近年來，微控制器(MCU)在技術(shù)、工藝上又有了許多新的突破，有些公司推出了諸如具備聯(lián)網(wǎng)、可編程特性的MCU產(chǎn)品,使MCU的應(yīng)用領(lǐng)域日益拓展。因此，如何使用MCU開發(fā)新的應(yīng)用以及如何掌握MCU開發(fā)技巧都成為工程師迫切想了解的內(nèi)容。
從網(wǎng)站的調(diào)查看，工程師主要關(guān)心在設(shè)計中如何構(gòu)件軟件框架、如何解決硬件抗干擾問題，為幫助工程師解決MCU設(shè)計中的難題，我們特別邀請了新華龍電子有限公司沈陽公司經(jīng)理孫德龍和沈陽航空工業(yè)學(xué)院計算機(jī)系副主任潘琢金先生擔(dān)任《MCU應(yīng)用設(shè)計挑戰(zhàn)及解決》專題研討的嘉賓，與廣大工程師一起分享MCU設(shè)計方面的經(jīng)驗。
孫德龍（新華龍電子有限公司 沈陽公司 經(jīng)理）
專家觀點：Cygnal MCU的設(shè)計特點
MCS-51單片機(jī)及其衍生產(chǎn)品在我國乃至世界范圍獲得了非常廣泛的應(yīng)用，尤其是在我國，大部分大專院校都采用MCS-51單片機(jī)作為教學(xué)機(jī)型，大部分單片機(jī)系統(tǒng)工程師都熟悉MCS-51單片機(jī)。隨著一些高集成度、高性能、低功耗的8位和16位RISC單片機(jī)的推出，基于標(biāo)準(zhǔn)8051內(nèi)核的單片機(jī)正面臨著退出市場的境地。因此一些半導(dǎo)體公司開始對傳統(tǒng)8051內(nèi)核進(jìn)行大的改造，主要是提高速度和增加片內(nèi)模擬和數(shù)字部件，以期大幅提高單片機(jī)的整體性能。Cygnal集成產(chǎn)品公司推出的C8051F單片機(jī)是這類MCS-51單片機(jī)的典型代表，也是目前功能最全、速度最快的8051衍生單片機(jī)。
下面列出了Cygnal C8051F單片機(jī)的一些主要特點。
一、高速CIP-51 內(nèi)核
C8051F單片機(jī)使用Cygnal的專利CIP-51核。CIP-51核采用流水線結(jié)構(gòu)，機(jī)器周期由標(biāo)準(zhǔn)8051的12個系統(tǒng)時鐘周期降為1個系統(tǒng)時鐘周期，處理能力大大提高。在采用相同振蕩器頻率的情況下，C8051F單片機(jī)的峰值執(zhí)行速度是標(biāo)準(zhǔn)8051的12倍。大部分C8051F單片機(jī)的峰值性能達(dá)到25MIPS，而C8051F12x系列的峰值性能可達(dá)到100MIPS。CIP-51擴(kuò)展了標(biāo)準(zhǔn)8051的中斷系統(tǒng)，這個擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)可以提供22個中斷源（標(biāo)準(zhǔn)8051只有7個中斷源），允許大量的模擬和數(shù)字外設(shè)中斷微控制器。一個中斷驅(qū)動的系統(tǒng)需要較少的MCU干預(yù)，卻有更高的執(zhí)行效率。
二、豐富的模擬和數(shù)字資源
C8051F單片機(jī)內(nèi)部集成了大量的模擬和數(shù)字資源。
模擬資源主要包括：
由逐次逼近型ADC、多通道模擬輸入選擇器和可編程增益放大器組成的完整ADC子系統(tǒng)。ADC可以有多種轉(zhuǎn)換啟動方式，10位或12位的ADC數(shù)據(jù)字可以被編程為左對齊或右對齊方式。大部分器件中的ADC都可被被編程差分輸入或單端輸入。ADC子系統(tǒng)可以產(chǎn)生窗口比較中斷，即當(dāng)ADC數(shù)據(jù)位于一個規(guī)定的窗口之內(nèi)或之外時向CPU申請中斷，這一特性允許用ADC以后臺方式監(jiān)視一個關(guān)鍵電壓，當(dāng)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)位于規(guī)定的窗口之內(nèi)時才向CPU申請中斷。
