從Cygnal C8051F看8位單片機發(fā)展之路

    在嵌入式系統低端的單片機領(lǐng)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(zhù)一個(gè)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(shí)施了最徹底的技術(shù)開(kāi)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(jīng)典的體系結構、極好的兼容性和Intel公司的開(kāi)放政策不僅使眾多廠(chǎng)家參與發(fā)展，也誘使半導體廠(chǎng)家對MCS-51實(shí)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、基本單元的兼容性保持著(zhù)8051內核的生命延續，并在未來(lái)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(guò)程，我們可以深刻領(lǐng)會(huì )到單片機發(fā)展的一些規律性東西。
 
　　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(guò)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(jīng)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(lái)相當長(cháng)的時(shí)間里，仍會(huì )保持這個(gè)勢頭。這是因為嵌入式系統和通用計算機系統有完全不同的應用特性，從而走向完全不同的技術(shù)發(fā)展道路。

　　嵌入式系統嵌入到對象體系中，并在對象環(huán)境下運行。與對象領(lǐng)域相關(guān)的操作主要是對外界物理參數進(jìn)行采集、處理，對外界對象實(shí)現控制，并與操作者進(jìn)行人機交互等。而對象領(lǐng)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(huì )隨時(shí)間變化。在8位單片機能基本滿(mǎn)足其響應速度要求后，數據寬度不成為技術(shù)發(fā)展的主要矛盾。因此8位單片機會(huì )穩定下來(lái)，其技術(shù)發(fā)展方向轉為最大限度地滿(mǎn)足對象的采集、控制、可靠性和低功耗等品質(zhì)要求。

　　隨著(zhù)現代通信技術(shù)的發(fā)展，智能化系統對DSP需求的增長(cháng)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(xiàn)的情況下，提高運行速度仍有潛力可挖。例如，采用RISC結構實(shí)現并行流水線(xiàn)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、嵌入式系統低端應用的巨大市場(chǎng)以及8位機具有的速度潛力，可以預期在未來(lái)相當長(cháng)的時(shí)間內，8位機仍然是嵌入式應用中的主流機型。

　　隨著(zhù)半導體技術(shù)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(kāi)發(fā)環(huán)境方面都會(huì )迅速地發(fā)展；因此，可以說(shuō)8位單片機雖然"古老"，但又會(huì )是一個(gè)十分活躍而新興的嵌入式領(lǐng)域。80C51系列從Intel公司的MCS-51發(fā)展到Cygnel公司的C8051F的過(guò)程充分地說(shuō)明了這一點(diǎn)。

　　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(fēng)景線(xiàn)。歷史最長(cháng)，長(cháng)盛不衰，眾星捧月，不斷更新，形成了既具有經(jīng)典性，又不乏生命力的一個(gè)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(jìn)行列?？偨Y80C51系列的發(fā)展歷史，可以看出單片機的3次技術(shù)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(jīng)典體系結構，但不久就放棄了進(jìn)一步發(fā)展計劃，并實(shí)施了8051的技術(shù)開(kāi)放政策。無(wú)論從主觀(guān)因素還是客觀(guān)因素，都是明智之舉。因為在創(chuàng )建一個(gè)完善的嵌入式計算機體系結構后，面臨的是不斷滿(mǎn)足嵌入式對象要求的各種控制功能。在8051實(shí)現開(kāi)放后，PHILIPS公司作為全球著(zhù)名的電器商以其在電子應用系統的優(yōu)勢，著(zhù)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(jìn)到80C51的MCU時(shí)代，形成了可滿(mǎn)足大量嵌入式應用的單片機系列產(chǎn)品。

　　2.2 引領(lǐng)Flash ROM潮流的第2次飛躍

　　當前，嵌入式系統普遍采用Flash ROM技術(shù)。Flash ROM的使用加速了單片機技術(shù)的發(fā)展?；贔lash ROM的ISP/IAP技術(shù)，極大地改變了單片機應用系統的結構模式以及開(kāi)發(fā)和運行條件；而在單片機中最早實(shí)現Flash ROM技術(shù)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(lái)說(shuō)，形成了一個(gè)良好的嵌入式處理器內核的結構模式。當前嵌入式系統應用進(jìn)入SoC模式，從各個(gè)角度，以不同方式向SoC進(jìn)軍，形成了嵌入式系統應用熱潮。在這個(gè)技術(shù)潮流中，8051又扮演了嵌入式系統內核的重要角色。在MCU向SoC過(guò)渡的數、?；旌霞傻倪^(guò)程中，ADI公司推出了ADμC8xx系列，而Cygnal公司則實(shí)現了向SoC的C8051F過(guò)渡；在PLD向SoC發(fā)展過(guò)程中，Triscend公司在可配置系統芯片CSoC的E5系列中便以8052作為處理器內核。
 

 

　　3 Cygnal C8051F對80C51的技術(shù)突破

　　我們習慣于將各廠(chǎng)家生產(chǎn)的與51兼容的形形色色的單片機系列稱(chēng)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(shù)概念需要學(xué)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公司采用傳統的改變總線(xiàn)速度的辦法，將機器周期從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，即設法在保持CISC結構及指令系統不變的情況下，對指令運行實(shí)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(shí)鐘周期為運行單位。平均每個(gè)時(shí)鐘可以執行完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(shí)鐘下單周期指令運行速度為原來(lái)的12倍；整個(gè)指令集平均運行速度為原來(lái)8051的9.5倍，使8051兼容機系列進(jìn)入了8位高速單片機行列。

