系列SOC单片机教学.ppt
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1、第十章第十章 C8051F系列系列SOC单片机单片机10.1 C8051F系列单片机简介10.2 C8051F单片机结构及原理 10.1 C8051F系列单片机简介 10.1.1 C8051F系列单片机的诞生美国美国 Silabs Silabs 公司推出的公司推出的C8051FC8051F系列单片机，系列单片机，把把 C8051F C8051F 系列单片机从微控制器（系列单片机从微控制器（MCUMCU）时代推）时代推向片上系统（向片上系统（SOC SOC）时代，使其以）时代，使其以80518051为内核的为内核的单片机上了一个新的台阶。单片机上了一个新的台阶。l lSOCSOC即即 Syste
2、m On Chip System On Chip 的缩写，即把计算机常的缩写，即把计算机常用的一些数字模拟设备全部都做在一块芯片上，用的一些数字模拟设备全部都做在一块芯片上，使之成为一个完整的模拟数据采集与控制系统。使之成为一个完整的模拟数据采集与控制系统。l lC8051FC8051F系列单片机是一种高集成度的系列单片机是一种高集成度的SOCSOC型芯片，型芯片，具有与具有与 8051 8051 兼容的微控制器内核，与兼容的微控制器内核，与MCS-51MCS-51指指令系统完全兼容。除具有标准令系统完全兼容。除具有标准 8051 8051 部件外，片部件外，片内还具有数据采集和控制系统中常用
3、的模拟部件内还具有数据采集和控制系统中常用的模拟部件及其他数字外设部件。及其他数字外设部件。l lC8051FC8051F系列单片机既能处理数字信号也能处理模系列单片机既能处理数字信号也能处理模拟信号，所以称为混合信号系统级芯片或片上单拟信号，所以称为混合信号系统级芯片或片上单片机系统，简称单片机。片机系统，简称单片机。10.1.2 C8051F系统单片机的组成1 1、CIP-51CIP-51微控制器内核微控制器内核 C8051F系统单片机采用Silabs公司的专利CIP-51微控制器内核。CIP-51内核具有标准8052的所有部件，并在此基础上进行了几项关键性的改进，提高了整体的性能，更易于
4、应用。2 2、中断系统、中断系统 扩展的中断系统可响应扩展的中断系统可响应2222个中断源的中断请个中断源的中断请求，在设计多任务实时系统时，大大增加了单片求，在设计多任务实时系统时，大大增加了单片机对外界复杂多变情况的反应能力。机对外界复杂多变情况的反应能力。3 3、存储器、存储器l lC8051F C8051F 系统单片机具有标准的系统单片机具有标准的80528052的程序和数的程序和数据存储器的地址配置。存储器包括据存储器的地址配置。存储器包括256B256B的核内的核内RAMRAM，还具有核外，还具有核外1KB1KB4KB4KB的的RAMRAM。程序存储器包。程序存储器包括括8KB8K
5、B128KB128KB的的FLASHFLASH存储器。存储器。l lC8051F02XC8051F02X等单片机中有可用于访问外部数据存等单片机中有可用于访问外部数据存储器的外部存储器接口（储器的外部存储器接口（EMIFEMIF）。）。EMIFEMIF可以被配可以被配置为地址置为地址/数据复用方式或非复用方式。数据复用方式或非复用方式。4 4、模数和数模转换、模数和数模转换l l大部分的大部分的C8051FxxxC8051Fxxx单片机内部都有单片机内部都有A/DA/D转换模块，转换模块，不同型号中的不同型号中的A/DA/D转换位数、转换速度和输入通转换位数、转换速度和输入通道数不完全相同。道
6、数不完全相同。l l部分的部分的C8051FxxxC8051Fxxx单片机内部有两个单片机内部有两个1212位数模转位数模转换器，换器，MCAMCA可将任何一个可将任何一个DACDAC置于低功耗关断方式。置于低功耗关断方式。5 5、并行接口、并行接口l lC8051FxxxC8051Fxxx单片机具有一般单片机的通用单片机具有一般单片机的通用I/OI/O端口，端口，不同型号的引脚数量不同，不同型号的引脚数量不同，I/OI/O端口的部分引脚端口的部分引脚可通过软件配置成不同的特殊功能。可通过软件配置成不同的特殊功能。6 6、串行接口、串行接口 C8051F C8051F系列系列MCUMCU除了具
