从Cygnal C8051F看8位单片机发展之路

3 Cygnal C8051F对80C51的技术突破

　　我们习惯于将各厂家生产的与51兼容的形形色色的单片机系列称之为80C51系列。它们都采用CMOS工艺，并与MCS-51兼容。

　　与MCS-51相比较，80C51已有很大发展。然而，当前Cygnal公司发展的C8051F系列，在许多方面已超出当前8位单片机水平，有许多新的技术概念需要学习与更新。

3.1 采用CIP-51内核大力提升CISC结构运行速度

　　迄今为止，MCS-51已成为8位机中运行最慢的系列。为了提升速度，DALLAS公司和PHILIPS公司采用传统的改变总线速度的办法，将机器周期从12个缩短到4个和6个，速度提升有限。

　　Cygnal公司在提升8051速度上采取了新的途径，即设法在保持CISC结构及指令系统不变的情况下，对指令运行实行流水作业，推出了CIP-51的CPU模式。在这种模式中，废除了机器周期的概念，指令以时钟周期为运行单位。平均每个时钟可以执行完1条单周期指令，从而大大提高了指令运行速度。即与8051相比，在相同时钟下单周期指令运行速度为原来的12倍；整个指令集平均运行速度为原来8051的9.5倍，使8051兼容机系列进入了8位高速单片机行列。

3.2 I/O从固定方式到交叉开关配置

　　迄今为止，I/O端口大都是固定为某个特殊功能的输入/输出口，可以是单功能或多功能，I/O端口可编程选择为单向/双向以及上拉、开漏等。固定方式的I/O端口，既占用引脚多，配置又不够灵活。为此，Scenix公司在推出的8位SX单片机系列中，采取虚拟外设的方法将I/O的固定方式转变为软件设定方式。而在Cygnal公司的C8051F中，则采用开关网络以硬件方式实现I/O端口的灵活配置，如图1所示。在这种通过交叉开关配置的I/O端口系统中，单片机外部为通用I/O口，如P0口、P1口和P2口。内有输入/输出的电路单元通过相应的配置寄存器控制的交叉开关配置到所选择的端口上。

图1

3.3 从系统时钟到时钟系统

　　早期单片机都是用1个时钟控制片内所有时序。进入CMOS时代后，由于低功耗设计的要求，出现了在一个主时钟下CPU运行速度可选择在不同的时钟频率下操作；或设置成高、低两个主时钟，按系统操作要求选择合适的时钟速度，或关闭时钟。而Cygnal公司的C8051F则提供了一个完整而先进的时钟系统，如图2所示。在这个系统中，片内设置有一个可编程的时钟振荡器（无需外部器件），可提供2、4、8和16 MHz时钟的编程设定。外部振荡器可选择4种方式。当程序运行时，可实现内外时钟的动态切换。编程选择的时钟输出CYSCLK除供片内使用外，还可从随意选择的I/O端口输出。

图2

3.4 从传统的仿真调试到基于JTAG接口的在系统调试

　　C8051F在8位单片机中率先配置了标准的JTAG接口（IEEE1149.1）。引入JTAG接口将使8位单片机传统的仿真调试产生彻底的变革。在上位机软件支持下，通过串行的JTAG接口直接对产品系统进行仿真调试。C8051F的JTAG接口不仅支持Flash ROM的读/写操作及非侵入式在系统调试，它的JTAG逻辑还为在系统测试提供边界扫描功能。通过边界寄存器的编程控制，可对所有器件引脚、SFR总线和I/O口弱上拉功能实现观察和控制。

3.5 从引脚复位到多源复位

　　在非CMOS单片机中，通常只提供引脚复位的1种方法。迄今为止的80C51系列单片机仍然停留在这一水平上。为了系统的安全和CMOS单片机的功耗管理，对系统的复位功能提出了越来越高的要求。Cygnal 公司的C8051F把80C51单一的外部复位发展成多源复位，如图3所示。C8051的多复位源提供了上电复位、掉电复位、外部引脚复位、软件复位、时钟检测复位、比较器0复位、WDT复位和引脚配置复位。众多的复位源为保障系统的安全、操作的灵活性以及零功耗系统设计带来极大的好处。

图3

3.6 最小功耗系统的最佳支持

　　在CMOS系统中，按照CMOS电路的特点，其系统功耗WS为

　　式中：C为负载电容，V为电源电压，f为时钟频率。

　　C8051F是8位机中首先摆脱5 V供电的单片机，实现了片内模拟与数字电路的3 V供电（电压范围2.7~3.6 V），大大降低了系统功耗；完善的时钟系统可以保证系统在满足响应速度要求下，使系统的平均时钟频率最低；众多的复位源使系统在掉电方式下，可随意唤醒，从而可灵活地实现零功耗系统设计。因此，C8051F具有极佳的最小功耗系统设计环境。

　　C8051F虽然摆脱了5 V供电，但仍可与5 V电路方便地连接。所有I/O端口可以接收5 V逻辑电平的输入，在选择开漏加上拉电阻到5 V后，也可驱动5 V的逻辑器件。

4 8051内核在SoC中再做贡献

　　SoC是嵌入式应用系统的最终形态。嵌入式系统应用中除了最底层最广泛应用的单片机外，基于PLD、硬件描述语言的EDA模式，基于IP库的微电子ASIC模式等，形成了众多的SoC解决方法。无论是微电子集成，还是PLD的可编程设计，或是单片机的模拟混合集成，目的都是SoC，手段也会逐渐形成基于处理器内核加上外围IP单元的模式。作为8位经典结构的8051已开始为众多厂家承认，并广泛用于SoC的处理器内核。

4.1 从单片机向SoC发展的8051内核

　　单片机从单片微型计算机向微控制器（MCU）发展，体现了单片机向SoC的发展方向，按系统要求不断扩展外围功能、外围接口以及系统要求的模拟、数字混合集成。在向SoC发展过程中，许多厂家引入8051内核构成SoC单片机。例如，ADI公司引入8051内核后配置自己的优势产品--信号调理电路，构成了用于数据采集的SoC；Cygnal公司则为8051配置了全面的系统驱动控制、前向/后向通道接口，构成了较全面的通用型SoC。

4.2 80C51内核在PLD中的SoC应用

　　基于PLD，采用硬件描述语言设计的电子系统是近年来十分流行的方法。在解决较大规模的智能化系统时，要求可编程逻辑门数量很大。这导致设计工作量大，资源很难充分利用，出错概率也大。随着IP核及处理器技术的发展，从事可编程逻辑器件的公司，在向SoC进军时，几乎都会将微处理器、存储单元、通用IP模块集成到PLD中构成可配置的SoC芯片（CSoC）。当设计人员使用这样的芯片开发产品时，由于系统设计所需部件已有80%集成在CSoC上，设计者可以节省许多精力。Triscend公司推出的E5系列SoC就是由以8051为处理器核，加上40 KB RAM、WDT、DMA和4万门带SoC总线的PLD组成，形成了一个以8051为内核的可编程的半定制SoC器件。

4.3 8051内核在可编程选择SoC（PSOC）器件中的应用

　　完全基于通用IP模块，由可编程选择来构成产品SoC的设想是由Cypress公司倡导并推出的。这种可编程选择的SoC取名为PSoC，由基本的CPU内核和预设外围部件组成。Cypress将多种数字和模拟器件、微处理器、处理器外围单元、外围接口电路集成到PSoC上，用户只需按产品的功能构建自己的产品系统即可。Cypress公司在构建PSoC中的8位处理器时，选择了8051。