8051F系列SOC单片机解析

高速SoC单片机C8051F美国Cygnal公司专门从事混合信号系统芯片(SoC)单片机的设计与制造。

公司更新了原51单片机结构,设计了具有自主产权的CIP-51内核,运行速度高达每秒25MIPS。

现已设计并为市场提供了29个品种的C8051F系列SoC单片机,预计今年年内还将完成20多个新的SoC单片机的设计。

C8051F系列是集成的混合信号系统芯片SoC单片机,具有与MCS-51内核及指令集完全兼容的微控制器,除了具有标准8051的数字外设部件之外,片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件(参见图1)。

C8051F系列是真正能独立工作的SoC。

CPU有效地管理模拟和数字外设,可以关闭单个或全部外设以节省功耗。

FLASH存储器还具有在线重新编程的能力,即可用作程序存储器又可用于非易失性数据存储。

应用程序可以使用MOVC和MOVX指令对FLASH进行读或改写。

C8051F系统工作电压为2.7V~3.6V,典型值为3V。

I/O、RST、JTAG 引脚均允许5V电压输入。

CPU的独特之处与标准8051完全兼容C8051F系列单片机采用CIP－51内核,与MCS－51指令系统全兼容,可用标准的ASM－51、Keil C高级语言开发编译C8051F系列单片机的程序。

高速指令处理能力标准的8051一个机器周期要占用12个系统时钟周期,执行一条指令最少要一个机器周期。

C8051F系列单片机指令处理采用流水线结构,机器周期由标准的12个系统时钟周期降为1个系统时钟周期,指令处理能力比MCS－51大大提高。

CIP-51内核70%的指令执行是在一个或两个系统时钟周期内完成的,只有四条指令的执行需4个以上时钟周期。

CIP-51指令与MCS－51指令系统全兼容,共有111条指令。

增加了中断源标准的8051只有7个中断源。

C8051F系列单片机扩展了中断处理,这对于实时多任务系统的处理是很重要的。

由于C8051F单片机是3.3V低功耗、高速单片机，与大家过去应用传统的5V供电低速单片机在引脚处理与PCB布板方面会有一些区别，我们总结了这方面的经验，提供给大家。

以避免在应用设计上走弯路。

一、电源和地线方面的处理1、模拟电源和数字电源要分别供电，可以使用两个稳压电源分别供电，但是两个电源之间的电压差必须满足数据手册中的规定（<0.5V，相差0.3V是比较理想的）。

实际应用中模拟电源和数字电源可以来自同一个稳压器的输出，只A V+与VDD之间接简单的滤波器也是很有效的。

这里要加一个小电感，也可以用底阻值的电阻（通常2欧姆，电阻要有足够的寄生电感。

）这种方式既能降低成本又能减少体积。

（关于这一点可以参考C8051F各种目标板的原理图的电源部分）。

2、在地线方面，模拟地和数字地要分开布线，然后在一点通过磁珠连接，在实际应用中也可以使用0欧姆电阻连接的。

该电阻要有寄生电感，另外，在布线时一定要注意地线应该尽可能的粗，或者采用大面积覆盖地，电源线也要尽量粗，并且在单片机所有电源和地之间以及每个外围集成电路VDD和GND间加去耦合电容。

3、如果所使用的器件上有模拟电源，模拟地，数字电源和数字地，所有这些引脚不可以悬空，必须连接。

二、对JTAG引脚的处理对电路设计时，JTAG口的TCK要加3.3V上拉。

上拉电阻值取4.4K。

另外，要考虑到在成本阶段（此时已不需要通过JTAG编辑），将所有JTAG引脚用10K 电阻下拉到地，这样更能提高系统的抗干扰能力，对于提高系统的稳定性是非常主要的。

三、对未用到的IO口/模拟书输入的处理对未用到的IO口建议通过电阻下拉到地。

未用的模拟输入也要接地（接模拟到）。

四、在电路设计时的IO口/模拟输入口的保护1、在可能对IO口有瞬态冲击的情况下，一定要对IO口进行保护，如可能会有瞬间大电流，就要在IO口上串接限流电阻，建议取值100欧姆。

