機實際有效引腳有2種，即64個和100個，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型號的引腳定義及功能,說明,1）

19、 C8051F02x單片機的大部分I/O引腳都有2～3種功能，在復位時，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)，當要把它們作為其他功能模塊的轉(zhuǎn)入或轉(zhuǎn)出引腳時，需對它們進行配置。2） VDD和GND各為3個引腳，使用時建議全部接上，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輸出驅(qū)動其他電路，但需加一個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路模擬輸入采用復用方式（AIN1.0～AIN1.7），此時對輸入端最好采用加限壓或限流保護。,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，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單片機原理及應(yīng)用）。,3、C8051F單片機的工作原理,C8051F單片機是高集成度的SOC芯片，也是一個完整的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。它是以CIP-51F內(nèi)核（8051核）為核心的單片機系統(tǒng)。在C8051F單片機中采用流水線結(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行速度。,工作過程：,1） 單片機剛加電時，外部或內(nèi)部復位信號使單片機復位，各功能模塊均為停機等待，系統(tǒng)處于最小功耗狀