數(shù)字資源主要包括：
1. 標(biāo)準(zhǔn)8052單片機(jī)的數(shù)字資源。如三個16位定時器/計數(shù)器，256字節(jié)內(nèi)部RAM，UART等。
2. 片內(nèi)可編程計數(shù)器/定時器陣列（PCA）。 3. SPI總線和SMBus/I2C總線。大部分C8051F單片機(jī)中集成了SPI總線和SMBus/I2C總線。這些串行總線不“共享”定時器、中斷或端口I/O，所以可以使用任何一個或全部同時使用。
三、多源復(fù)位
C8051F單片機(jī)可有多達(dá)7個復(fù)位源：一個片內(nèi)VDD監(jiān)視器、一個看門狗定時器、一個時鐘丟失檢測器、一個由比較器0提供的電壓檢測器、一個強制軟件復(fù)位、CNVSTR引腳及外部復(fù)位引腳。外部復(fù)位引腳是雙向的，可接受外部復(fù)位或?qū)?nèi)部產(chǎn)生的上電復(fù)位信號輸出到外部復(fù)位引腳。除了VDD監(jiān)視器復(fù)位和外部引腳復(fù)位以外，每個復(fù)位源都可以由用戶用軟件禁止。
四、雙重系統(tǒng)時鐘
C8051F單片機(jī)內(nèi)部有一個能獨立工作的時鐘發(fā)生器并具有外部振蕩器驅(qū)動電路。在復(fù)位后內(nèi)部時鐘發(fā)生器被默認(rèn)為系統(tǒng)時鐘。外部振蕩器可以使用晶體、陶瓷諧振器、電容、RC電路或外部時鐘源產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘。如果需要，時鐘源可以在運行期間在內(nèi)部振蕩器和外部振蕩器之間切換。這種時鐘切換功能在低功耗系統(tǒng)中是非常有用的，它允許MCU從一個低頻率（節(jié)電）外部晶體源運行，當(dāng)需要時再周期性地切換到高速的內(nèi)部振蕩器。
五、可編程數(shù)字I/O和交叉開關(guān)
C8051F單片機(jī)中引入了數(shù)字交叉開關(guān)，改變了以往內(nèi)部功能與外部引腳的固定對應(yīng)關(guān)系。交叉開關(guān)是一個大的數(shù)字開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源分配給端口I/O引腳。與具有標(biāo)準(zhǔn)復(fù)用數(shù)字I/O的單片機(jī)不同，這種結(jié)構(gòu)可支持所有的功能組合。可通過設(shè)置交叉開關(guān)控制寄存器將片內(nèi)的計數(shù)器/定時器、串行總線、硬件中斷、ADC轉(zhuǎn)換啟動輸入、比較器輸出以及單片機(jī)內(nèi)部的其它數(shù)字信號配置為出現(xiàn)在端口I/O引腳。這就允許用戶根據(jù)自己的特定應(yīng)用選擇通用端口I/O和所需數(shù)字資源的組合。
六、應(yīng)用編程和FLASH安全機(jī)制
C8051F單片機(jī)中具有可在系統(tǒng)和在應(yīng)用編程的FLASH程序存儲器。在應(yīng)用編程特性允許將FLASH存儲器用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并可以通過用戶軟件對FLASH編程，這就允許現(xiàn)場更新8051固件，為產(chǎn)品的軟件升級提供了極大的方便。FLASH存儲器還具有安全機(jī)制，可以保護(hù)程序代碼和數(shù)據(jù)，以防止程序或數(shù)據(jù)被讀取或意外改寫。C8051F單片機(jī)中獨有的軟件讀限制這一安全功能還可以防止用戶軟件對被鎖定的FLASH存儲塊中的內(nèi)容進(jìn)行讀/寫，為OEM廠商在C8051F單片機(jī)中增加產(chǎn)權(quán)固件提供了可能。
七、系統(tