1、第十章第十章 C8051F系列系列(xli)SOC單單片機片機第1頁/共61頁第一頁，共62頁。 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(n s)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（ SOC ）時代，使其以8051為內核的單片機上了一個新的臺階。第2頁/共61頁第二頁，共62頁。lSOC即 System On Chip 的縮寫，即把計算機常用的一些數字模擬設備全部都做在一塊芯片上，使之成為一個完整的模擬數據采集與控制系統。lC8051F系列單片機是一種(y zhn)高集

2、成度的SOC型芯片，具有與 8051 兼容的微控制器內核，與MCS-51指令系統完全兼容。除具有標準 8051 部件外，片內還具有數據采集和控制系統中常用的模擬部件及其他數字外設部件。第3頁/共61頁第三頁，共62頁。lC8051F系列單片機既能處理數字信號也能處理模擬信號，所以(suy)稱為混合信號系統級芯片或片上單片機系統，簡稱單片機。第4頁/共61頁第四頁，共62頁。10.1.2 C8051F系統(xtng)單片機的組成1 1、CIP-51CIP-51微控制器內核 C8051F C8051F系統單片機采用SilabsSilabs公司的專利CIP-51CIP-51微控制器內核。CIP-51

3、CIP-51內核具有(jyu)(jyu)標準80528052的所有部件，并在此基礎上進行了幾項關鍵性的改進，提高了整體的性能，更易于應用。第5頁/共61頁第五頁，共62頁。 2、中斷系統 擴展的中斷系統可響應(xingyng)22個中斷源的中斷請求，在設計多任務實時系統時，大大增加了單片機對外界復雜多變情況的反應能力。第6頁/共61頁第六頁，共62頁。3 3、存儲器C8051F C8051F 系統單片機具有標準的80528052的程序和數據存儲器的地址配置。存儲器包括256B256B的核內RAMRAM，還具有核外1KB1KB4KB4KB的RAMRAM。程序存儲器包括8KB8KB128KB128

4、KB的FLASHFLASH存儲器。C8051F02XC8051F02X等單片機中有可用于訪問外部數據存儲器的外部存儲器接口（EMIFEMIF）。EMIFEMIF可以(ky)(ky)被配置為地址/ /數據復用方式或非復用方式。第7頁/共61頁第七頁，共62頁。4 4、模數和數模轉換大部分的C8051FxxxC8051Fxxx單片機內部都有A/DA/D轉換模塊，不同型號中的A/DA/D轉換位數、轉換速度和輸入通道數不完全相同。部分的C8051FxxxC8051Fxxx單片機內部有兩個(lin )12(lin )12位數模轉換器，MCAMCA可將任何一個DACDAC置于低功耗關斷方式。第8頁/共61

5、頁第八頁，共62頁。5 5、并行接口C8051FxxxC8051Fxxx單片機具有一般單片機的通用I/OI/O端口，不同型號(xngho)(xngho)的引腳數量不同，I/OI/O端口的部分引腳可通過軟件配置成不同的特殊功能。第9頁/共61頁第九頁，共62頁。 6、串行接口 C8051F系列MCU除了(ch le)具有全雙工UART串行口之外，還增加了SPI總線和 SMBus/I2 總線。第10頁/共61頁第十頁，共62頁。 7、定時器和可編程計數器陣列 在C8051F系列單片機中都具有24個通用定時/計數器。在一些(yxi)型號中還具有一個片內可編程定時器/計數器陣列（PCA）。第11頁/共

6、61頁第十一頁，共62頁。10.1.3 C8051F系列(xli)單片機的特點1 1、指令運行速度高 由于C8051FxxxC8051Fxxx單片機采用流水線結構，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1212個系統時鐘周期降為 1 1 個系統時鐘周期，處理能力(nngl)(nngl)大大提高。在相同時鐘下，指令運行速度比一般的80C5180C51系列單片機提高大約1010倍。7070指令的執行時間為 1 1 個或 2 2 個系統時鐘周期，只有4 4條指令的執行時間大于4 4個系統時鐘周期。第12頁/共61頁第十二頁，共62頁。 2、I/O端口功能(gngnng)采用軟件配置