如有瞬态大电压，就要在IO口上接TVS或快速反应二极管。

C8051F系列单片机的发展和应用摘要：C8051F系列单片机的推出，使单片机进入SoC ( System on Chip )时代。

C8051F系列单片机功能强大,能够作为嵌入式系统的主控制器，具有上手快(全兼容8051指令集)、研发快(开发工具易用，可缩短研发周期)和见效快(调试手段灵活)等特点，使得C8051F系列单片机得到广泛的应用。

本文首先对C8051F 系列单片机做了大概的介绍，之后详细分析说明了它的原理机制，介绍了C8051F 系列单片机的特点，阐述了它的发展和应用。

关键词：C8051F SoC 发展应用前言在嵌入式系统低端的单片机领域, 80C51系列一直扮演着一个重要角色,近年来,由于80C51的速度低(每一条指令至少需要12个时钟周期) ,功耗高(几毫安到几十毫安) ,功能少(不能直接处理模拟信号)等等, 80C51系列单片机似乎已经走道了尽头,然而当前CYGNAL公司推出的C8051F系列单片机又将80C51兼容单片机推上了8位机的先进行列,使80C51系列从MCU时代进入到了SoC ( System on Chip )时代。

SoC是随着半导体生产技术的不断发展而产生的新概念,它是集成度越来越高和对嵌入式控制技术可靠性越来越高的产物[1]。

SoC是指片上系统或系统级芯片, SoC的完整定义为:在同一个芯片上集成了控制部件(微处理器,存储器)和执行部件( I/O接口,微型开关,微机械) ,能够自成体系,独立工作的芯片。

因此, C8051F系列单片机功能强大,能够作为嵌入式系统的主控制器。

本文主要介绍了C8051F系列单片机的特点，以及它的发展和应用。

一 C8051F系列单片机简介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。

C8051F020的内部电路包括CIP-51微控制器内核及RAM、ROM、I／O 口、定时／计数器、ADC、DAC、PCA（Printed Circuit Assembly 印制电路组装）、SPI（Serial Peripheral Interface--串行外设接口）和SMBus（System Management Bus）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) [2]。

C8051F系列[编辑本段]C8051F系列CygnalC8051F(已被Silicon Lab收购)系列单片机是真正能独立工作的片上系统SOCCPU有效地管理模拟和数字外设可以关闭单个或全部外设以节省功耗FLASH存储器还具有在系线重新编程的能力即可用作程序存储器又可用作于非易失性数据存储应用程序可以使用MOVC和MOVX指令对FLASH进行读或改写。

一.Cygnal C8051F系列单片机特点1.片内资源8~12位多通道ADC1~2路12位DAC1~2路电压比较器内部或外部电压基准内置温度传感器±316位可编程定时/计数器阵列PCA可用于PWM等3~5个通用16位定时器8~64个通用I/O口带有I2C/SMBusSPI1~2个UART多类型串行总线8~64K Flash存贮器256~4K数据存贮器RAM片内时钟源内置电源监测看门狗定时器2.主要特点高速的20MIPS~25MIPS与8051全兼容的CIP51内核内部Flash存贮器可实现在系统编程即可作程序存贮器也可作非易失性数据存贮工作电压为2.7V~3.6V典型值为3VI/ORSTJTAG引脚均允许5V电压输入全系列均为工业级芯片-45℃~+85℃片内JTAG仿真电路提供全速的电路内仿真不占用片内用户资源支持断点单步观察点运行和停止等调试命令支持存贮器和寄存器校验和修改二.有关C8051F系列CPU1.与标准8051完全兼容Cygnal C8051F系列单片机采用CIP51内核Cygnal专利与MCS51指令系统全兼容可用标准的ASM51Keil C高级语言开发编译C8051F系列单片机的程序2.高速指令处理能力标准的8051一个机器周期要占用12个系统时钟周期执行一条指令最少要一个机器周期CygnalC8051F系列单片机指令处理采用流水线结构机器周期由标准的12个系统时钟周期降为1个系统时钟周期指令处理能力比MCS51大大提高CIP-51内核70% 的指令执行是在一个或两个系统时钟周期内完成只有四条指令的执行需4个以上时钟周期CIP-51指令与MCS51指令系统全兼容共有111条指令3.增加了中断源标准的8051只有7个中断源Cygnal C8051F系列单片机扩展了中断处理这对于时实多任务系统的处理是很重要的扩展的中断系统向CIP-51提供22个中断源允许大量的模拟和数字外设中断一个中断处理需要较少的CPU干预却有更高的执行效率4.增加了复位源标准的8051只有外部引脚复位Cygnal C8051F系列单片机增加了7种复位源使系统的可靠性大大提高每个复位源都可以由用户用软件禁止1 片内电源监视2 WDT看门狗定时器3 时钟丢失检测器4 比较器0输出电平检测5 软件强制复位6 CNVSTRAD转换启动7 外部引脚RST复位可双向复位8 提供内部时钟源标准的8051只有外部时钟Cygnal C8051F系列单片机有内部独立的时钟源C8 051F300/F302提供的内部时钟误差在2%以内在系统复位时默认内部时钟如果需要可接外部时钟并可在程序运行时实现内外部时钟的切换外部时钟可以是晶体RCC或外部时钟以上的功能在低功耗应用系统中非常有用。