7、有全双工除了具有全双工UARTUART串行口之串行口之外，还增加了外，还增加了SPISPI总线和总线和 SMBus/I SMBus/I2 2 总线。总线。7 7、定时器和可编程计数器阵列、定时器和可编程计数器阵列 在在C8051FC8051F系列单片机中都具有系列单片机中都具有2 24 4个通用定个通用定时时/计数器。在一些型号中还具有一个片内可编计数器。在一些型号中还具有一个片内可编程定时器程定时器/计数器阵列（计数器阵列（PCAPCA）。）。10.1.3 C8051F系列单片机的特点1 1、指令运行速度高、指令运行速度高 由于C8051Fxxx单片机采用流水线结构，废除了机器周期的概念，指
8、令以时钟周期为运行单位，由标准的12个系统时钟周期降为 1 个系统时钟周期，处理能力大大提高。在相同时钟下，指令运行速度比一般的80C51系列单片机提高大约10倍。70指令的执行时间为 1 个或 2 个系统时钟周期，只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。2 2、I/OI/O端口功能采用软件配置实现端口功能采用软件配置实现 在在C8051FxxxC8051Fxxx单片机中，单片机中，I/O I/O 端口的通用基本端口的通用基本输入输出特性与标准输入输出特性与标准80518051兼容，但兼容，但I/OI/O端口的其端口的其他功能则是由配置实现，这样极大提高了端口配他功能则是由配置实现，这样极
9、大提高了端口配置的灵活性。置的灵活性。3、时钟系统更加完善l lC8051FC8051F系列单片机具有一个更加完美和先进的时系列单片机具有一个更加完美和先进的时钟系统，可采用多种时钟源（钟系统，可采用多种时钟源（2MHz2MHz、4MHz4MHz、8MHz8MHz或或16MHz16MHz）l lMCU MCU 内部有一个能独立工作的时钟发生器，在复内部有一个能独立工作的时钟发生器，在复位后被默认为系统时钟，其时钟振荡频率是可编位后被默认为系统时钟，其时钟振荡频率是可编程的；可选择外部时钟振荡器或外部时钟源产生程的；可选择外部时钟振荡器或外部时钟源产生系统时钟。系统时钟。l l在程序运行时，可通
10、过软件方便地实现时钟内外在程序运行时，可通过软件方便地实现时钟内外切换。切换。4 4、可实现通过、可实现通过JTAGJTAG口的在线系统调试口的在线系统调试 在在 C8051FXXX C8051FXXX 单片机（单片机（8 8位）中首先配置了位）中首先配置了片内片内JTAGJTAG接口和调试电路，可为生产和测试提供接口和调试电路，可为生产和测试提供完全的边界扫描功能。完全的边界扫描功能。5 5、有多种复位方式、有多种复位方式l lC8051FC8051F提供了提供了7 7个复位源：片内个复位源：片内 V VDDDD监视器、看监视器、看门狗定时器、时钟失效检测器、由比较器门狗定时器、时钟失效检测
11、器、由比较器0 0提供提供的电压检测器、软件强制复位、的电压检测器、软件强制复位、CNVSTRCNVSTR引脚及引脚及RSTRST引脚。引脚。l l多复位源提高了系统的安全性、灵活性，并有利多复位源提高了系统的安全性、灵活性，并有利于零功耗设计。于零功耗设计。6 6、进一步降低了系统功耗、进一步降低了系统功耗 C8051F C8051F 系列单片机采用了可降低系统功耗的系列单片机采用了可降低系统功耗的多种方法：多种方法：1 1）采用）采用3V3V（电压范围（电压范围2.7V2.7V至至3.6V3.6V）供电；）供电；2 2）完善时钟系统，在满足响应速度的要求下，使）完善时钟系统，在满足响应速度
12、的要求下，使 系统的平均时钟频率最低，降低了功耗；系统的平均时钟频率最低，降低了功耗；3 3）多种复位源，可使系统在掉电情况下，方便）多种复位源，可使系统在掉电情况下，方便活地重新复位；活地重新复位；4 4）片上外设都能单个关闭或全部关闭以节省功）片上外设都能单个关闭或全部关闭以节省功耗。耗。10.1.4 C8051F系列单片机分类 C8051FC8051F系列单片机型号很多，按照它们的主要系列单片机型号很多，按照它们的主要共性大约可以分为共性大约可以分为 10 10 个子系列；按照它们的主个子系列；按照它们的主要区别分为要区别分为 6 6 类。类。1 1、通用型、通用型l l通用型通用型C8