7、實現 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(gngnng)則是由配置實現，這樣極大提高了端口配置的靈活性。第13頁/共61頁第十三頁，共62頁。3、時鐘系統更加完善C8051F系列(xli)單片機具有一個更加完美和先進的時鐘系統，可采用多種時鐘源（2MHz、4MHz、8MHz或16MHz）MCU 內部有一個能獨立工作的時鐘發生器，在復位后被默認為系統時鐘，其時鐘振蕩頻率是可編程的；可選擇外部時鐘振蕩器或外部時鐘源產生系統時鐘。在程序運行時，可通過軟件方便地實現時鐘內外切換。第14頁/共61頁第十四頁，共62頁。 4、可實現通

8、過JTAG口的在線系統調試 在 C8051FXXX 單片機（8位）中首先配置了片內JTAG接口( ji ku)和調試電路，可為生產和測試提供完全的邊界掃描功能。第15頁/共61頁第十五頁，共62頁。5 5、有多種復位方式C8051FC8051F提供了7 7個復位源：片內 VDD VDD監視器、看門狗定時器、時鐘失效檢測器、由比較器0 0提供的電壓檢測器、軟件強制(qingzh)(qingzh)復位、CNVSTRCNVSTR引腳及RSTRST引腳。多復位源提高了系統的安全性、靈活性，并有利于零功耗設計。第16頁/共61頁第十六頁，共62頁。 6、進一步降低了系統功耗(n ho) C8051F 系

9、列單片機采用了可降低系統功耗(n ho)的多種方法： 1）采用3V（電壓范圍至）供電； 2）完善時鐘系統，在滿足響應速度的要求下，使 系統的平均時鐘頻率最低，降低了功耗(n ho)； 3）多種復位源，可使系統在掉電情況下，方便活地重新復位； 4）片上外設都能單個關閉或全部關閉以節省功耗。第17頁/共61頁第十七頁，共62頁。 10.1.4 C8051F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(fn wi) 10 個子系列；按照它們的主要區別分為(fn wi) 6 類。第18頁/共61頁第十八頁，共62頁。1 1、通用型通用型C8051FxxxC8051Fx

10、xx單片機功能比較全面，通用性較好，應用較為廣泛。典型(dinxng)(dinxng)型號：C8051F310 / 020 / 022 / 005 /C8051F310 / 020 / 022 / 005 / 330 330等第19頁/共61頁第十九頁，共62頁。圖101 C8051F310的結構(jigu)框圖第20頁/共61頁第二十頁，共62頁。2 2、超微型超微型 C8051Fxxx C8051Fxxx單片機主要特點(tdin)(tdin)是結構簡單，功能減少，體積大大縮小，僅有3mm3mm3mm3mm，外部引腳為1111個。典型型號： C8051F30 x C8051F30 x子系列第

11、21頁/共61頁第二十一頁，共62頁。圖102 C8051F30 x的結構(jigu)框圖第22頁/共61頁第二十二頁，共62頁。3 3、CANCAN型主要特點是增加了CANCAN總線；典型(dinxng)(dinxng)型號：C8051F04XC8051F04X第23頁/共61頁第二十三頁，共62頁。圖103 C8051F04x的結構(jigu)框圖第24頁/共61頁第二十四頁，共62頁。4 4、精確A/DA/D型精確A/DA/D型主要特點是具有轉換(zhunhun)(zhunhun)精度較高的A/DA/D模塊。典型型號：C8051F35xC8051F35x，C8051F06xC8051F0

12、6x第25頁/共61頁第二十五頁，共62頁。圖104C8051F35x的結構(jigu)框圖第26頁/共61頁第二十六頁，共62頁。5 5、USBUSB型USBUSB型的主要特點是具有USBUSB功能(gngnng)(gngnng)控制器；典型型號：C8051F32xC8051F32x第27頁/共61頁第二十七頁，共62頁。圖105 C8051F32x的結構(jigu)框圖第28頁/共61頁第二十八頁，共62頁。6 6、高速(o s)(o s)型高速(o s)(o s)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/13xC8051F12x/13x第29頁/共61頁第

13、二十九頁，共62頁。圖10-6 C8051F12x/13x的結構(jigu)框圖第30頁/共61頁第三十頁，共62頁。10.2C8051F單片機結構(jigu)及原理 以功能較全面，應用較廣泛的C8051F02x子系列為例，介紹( jisho)以CIP-51為內核C8051F系列單片機的結構及工作原理。第31頁/共61頁第三十一頁，共62頁。10.2.1 C8051F的CIP-51內核(ni h) CIP-51內核,它是在Intel公司(n s)標準8位8051單片機的組織結構和功能的基礎上加以改進和提高形成的。第32頁/共61頁第三十二頁，共62頁。1 1、CIP-51CIP-51內核(ni