改良创新后的51单片机-----C8051FMCS-51单片机及其衍生产品在我国乃至世界范围获得了非常广泛的应用，尤其在我国，大部分大专院校都采用MCS-51单片机作为教学机型,大部分单片机系统工程师都熟悉MCS-51单片机。

随着一些髙集成度、髙性能的8位和16位RISC单片机的推出,基于8051内核的单片机正面临着退出市场的境地。

因此一些半导体公司开始对传统8051内核进行大的改造,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.Silabs集成产品公司推出的C8051F单片机是这类MCS-51单片机的典型代表,也是目前功能最全,速度最快的8051衍生单片机。

C8051F单片机的出现令业界人士耳目一新，使广大单片机系统设计人员看到了MCS-51单片机的曙光。

C8051F单片机简介C8051F单片机是完全集成混合信号系统级芯片（SoC），具有与8051兼容的高速CIP-51内核，于MCS－51指令集完全兼容，可以使用标准803×805X汇编器和编译器进行软件开发。

除了具有标准8051的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件。

这些外设或功能部件包括模拟多路选择器、可编程增益放大器、ADC、DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器、SMBUS、12C、UART、SPI、定时器、可编程计数器、定时器阵列(PCA) 、数字I/O端口、电源监视器、看门狗定时器(WDT)和时钟振荡器等。

所有器件都有内置的FLASH程序存储器和256字节的内部RAM，有些器件内部还有位于外部数据存储器空间的RAM，即XRAM。

C8051F单片机的主要特点C8051F单片机中有丰富的模拟和数字资源，并采用了一些在单片机中前所未有的新技术，在CPU内核的内部和外部有几项关键性的改进。

提高了整体性能，更易于在最终使用中使用。

下面对C8051F单片机的主要特点加以介绍。

C8051F MCU之系列仿真器介绍C8051F单片机是完全集成的混合信号系统级芯片(SoC)，具有与MCS-51完全兼容的指令内核。

该系列单片机采用流水线处理(pipe line)技术，不再区分时钟周期和机器周期，能在执行指令期间预处理下一条指令，从而提高了指令执行效率。

大部分C8051F单片机具备控制系统所需的模拟和数字外设，包括看门狗、ADC、DAC、电压比较器、电压基准输出、定时器、PWM、定时器捕捉和方波输出等，并具备多种总线接口，包括UART、SPI、SMBus(与I2C兼容)总线以及CAN总线。

C8051F系列单片机采用FLASH ROM技术，集成JTAG，支持在线编程。

本文重点说明一下C8051F开发工具的选择及各版本之间的异同，以方便开发者选购。

下面所说的开发工具，均以原厂Silicon Laboratories(2003和Cygnal兼并)公司为主，国内有兼容的开发工具，可以对号入座。

1、Serial Adapter EC2此产品属于Silabs公司第一代产品，现在这个基本上属于停产的产品，市场上有的话，价格也相对偏高。

不合适！还有一个值得提醒大家的是(也是好多朋友问本空间的开发器为什么1脚为NC，特做此声明)，注意这个DEBUG的调试接口的关系，在第一脚3.0 to 3.6 VDC Input，搞过RS232接口的朋友都应该知道，串行口不能向设备提供大电流电源的(通常的窃电电路也只是小电流方式)，所以在官方的开发板上都有如下有这个关系。

其实在这个脚上（1脚的+3VD）的电源不是向目标板提供的，而官方的开发板这种设计完全是为了兼容所有工具(原装EC2的供电问题)的开发，而不是一般朋友认为的这个脚是仿真器向目标板供电的。

