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1、c8051f020中文资料关于C8051F020系统概述 C8051F020 器件是完全集成的混合信号系统级 MCU 芯片，具有 64 个数字 I/O 引脚。下面列出了一些主要特性；有关某一产品的具体特性参见表 1.1； 1. 高速、流水线结构的 8051 兼容的 CIP-51 内核 2. 全速、非侵入式的在系统调试接口 3. 真正 12 位 、 100 ksps 的8 通道 ADC， 带 PGA和模拟多路开关 4. 真正 8 位 500 ksps的 ADC，带 PGA和 8 通道模拟多路开关 5. 两个 12 位 DAC，具有可编程数据更新方式 6. 64K字节可在系统编程的 FLASH存储
2、器 7. 4352字节的片内 RAM 8. 可寻址 64K字节地址空间的外部数据存储器接口 9. 硬件实现的 SPI、SMBus/ I2C 和两个 UART 串行接口 10. 5 个通用的 16 位定时器 11. 具有 5 个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列 12. 片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器 具有片内 VDD 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的 C8051F020是真正能独立工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。FLASH 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新 8051 固件。 片内 JTAG调试电路允许使
3、用安装在最终应用系统上的产品 MCU进行非侵入式 、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、 单步及运行和停机命令。 在使用 JTAG调试时， 所有的模拟和数字外设都可全功能运行。 每个 MCU都可在工业温度范围内用 2.7V-3.6V的电压工作。端口 I/O、/RST 和 JTAG 引脚都容许 5V 的输入信号电压。C8051F020 为 100 脚 TQFP 封装见图 1.1）。 与 8051 完全兼容 C8051F020系列器件使用 Silicon Labs的专利 CIP-51 微控制器内核。CIP-51与 MCS-51TM指令集完全兼容，可以使用标准
4、 803x/805x 的汇编器和编译器进行软件开发。CIP-51内核具有标准 8052 的所有外设部件，包括 5个 16 位的计数器/定时器、两个全双工 UART、256 字节内部 RAM、128 字节特殊功能寄存器地址空间及 8/4 个字节宽的 I/O端口。 1.1.2 速度提高 CIP-51 采用流水线结构，与标准的 8051 结构相比指令执行速度有很大的提高。在一个标准的 8051 中，除 MUL和 DIV以外所有指令都需要 12 或 24 个系统时钟周期，最大系统时钟频率为 12-24MHz。而对于 CIP-51 内核，70%的指令的执行时间为 1 或2个系统时钟周期，只有 4 条指令
5、的执行时间大于 4 个系统时钟周期。 CIP-51 共有 111 条指令。下表列出了指令条数与执行时所需的系统时钟周期数的关系。 CIP-51 工作在最大系统时钟频率 25MHz 时，它的峰值性能达到 25MIPS。图 1.5 给出了几种 8 位微控制器内核工作在最大系统时钟时的峰值速度的比较关系。 C8051F020 系列 MCU 对 CIP-51 内核和外设有几项关键性的改进，提高了整体性能，更易于在最终应用中使用。 扩展的中断系统向 CIP-51 提供22 个中断源 ，允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。一个中断驱动的系统需要较少的 MCU干预，因而有更高的执行效率。在设计一个多任务实
6、时系统时，这些增加的中断源是非常有用的。 MCU 可有多达 7 个复位源：一个片内 VDD 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 0提供的电压检测器、一个软件强制复位、CNVSTR 引脚及/RST 引脚/RST 引脚是双向的，可接受外部复位或将内部产生的上电复位信号输出到/RST 引脚。 除了VDD监视器和复位输入引脚以外，每个复位源都可以由用户用软件禁止；使用 MONEN引脚使能/禁止 VDD监视器。在一次上电复位之后的 MCU初始化期间，WDT 可以被永久性使能。 MCU内部有一个独立运行的时钟发生器，在复位后被默认为系统时钟。如果需要，时钟源可以在运行时切换到外部振