14、 h)(ni h)的組成及結構 CIP- 51內核也稱為(chn wi)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的各個外設的工作。第33頁/共61頁第三十三頁，共62頁。圖10-7 CIP-51原理(yunl)框圖第34頁/共61頁第三十四頁，共62頁。2 2、CIP-51CIP-51內核(ni h)(ni h)的特點1) 主要功能部件及組成與8051相同；2) 與MCS-51指令系統完全兼容；3) 時鐘頻率為025MHz，執行速度(sd)一般可達25兆指令/秒，有的型號

15、最高執行速度(sd)可達100兆指令/秒；4) 增加了流水線結構，70%指令的執行時間為12個系統時鐘周期；第35頁/共61頁第三十五頁，共62頁。5) 與模/數、數字外設有關的SFR移到核外，通過SFR接口與CPU交換信息(xnx)；6) 中斷系統擴展為可處理22個中斷源；7) 復位和時鐘電路不包括在核內；8) 具有程序和數據存儲器安全管理功能第36頁/共61頁第三十六頁，共62頁。3、CIP-51內核(ni h)的基本部件 1）中央處理器（CPU） C8051F系列的CPU是單片機最核心(hxn)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。第

16、37頁/共61頁第三十七頁，共62頁。 2）數據存儲器（片內RAM） C8051F內核中有256B的RAM,地址空間為00HFFH。特殊功能寄存器（SFR）其地址為80HFFH，與部分(b fen)RAM地址重疊，用不同的尋址方式區分它們。 3）SFR總線接口 SFR總線接口用于控制與管理核外的數字與模擬功能模塊，以及所有的I/O端口等。第38頁/共61頁第三十八頁，共62頁。 4）存儲器結構 C8051F單片機大部分系列都有位于片上的核外數據存儲器空間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據存儲器，需要(xyo)用MOVX訪問。第39

17、頁/共61頁第三十九頁，共62頁。 5）流水線結構 在CIP-51中采用流水線結構，使多條指令并行執行(zhxng)，大大提高了單片機的執行(zhxng)速度。 6）中斷系統 C8051F系列單片機的中斷系統可以滿足一般控制應用需要，中斷源最多可達22個。第40頁/共61頁第四十頁，共62頁。10.2.2 C8051F單片機的結構(jigu)與原理 1、C8051F02x單片機的組成與結構 C8051F020單片機是以8051內核為中心，通過SFR總線、外部數據存儲總線、系統(xtng)時鐘線、復位線等與64KB FLASH、4KB XRAM、數字功能模塊、模擬功能模塊、片上時鐘系統(xtng

18、)和JTAG邏輯電路相連，構成一個完整的單片機片上系統(xtng)。第41頁/共61頁第四十一頁，共62頁。圖10-8 C8051F020 內部(nib)結構圖第42頁/共61頁第四十二頁，共62頁。2、引腳定義(dngy)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(y zhn)表面貼焊的封裝形式，芯片尺寸為17mm x 17mm。第43頁/共61頁第四十三頁，共62頁。圖10-9 TQFP-100引腳圖第44頁/共61頁第四十四頁，共62頁。圖2-4 TQFP-64引

19、腳圖第45頁/共61頁第四十五頁，共62頁。引腳名稱不同芯片引腳號引腳類型功能說明F020F021F022F023VDD37,64,9024,41,57數字電源DGND38,63,8925,40,56數字地AV+11,146模擬電源AGND10,135模擬地TMS158數字輸入帶內部上拉的JTAG測試模式選擇TCK259數字輸入帶內部上拉的JTAG測試時鐘TDI360數字輸入帶內部上拉的JTAG測試數據輸入。在TCK上升沿鎖存TDITDO461數字輸出帶內部上拉的JTAG測試數據輸出,數據在TCK的下降沿從TDO引腳輸出,TDO輸出是一個三態驅動器表1 C8051F02x型號(xngho)的引

20、腳定義及功能第46頁/共61頁第四十六頁，共62頁。引腳名稱不同芯片引腳號引腳類型功能說明F020F021F022F023/RST562數字I/O單片機復位。內部VDD監視器的漏極開路輸出，當VDD2.7V，并且MONEN為高時被驅動為低電平。外部信號源可以通過將該引腳置為低電平啟動一次系統復位。XTAL12617模擬輸入晶振輸入。該引腳為晶振或陶瓷諧振器的內部振蕩器電路的反饋輸入。為了得到精確的內部時鐘，可以在XTAL1和XTAL2之間接上一個晶振或陶瓷諧振器。還可以由該引腳輸入一個外部CMOS時鐘源，提供系統時鐘。XTAL22718模擬輸出晶振輸出。該引腳為晶振或陶瓷諧振器的激勵驅動器輸出