13、051FxxxC8051Fxxx单片机功能比较全面，通用性单片机功能比较全面，通用性较好，应用较为广泛。较好，应用较为广泛。l l典型型号：典型型号：C8051F310/020/022/005/C8051F310/020/022/005/330 330等等图101 C8051F310的结构框图2 2、超微型、超微型l l超微型超微型 C8051Fxxx C8051Fxxx单片机主要特点是结构简单，单片机主要特点是结构简单，功能减少，体积大大缩小，仅有功能减少，体积大大缩小，仅有3mm3mm3mm3mm，外部，外部引脚为引脚为1111个。个。l l典型型号：典型型号：C8051F30 x C80
14、51F30 x子系列子系列图102 C8051F30 x的结构框图3 3、CANCAN型型l l主要特点是增加了主要特点是增加了CANCAN总线；总线；l l典型型号：典型型号：C8051F04XC8051F04X图103 C8051F04x的结构框图4 4、精确、精确A/DA/D型型l l精确精确A/DA/D型主要特点是具有转换精度较高的型主要特点是具有转换精度较高的A/DA/D模块。模块。l l典型型号：典型型号：C8051F35xC8051F35x，C8051F06xC8051F06x图104 C8051F35x的结构框图5 5、USBUSB型型l lUSBUSB型的主要特点是具有型的主
15、要特点是具有USBUSB功能控制器；功能控制器；l l典型型号：典型型号：C8051F32xC8051F32x图105 C8051F32x的结构框图6 6、高速型、高速型l l高速型的主要特点是单片机的工作速度高于其高速型的主要特点是单片机的工作速度高于其他型号；他型号；l l典型型号：典型型号：C8051F12x/13xC8051F12x/13x图10-6 C8051F12x/13x的结构框图10.2C8051F单片机结构及原理 以功能较全面，应用较广泛的以功能较全面，应用较广泛的C8051F02xC8051F02x子系列子系列为例，介绍以为例，介绍以CIP-51CIP-51为内核为内核C8
16、051FC8051F系列单片机的结系列单片机的结构及工作原理。构及工作原理。10.2.1 C8051F的CIP-51内核 CIP-51CIP-51内核内核,它是在它是在IntelIntel公司标准公司标准8 8位位80518051单单片机的组织结构和功能的基础上加以改进和提高片机的组织结构和功能的基础上加以改进和提高形成的。形成的。1 1、CIP-51CIP-51内核的组成及结构内核的组成及结构 CIP-51CIP-51内核也称为微控制器（内核也称为微控制器（Micro Micro Controller UnitController Unit，MCU MCU），实际上就是），实际上就是C805
17、1FC8051F单片机的中央处理器（单片机的中央处理器（CPUCPU）部分，主要完成运）部分，主要完成运算和控制功能，管理整个单片机系统的各个外设算和控制功能，管理整个单片机系统的各个外设的工作。的工作。图10-7 CIP-51原理框图2 2、CIP-51CIP-51内核的特点内核的特点1)1)主要功能部件及组成与主要功能部件及组成与80518051相同；相同；2)2)与与MCS-51MCS-51指令系统完全兼容；指令系统完全兼容；3)3)时钟频率为时钟频率为0 025MHz25MHz，执行速度一般可达，执行速度一般可达2525兆指令兆指令/秒，有的型号最高执行速度可达秒，有的型号最高执行速度
18、可达100100兆指令兆指令/秒；秒；4)4)增加了流水线结构，增加了流水线结构，70%70%指令的执行时间为指令的执行时间为1 12 2个系统时钟周期；个系统时钟周期；5)5)与模与模/数、数字外设有关的数、数字外设有关的SFRSFR移到核外，通移到核外，通过过SFRSFR接口与接口与CPUCPU交换信息；交换信息；6)6)中断系统扩展为可处理中断系统扩展为可处理2222个中断源；个中断源；7)7)复位和时钟电路不包括在核内；复位和时钟电路不包括在核内；8)8)具有程序和数据存储器安全管理功能具有程序和数据存储器安全管理功能3、CIP-51内核的基本部件内核的基本部件 1 1 1 1）中央处
19、理器（）中央处理器（）中央处理器（）中央处理器（CPUCPUCPUCPU）C8051F C8051F系列的系列的CPUCPU是单片机最核心的部分，是单片机最核心的部分，主要完成运算和控制功能，只是它的控制功主要完成运算和控制功能，只是它的控制功能比通用处理器更强。能比通用处理器更强。CPUCPU是是8 8位中央处理单位中央处理单元。元。2 2 2 2）数据存储器（片内）数据存储器（片内）数据存储器（片内）数据存储器（片内RAMRAMRAMRAM）C8051FC8051F内核中有内核中有256B256B的的RAM,RAM,地址空间为地址空间为00H00HFFHFFH。特殊功能寄存器（。特殊功能寄