7、荡器，外部振荡器可以使用晶体、陶瓷谐振器、电容、RC 或外部时钟源产生系统时钟。时钟切换功能在低功耗系统中是非常有用的，它允许 MCU从一个低频率外部晶体源运行，当需要时再周期性地切换到高速的内部振荡器。 CIP-51 有标准的 8051 程序和数据地址配置。它包括 256 字节的数据 RAM，其中高 128字节为双映射。用间接寻址访问通用 RAM 的高 128 字节，用直接寻址访问 128 字节的 SFR地址空间。数据 RAM 的低 128 字节可用直接或间接寻址方式访问。前 32 个字节为 4 个通用寄存器区，接下来的 16 字节既可以按字节寻址也可以按位寻址。 C8051F020中的 C
8、IP-51 还另有位于外部数据存储器地址空间的 4K 字节的 RAM 块和一个可用于访问外部数据存储器的外部存储器接口 。这个片内的 4K 字节 RAM 块可以在整个 64K 外部数据存储器地址空间中被寻址 。外部数据存储器地址空间可以只映射到片内存储器、只映射到片外存储器、或两者的组合 。EMIF可以被配置为地址/数据线复用方式或非复用方式。 MCU 的程序存储器包含 64K 字节的 FLASH。该存储器以 512 字节为一个扇区，可以在系统编程，且不需特别的外部编程电压。从 0xFE00 到 0xFFFF 的 512 字节被保留，由工厂使用。还有一个位于地址 0x10000 - 0x100
9、7F的 128字节的扇区，该扇区可作为一个小的软件常数表使用。图 1.7 给出了 MCU系统的存储器结构。 C8051F020系列具有片内JTAG边界扫描和调试电路， 通过4脚JTAG接口并使用安装在最终应用系统中的产品器件就可以进行非侵入式、全速的在系统调试。该JTAG接口完全符合IEEE 1149.1规范，为生产和测试提供完全的边界扫描功能。 Silicon Labs的调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、堆栈指示器和单步执行。不需要额外的目标RAM、程序存储器、定时器或通信通道。在调试时所有的模拟和数字外设都正常工作。当MCU单步执行或遇到断点而停止运行时，所有的外设都
10、停止运行，以保持与指令执行同步。 开发套件C8051F020DK具有开发应用代码所需要的全部硬件和软件，并可对C8051F020MCU进行在系统调试。开发套件中包括开发者工作室软件和调试器、一个集成的8051汇编器和一个RS-232转换到JTAG的串行适配器。套件中还有一个目标应用板，上面有对应的MCU和一大块样机区域。套件中还包括RS-232和JTAG电缆及一个墙装电源。开发套件需要一个运行Windows 95/98/Me/NT并有一个可用RS-232串口的计算机。如图1.8所示， PC机通过RS-232与串行适配器连接。一条六英寸的扁平电缆将串行适配器和用户的应用板连接起来，连接4个JTA
11、G引脚和VDD及GND。串行适配器从应用板获取其电源，在2.7-3.6V时其电源电流大约为20 mA。对于不能从目标板上获取足够电流的应用，可以将套件中提供的电源直接连到串行适配器上。 对于开发和调试嵌入式应用来说， 该系统的调试功能比采用标准MCU仿真器要优越得多。标准的MCU仿真器要使用在板仿真芯片和目标电缆，还需要在应用板上有MCU的插座。Silicon Labs的调试环境既便于使用又能保证精确模拟外设的性能。 80C51系列单片机及其衍生产品在我国乃至全世界范围获得了非常广泛的应用。单片机领域的大部分工作人员都熟悉80C51单片机，各大专院校都采用80C51系列单片机作为教学模型。随着
12、单片机的不断发展，市场上出现了很多高速、高性能的新型单片机，基于标准8051内核的单片机正面临着退出市场的境地。为此，一些半导体公司开始对传统8051内核进行大的构造，主要是提高速度和增加片内模拟和数字外设，以期大幅度提高单片机的整体性能。其中美国Cygnal公司推出的C8051F系列单片机把80C51系列单片机从MCU时代推向SoC时代，使得以8051为内核的单片机上了一个新的台阶。 C8051F系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8051兼容的CIP-51微控制器内核，采用流水线结构，单周期指令运行速度是8051的12倍，全指令集运行速度是原来的9.5倍。熟悉NCS-51系列单