　　3.2 I/O從固定方式到交叉開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò )以硬件方式實(shí)現I/O端口的靈活配置，如圖1所示。在這種通過(guò)交叉開(kāi)關(guān)配置的I/O端口系統中，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(guò)相應的配置寄存器控制的交叉開(kāi)關(guān)配置到所選擇的端口上。
　　　　　


　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1

　　3.3 從系統時(shí)鐘到時(shí)鐘系統

　　早期單片機都是用1個(gè)時(shí)鐘控制片內所有時(shí)序。進(jìn)入CMOS時(shí)代后，由于低功耗設計的要求，出現了在一個(gè)主時(shí)鐘下CPU運行速度可選擇在不同的時(shí)鐘頻率下操作；或設置成高、低兩個(gè)主時(shí)鐘，按系統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，如圖2所示。在這個(gè)系統中，片內設置有一個(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)鐘的編程設定。外部振蕩器可選擇4種方式。當程序運行時(shí)，可實(shí)現內外時(shí)鐘的動(dòng)態(tài)切換。編程選擇的時(shí)鐘輸出CYSCLK除供片內使用外，還可從隨意選擇的I/O端口輸出。
　　　　　　　　　


　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2

　　3.4 從傳統的仿真調試到基于JTAG接口的在系統調試

　　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位單片機傳統的仿真調試產(chǎn)生徹底的變革。在上位機軟件支持下，通過(guò)串行的JTAG接口直接對產(chǎn)品系統進(jìn)行仿真調試。C8051F的JTAG接口不僅支持Flash ROM的讀/寫(xiě)操作及非侵入式在系統調試，它的JTAG邏輯還為在系統測試提供邊界掃描功能。通過(guò)邊界寄存器的編程控制，可對所有器件引腳、SFR總線(xiàn)和I/O口弱上拉功能實(shí)現觀(guān)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。為了系統的安全和CMOS單片機的功耗管理，對系統的復位功能提出了越來(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(shí)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的安全、操作的靈活性以及零功耗系統設計帶來(lái)極大的好處。
　　　　　　　　　　　　


　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3

　　3.6 最小功耗系統的最佳支持

　　在CMOS系統中，按照CMOS電路的特點(diǎn)，其系統功耗WS為
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　


　　式中：C為負載電容，V為電源電壓，f為時(shí)鐘頻率。

　　C8051F是8位機中首先擺脫5 V供電的單片機，實(shí)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），大大降低了系統功耗；完善的時(shí)鐘系統可以保證系統在滿(mǎn)足響應速度要求下，使系統的平均時(shí)鐘頻率最低；眾多的復位源使系統在掉電方式下，可隨意喚醒，從而可靈活地實(shí)現零功耗系統設計。因此，C8051F具有極佳的最小功耗系統設計環(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(kāi)漏加上拉電阻到5 V后，也可驅動(dòng)5 V的邏輯器件。
 

 

　　4 8051內核在SoC中再做貢獻

　　SoC是嵌入式應用系統的最終形態(tài)。嵌入式系統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(yǔ)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(wú)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(huì )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(jīng)典結構的8051已開(kāi)始為眾多廠(chǎng)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，按系統要求不斷擴展外圍功能、外圍接口以及系統要求的模擬、數字混合集成。在向SoC發(fā)展過(guò)程中，許多廠(chǎng)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(chǎn)品--信號調理電路，構成了用于數據采集的SoC；Cygnal公司則為8051配置了全面的系統驅動(dòng)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(yǔ)言設計的電子系統是近年來(lái)十分流行的方法。在解決較大規模的智能化系統時(shí)，要求可編程邏輯門(mén)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(zhù)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(kāi)發(fā)產(chǎn)品時(shí)，由于系統設計所需部件已有80%集成在CSoC上，設計者可以節省許多精力。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(mén)帶SoC總線(xiàn)的PLD組成，形成了一個(gè)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(lái)構成產(chǎn)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(hù)只需按產(chǎn)品的功能構建自己的產(chǎn)品系統即可。Cypress公司在構建PSoC中的8位處理器時(shí)，選擇了8051。 

 

　　結束語(yǔ)

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

　?、?在單片機家族中，MCS-51是一個(gè)獨特的系列。Intel公司創(chuàng )建了8位機的經(jīng)典系列結構，并實(shí)施技術(shù)開(kāi)發(fā)政策，使這個(gè)系列歷經(jīng)滄桑而不老。

　?、?PHILIPS等著(zhù)名大電器商以自己在電子應用技術(shù)方面的優(yōu)勢，與Intel公司技術(shù)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(shí)代，創(chuàng )造了許多優(yōu)異的單片機產(chǎn)品，形成了獨特的、包含許多公司兼容產(chǎn)品的80C51系列。

　?、?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位機中進(jìn)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（SoC）內核，顯示了嵌入式系統硬件體系典型的變化過(guò)程。在嵌入式系統SoC的最終體系中，MCS-51以8051處理器內核的形式延續下去。這對于國內外從事80C51教學(xué)和科研的廣大人士來(lái)說(shuō)，無(wú)論是過(guò)去、現在和未來(lái)都能感受它帶來(lái)的好處。
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