注意这个脚的方向是目标板向仿真器输入，而不是输出！！！2、USB Debug Adapter for C8051F MCU这个开发工具是一个纯USB的开发工具，在PC上这个是免驱动的HID设备，所以很方便地应用在Windwos系统中，在产品内部带有TVS和过流保护，另外由于C8051F 个别单片机有VIO单独控制IO口的电源(如C8051F410的IO可以最大5.25V的输入)，所以在这个产品中有一个根据目标板电压，自动调整电平级别来适应C8051F全系列，全电压范围单片机的开发测试工作。

浅谈C8051F020MCU1．概述美国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。

Cygnal C8051F系列是全集成混合信号在片系统单片机。

在片系统随着半导体生产技术的不断发展,集成度越来越高,对嵌入式控制技术可靠性要求也越来越高而产生的新概念,即SOC(System on chip),意思是整个系统都高度集成在一个芯片上。

本文通过使用Cygnal C8051F020制作一个电子琴,介绍基于8051内核MCU的发展情况，Cygnal C8051F020MCU的特点,及其使用C8051F020一些需要注意的问题。

电子琴的工作原理：声音的频率不同，决定着音乐音符的不同。

通过定时器改变C8051F020IO口输出波形的频率，这样就可以发出不同的音符了。

工作时当按下启动按钮时，C8051F020查表取得节拍，然后定时，时间到时产生中断，连接喇叭的IO输出反向，由此产生了音符，当它连续工作时，喇叭就可以放出了一段音乐。

2.基于8051内核MCU的发展情况在嵌入式系统低端的单片机领域，从8位单片机诞生至今，已近30年，在百花齐放的单片机家族中，80C51系列一直扮演着一个独特的角色。

Cygnal 推出C8051F更令业界人士刮目相看。

回顾历史，在Intel公司推出了MCS-51不久便实施了最彻底的技术开放政策；在众多电器商、半导体商的积极参与下，将MCS-51发展成了众多型号系列的80C51 MCU家族。

MCS-51经典的体系结构、极好的兼容性和Intel公司的开放政策不仅使众多厂家参与发展，也诱使半导体厂家对MCS-51实行为所欲为的改造。

由于MCS-51提供的最佳兼容性，使MCS-51在被"肢解"式改造后，还能以不变的指令系统、基本单元的兼容性保持着8051内核的生命延续，并在未来SoC发展中，担任8位CPU内核的重任。

C8051F系列SOC单片机原理及应用课程设计一、引言C8051F系列SOC单片机是由美国Silicon Labs公司推出的一款面向嵌入式应用的单片机。

SOC单片机，即System-on-a-Chip单片机，是指将系统多个部分如中央处理器（CPU）、存储器、输入输出等集成在一个芯片上的单片机。

本文将重点介绍C8051F系列SOC单片机的原理和应用，并提出一种基于C8051F系列SOC单片机的自动喷涂机控制系统设计方案。

此设计方案旨在提高自动喷涂机生产效率和产品质量，降低出错率，减少人工成本。

二、C8051F系列SOC单片机基础知识2.1 单片机基础概念单片机作为一种重要的集成电路，其内部集成了处理器、存储器、输入输出端口等多种功能，可用于控制、计算等多种应用。

常用的单片机包括51、AVR、PIC等。

2.2 C8051F系列SOC单片机特点C8051F系列SOC单片机是由美国Silicon Labs公司推出的一款高性能、低功耗的嵌入式单片机，主要特点如下：•高性能：C8051F系列SOC单片机采用C8051F系列CPU，运行速度高，且具有很强的计算能力；•低功耗：C8051F系列SOC单片机内置了多种节能技术，可有效降低功耗，提高电池续航时间；•丰富的外设：C8051F系列SOC单片机集成了多种输入输出端口，包括ADC、PWM、UART、SPI等，可适用于不同的应用场景；•多种封装：C8051F系列SOC单片机适用于多种封装方式，包括QFN、SSOP、TSSOP等。

2.3 C8051F系列SOC单片机原理C8051F系列SOC单片机由CPU、存储器、输入输出端口等多种功能模块组成。

其中，CPU是单片机的核心部件，主要用于控制程序的执行；存储器分为闪存和RAM两部分，闪存用于存储程序代码和数据，RAM用于存储变量和中间结果；输入输出端口包括GPIO、PWM、ADC等。