13、片机的工程技术人员可以很容易地掌握C8051F的应用技术并能进行软件的移植。但是不能将8051的程序完全照搬的应用于C8051F单片机中，这是因为两者的内部资源存在较大的差异，必须经过加工才能予以使用。其中C8051F020以其功能较全面，应用较广泛的特点成为C8051F的代表性产品，其性能价格比在目前应用领域也极具竞争力。C8051F020的内部电路包括CIP-51微控制器内核及RAM、ROM、IO口、定时计数器、ADC、DAC、PCA、SPI和SMBus等部件，即把计算机的基本组成单元以及模拟和数字外设集成在一个芯片上，构成一个完整的片上系统(SoC)。本文将介绍C8051F020单片机与
14、80C51的异同点(主要是不同之处)及初学者编程时应该注意的问题，并给出经过Cygnal开发工具IDE调试环境软件验证的源程序。 2 相同点 C8051F020单片机与80C51系列单片机的指令系统完全一样。掌握80C51单片机的人员可以很容易地接受C8051F020的应用技术并能完成相应软件的移植。 3 主要硬件不同点 3.1 运行速度 C8051F020的指令运行速度是一般80C51系列单片机的10倍以上。因为其CIP-51中采用了流水线处理结构，已经没有了机器周期时序，指令执行的最小时序单位为系统时钟，大部分指令只要12个系统周期即可完成。又由于其时钟系统比80C51的更加完善，有多个时
15、钟源，且时钟源可编程，时钟频率范围为025 MHz，当CIP-5l工作在最大系统时钟频率25 MHz时，它的峰值速度可以达到25 MIs，C8051F020已进入了8位高速单片机行列。 3.2 IO端口的配置方式 C8051F020拥有8个8位的IO端口，大量减少了外部连线和器件扩展，有利于提高可靠性和抗干扰能力。其中低4个IO端口除可作为一般的通用IO端口外，还可作为其他功能模块的输入或输出引脚，它是通过交叉开关配置寄存器XBR0、XBR1、XBR2(各位名称及格式如表1所示)选择并控制的，它们控制优先权译码选择开关电路如图1所示，可将片内的计数器定时器、串行总线、硬件中断、比较器输出及其它
16、的数字信号配置为在端口IO引脚出现，这样用户可以根据自己的特定需要选择所需的数字资源和通用IO口。数字交叉开关是一个比较大的数字开关网路，这在所有80C51系列单片机上是一个空白。另外P1MDIN用于选择P1的输入方式是模拟输入还是数字输入，复位值为11111111B，即默认为数字输入方式。而80C51单片机的IO引脚是固定分配的，即占用引脚多，配置又不够灵活。 C8051F020通过优先权交叉开关译码器(如图2所示)控制数字开关网路，端口引脚的分配顺序是从P0.0开始一直到P3.7。当交叉开关配置寄存器XBR0、XBR1和XBR2中外设的对应使能位被设置为逻辑“1”时，交叉开关将端口引脚分配
17、给外设，例如，如果UARTOEN位(XBR0.2)被设置为逻辑“1”，则TX0和RX0引脚将分别被分配到P0.0和P0.1。因为UART0有最高优先权，所以当UARTOEN位被设置为逻辑“1”时其引脚将总是被分配到P0.0和P0.1。未被设置的交叉开关分配端口可作为通用IO口。注意：当选择了串行通信外设(即SMBus、SPI或UART)时，交叉开关将为所有相关功能分配引脚。例如，不能为UART0功能只分配TX0引脚而不分配RX0引脚。交叉开关寄存器被正确配置后，通过将XBARE(XBR2.6)设置为逻辑“1”来使能交叉开关。 3.3 内部功能 C8051F020内部带有数据采集所需的ADC和D
18、AC，其中ADC有两个，一个是8路12位逐次逼近型ADC，可编程转换速率，最大为100 kSs可通过多通道选择器配置为单端输入或差分输入。内有可编程增益放大器PGA用于将输入的信号放大，提高AD的转换精度。可编程增益为：0.5、1、2、4、8或16，复位时默认值为1。另一个是8路8位ADC，可编程转换速率最大为500 kSs，其可编程放大增益为0.5、1、2、4，复位时默认值为0.5。有2个12位的DAC，用于将12位的数字量转换为电压量，可产生连续变化的波形，两路信号可同步输出。 3.4 外部接口 C8051F020外设还增添了三个串行口。可同时与外界进行串行数据通信，SMBus兼容于I2C串行扩展总线；SPI串行扩展接口；两个增强型UART串口。C8051F020具有基于JTAG接口的在系统调试功能，片内的调试电路通过JTAG接口可提供高速、方便的在系统调试。 4 软件编程举例 鉴于C8051F020在硬件方面与80C51的不同之处，故它们在软件编程时也会有所区别，这种区别主要体现在初始化程序上。该程序是在Cygnal的开发工具即IDE调试环境中予以验证的。 例：利用定时器T0定时,在P1.2端输出一方波,方波周期为20 ms,已知晶振频率为12 MHz，采用中断的方式实现。