21、端。第47頁/共61頁第四十七頁，共62頁。引腳名稱不同芯片引腳號引腳類型功能說明F020F021F022F023MONEN2819數字輸入VDD監視器控制。該引腳接高電平時，允許內部VDD監視器工作，當VDD2.7V時，強制系統復位。該引腳接低電平時，內部VDD監視器被禁止。VREF127模擬I/O帶隙電壓基準輸出（對所有單片機）；DAC電壓基準輸入（僅限于C8051F021/3型號）VREFA8模擬輸入ADC0和ADC1的電壓基準輸入VREF016模擬輸入ADC0的電壓基準輸入VREF117模擬輸入ADC1的電壓基準輸入VREFD15模擬輸入DAC的電壓基準輸入AIN0.0189模擬輸入A

22、DC0輸入通道0第48頁/共61頁第四十八頁，共62頁。引腳名稱不同芯片引腳號引腳類型功能說明F020F021F022F023AIN0.11910模擬輸入ADC0輸入通道1AIN0.22011模擬輸入ADC0輸入通道2AIN0.32112模擬輸入ADC0輸入通道3AIN0.42213模擬輸入ADC0輸入通道4AIN0.52314模擬輸入ADC0輸入通道5AIN0.62415模擬輸入ADC0輸入通道6AIN0.72516模擬輸入ADC0輸入通道7CP0+94模擬輸入比較器0的同相輸入端CP0-83模擬輸入比較器0的反相輸入端CP1+72模擬輸入比較器1的同相輸入端CP1-61模擬輸入比較器1的反

23、相輸入端第49頁/共61頁第四十九頁，共62頁。引腳名稱不同芯片引腳號引腳類型功能說明F020F021F022F023DAC010064模擬輸出D/A轉換器0的電壓輸出DAC19963模擬輸出D/A轉換器1的電壓輸出P0.06255數字I/OP0.0；詳見端口輸入輸出部分P0.16154數字I/OP0.1；詳見端口輸入輸出部分P0.26053數字I/OP0.2；詳見端口輸入輸出部分P0.35952數字I/OP0.3；詳見端口輸入輸出部分P0.45851數字I/OP0.4；詳見端口輸入輸出部分ALE/P0.55750數字I/O外部存儲器地址總線ALE選通（復用方式） P0.5；詳見端口輸入輸出部

24、分/RD/P0.65649數字I/O外部存儲器接口的/RD選通P0.6；詳見端口輸入輸出部分第50頁/共61頁第五十頁，共62頁。引腳名稱不同芯片引腳號引腳類型功能說明F020F021F022F023/WR/P0.75548數字I/O外部存儲器接口的/WR選通P0.7;詳見端口輸入輸出部分AIN1.0/A8/P1.03629模擬輸入ADC1輸入通道0（詳見ADC1說明）外部存儲器地址總線位8（非復用方式） P1.0;詳見端口輸入輸出部分AIN1.1/A9/P1.13528模擬輸入P1.1;詳見端口輸入輸出部分AIN1.2/A10/P1.23427模擬輸入P1.2;詳見端口輸入輸出部分AIN1.

25、3/A11/P1.33326模擬輸入P1.3;詳見端口輸入輸出部分AIN1.4/A12/P1.43225模擬輸入P1.4;詳見端口輸入輸出部分AIN1.5/A13/P1.53124模擬輸入P1.5;詳見端口輸入輸出部分AIN1.6/A14/P1.63023模擬輸入P1.6;詳見端口輸入輸出部分AIN1.7/A15/P1.72922模擬輸入P1.7;詳見端口輸入輸出部分第51頁/共61頁第五十一頁，共62頁。引腳名稱不同芯片引腳號引腳類型功能說明F020F021F022F023A8m/A0/P2.04637數字I/O外部存儲器地址總線位8(復用方式)外部存儲器地址總線位0(非復用)P2.0；詳見