20、存器（SFRSFR）其地址为）其地址为80H80HFFHFFH，与部分，与部分RAMRAM地址重叠，用不同的寻址方地址重叠，用不同的寻址方式区分它们。式区分它们。3 3 3 3）SFRSFRSFRSFR总线接口总线接口总线接口总线接口 SFRSFR总线接口用于控制与管理核外的数字与总线接口用于控制与管理核外的数字与模拟功能模块，以及所有的模拟功能模块，以及所有的I/OI/O端口等。端口等。4 4 4 4）存储器结构）存储器结构）存储器结构）存储器结构 C8051F C8051F单片机大部分系列都有位于片上的核单片机大部分系列都有位于片上的核外数据存储器空间外数据存储器空间RAMRAM（XRAM
21、XRAM），除此还可向），除此还可向外扩展外扩展64KB RAM64KB RAM。存储器接口就是用于控制和。存储器接口就是用于控制和管理片上和片外的数据存储器，需要用管理片上和片外的数据存储器，需要用MOVXMOVX访访问。问。5 5 5 5）流水线结构）流水线结构）流水线结构）流水线结构 在在CIP-51CIP-51中采用流水线结构，使多条指令并中采用流水线结构，使多条指令并行执行，大大提高了单片机的执行速度。行执行，大大提高了单片机的执行速度。6 6 6 6）中断系统）中断系统）中断系统）中断系统 C8051F C8051F系列单片机的中断系统可以满足一般系列单片机的中断系统可以满足一般控
22、制应用需要，中断源最多可达控制应用需要，中断源最多可达2222个。个。10.2.2 C8051F单片机的结构与原理 1、C8051F02x单片机的组成与结构单片机的组成与结构 C8051F020C8051F020单片机是以单片机是以80518051内核为中心，通过内核为中心，通过SFRSFR总线、外部数据存储总线、系统时钟线、复总线、外部数据存储总线、系统时钟线、复位线等与位线等与64KB FLASH64KB FLASH、4KB XRAM4KB XRAM、数字功能模块、数字功能模块、模拟功能模块、片上时钟系统和模拟功能模块、片上时钟系统和JTAGJTAG逻辑电路相逻辑电路相连，构成一个完整的单
23、片机片上系统。连，构成一个完整的单片机片上系统。图10-8 C8051F020 内部结构图2、引脚定义及功能、引脚定义及功能 C8051F02xC8051F02x系列单片机实际有效引脚有系列单片机实际有效引脚有2 2种，种，即即6464个和个和100100个，封装形式个，封装形式TQFPTQFP（Thin Quad Thin Quad Flat PackageFlat Package），它的体积很小、很薄，是一），它的体积很小、很薄，是一种表面贴焊的封装形式，芯片尺寸为种表面贴焊的封装形式，芯片尺寸为17mm x 17mm x 17mm17mm。图10-9 TQFP-100引脚图图2-4 TQ
24、FP-64引脚图引脚引脚名称名称不同芯片引脚号不同芯片引脚号引脚类型引脚类型功能说明功能说明F020F020F021F021F022F022F023F023VDDVDD37,64,9037,64,9024,41,5724,41,57数字电源数字电源DGNDDGND38,63,8938,63,8925,40,5625,40,56数字地数字地AV+AV+11,1411,146 6模拟电源模拟电源AGNDAGND10,1310,135 5模拟地模拟地TMSTMS1 15858数字输入数字输入带内部上拉的带内部上拉的JTAGJTAG测试模式选择测试模式选择TCKTCK2 25959数字输入数字输入带内
25、部上拉的带内部上拉的JTAGJTAG测试时钟测试时钟TDITDI3 36060数字输入数字输入带内部上拉的带内部上拉的JTAGJTAG测试数据输入。测试数据输入。在在TCKTCK上升沿锁存上升沿锁存TDITDITDOTDO4 46161数字输出数字输出带内部上拉的带内部上拉的JTAGJTAG测试数据输出测试数据输出,数数据在据在TCKTCK的下降沿从的下降沿从TDOTDO引脚输出引脚输出,TDO,TDO输出是一个三态驱动器输出是一个三态驱动器表表1 C8051F02x型号的引脚定义及功能型号的引脚定义及功能引脚名称引脚名称不同芯片引脚号不同芯片引脚号引脚类型引脚类型功能说明功能说明F020F0
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