C8051F系列SOC单片机的工作流程如下：首先将程序代码烧录到闪存中，然后由CPU控制程序按照指令执行。

C8051F系列单片机系统的各部位功耗分析在控制终端系统设计中，当系统要求整体功耗偏低时，C8051F系列单片机是一个最佳的选择。

它们拥有灵活的时钟硬件，使系统能够方便地在高效运作模式与低功耗模式问进行转换，智能的电源管理模式能够在正常工作及待机状态自由切换，从而降低整个系统的能量损耗；当工作频率低于10kHz时，时钟丢失检测器（MCD）能够引发系统产生复位，确保系统工作的安全可靠。

1 C8051F各部分组件的功耗当一个系统对功耗要求严格时，可以在硬件电路建立前首先粗略计算一下整个系统所需的功耗。

由于C8051F系列单片机为数模混合SOC系统，能够实现整个设计的大部分功能，因此整个设计系统的功耗将主要集中在C805IF系列单片机的能量消耗上。

整个单片机系统的功耗应该由4部分组成：振荡器功耗、数字设备功耗、模拟外设功耗及I／O端口功耗。

振荡器功耗包括内部振荡器的功耗以及外部振荡器功耗。

数字设备能量消耗主要由CPU的工作模式、工作电压及系统时钟频率决定。

温度与数字外围设备对数字设备的功耗影响很小。

模拟外围设备功耗主要包含ADC、电压基准VREF、温度传感器、偏压发生器及内部振荡器。

比较器也有少量的能量损耗。

1.1 振荡器功耗分析振荡器（英文：oscillator）是用来产生重复电子讯号（通常是正弦波或方波）的电子元件。

其构成的电路叫振荡电路。

能将直流电转换为具有一定频率交流电信号输出的电子电路或装置。

种类很多，按振荡激励方式可分为自激振荡器、他激振荡器；按电路结构可分为阻容振荡器、电感电容振荡器、晶体振荡器、音叉振荡器等；按输出波形可分为正弦波、方波、锯齿波等振荡器。

广泛用于电子工业、医疗、科学研究等方面。

外部振荡器具有很高的可配置性，为系统设计者提供了多种选择。

时基信号可以从外部CMOS电平时钟源、晶振或陶瓷谐振器、RC组合电路或外部电容获得，每一种方法都有各自的优势。

由于振荡器可以灵巧地在各种方式中转换，因此可以通过改变振荡器来降低功耗。

c8051f单片机原理及应用C8051F单片机是由Silicon Laboratories公司推出的一款高性能、低功耗、集成度高的8位单片机系列，它采用了高速8051内核，具有快速的执行速度和高效的计算能力，适用于各种应用领域。

本文将详细介绍C8051F单片机的原理和应用。

一、C8051F单片机原理1.8051内核C8051F单片机采用了高速的8051内核，它包含了一个中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出端口、定时器/计数器、串行接口等模块。

8051内核具有简单易学、易于控制和可靠性高等特点，被广泛应用于各种嵌入式系统中。

2.存储器C8051F单片机的存储器包括闪存、RAM和EEPROM。

其中，闪存用于存储程序代码，RAM用于存储数据，EEPROM用于存储非易失性数据。

C8051F单片机的存储器容量从4KB到128KB不等，可以满足不同应用的需求。

3.输入/输出端口C8051F单片机的输入/输出端口包括数字输入/输出端口和模拟输入/输出端口。

数字输入/输出端口用于连接数字设备，模拟输入/输出端口用于连接模拟设备。

C8051F单片机的输入/输出端口可以通过软件配置，实现各种功能。

4.定时器/计数器C8051F单片机的定时器/计数器包括多个独立的定时器和计数器，它们可以通过软件配置，实现各种计时和计数功能。

5.串行接口C8051F单片机的串行接口包括SPI接口、I2C接口和UART接口。

它们可以用于与外部设备进行通信，实现数据交换和控制。

二、C8051F单片机应用C8051F单片机广泛应用于各种嵌入式系统中，例如：工业控制、智能家居、医疗设备、电子仪器等。

1.工业控制C8051F单片机可以用于各种工业控制系统中，如温度控制、湿度控制、压力控制等。

它具有高速的运算能力和丰富的输入/输出端口，可以实现复杂的控制算法和实时控制。

2.智能家居C8051F单片机可以用于智能家居系统中，如智能灯光控制、智能窗帘控制、智能门锁控制等。