26、端口輸入輸出部分A9m/A1/P2.14536數字I/OP2.1；詳見端口輸入輸出部分A10m/A2/P2.24435數字I/OP2.2；詳見端口輸入輸出部分A11m/A3/P2.34334數字I/OP2.3；詳見端口輸入輸出部分A12m/A4/P2.44233數字I/OP2.4；詳見端口輸入輸出部分A13m/A5/P2.54132數字I/OP2.5；詳見端口輸入輸出部分A14m/A6/P2.64031數字I/OP2.6；詳見端口輸入輸出部分A15m/A7/P2.73930數字I/OP2.7；詳見端口輸入輸出部分AD0/D0/P3.05447數字I/O外部存儲器地址/數據總線位0(復用)外部存

27、儲器數據總線位0(非復用)P3.0；詳見端口輸入輸出部分第52頁/共61頁第五十二頁，共62頁。引腳名稱不同芯片引腳號引腳類型功能說明F020F021F022F023AD1/D1/P3.15346數字I/OP3.1；詳見端口輸入輸出部分AD2/D2/P3.25245數字I/OP3.2；詳見端口輸入輸出部分AD3/D3/P3.35144數字I/OP3.3；詳見端口輸入輸出部分AD4/D4/P3.45043數字I/OP3.4；詳見端口輸入輸出部分AD5/D5/P3.54942數字I/OP3.5；詳見端口輸入輸出部分AD6/D6/P3.64839數字I/OP3.6；詳見端口輸入輸出部分AD7/D7/

28、P3.74738數字I/OP3.7；詳見端口輸入輸出部分P4.098數字I/OP4.0；詳見端口輸入輸出部分P4.197數字I/OP4.1；詳見端口輸入輸出部分P4.296數字I/OP4.2；詳見端口輸入輸出部分P4.395數字I/OP4.3；詳見端口輸入輸出部分P4.494數字I/OP4.4；詳見端口輸入輸出部分第53頁/共61頁第五十三頁，共62頁。引腳名稱不同芯片引腳號引腳類型功能說明F020F021F022F023ALE/PP4.593數字I/O外部存儲器地址總線ALE選通(復用)P4.5詳見端口輸入輸出部分/RD/P4.692數字I/O外部存儲器接口的/RD選通P4.6詳見端口輸入輸

29、出部分/WR/P4.791數字I/O外部存儲器接口的/WR選通P4.7詳見端口輸入輸出部分A8/P5.088數字I/O外部存儲器地址總線位8(復用方式)P5.0詳見端口輸入輸出部分A9/P5.187數字I/OP5.1；詳見端口輸入輸出部分A10/P5.286數字I/OP5.2；詳見端口輸入輸出部分A11/P5.385數字I/OP5.3；詳見端口輸入輸出部分A12/P5.484數字I/OP5.4；詳見端口輸入輸出部分A13/P5.583數字I/OP5.5；詳見端口輸入輸出部分第54頁/共61頁第五十四頁，共62頁。引腳名稱不同芯片引腳號引腳類型功能說明F020F021F022F023A14/P5

30、.682數字I/OP5.6；詳見端口輸入輸出部分A15/P5.781數字I/OP5.7；詳見端口輸入輸出部分A8m/A0/P6.080數字I/O外部存儲器地址總線位8(復用)外部存儲器地址總線位0(非復用)P6.0；詳見端口輸入輸出部分A9m/A1/P6.179數字I/OP6.1；詳見端口輸入輸出部分A10m/A2/P6.278數字I/OP6.2；詳見端口輸入輸出部分A11m/A3/P6.377數字I/OP6.3；詳見端口輸入輸出部分A12m/A4/P6.476數字I/OP6.4；詳見端口輸入輸出部分A13m/A5/P6.575數字I/OP6.5；詳見端口輸入輸出部分A14m/A6/P6.67

31、4數字I/OP6.6；詳見端口輸入輸出部分A15m/A7/P6.773數字I/OP6.7；詳見端口輸入輸出部分第55頁/共61頁第五十五頁，共62頁。引腳名稱不同芯片引腳號引腳類型功能說明F020F021F022F023AD0/D0/P7.07247數字I/O外部存儲器地址/數據總線位0(復用)外部存儲器數據總線位0(非復用)P7.0；詳見端口輸入輸出部分AD1/D1/P7.171數字I/OP7.1；詳見端口輸入輸出部分AD2/D2/P7.270數字I/OP7.2；詳見端口輸入輸出部分AD3/D3/P7.369數字I/OP7.3；詳見端口輸入輸出部分AD4/D4/P7.468數字I/OP7.4；詳見端口輸入輸出部分AD5/D5/P7.567數字I/OP7.5；詳見端口輸入輸出部分AD6/D6/P7.666數字I/OP7.6；詳見端口輸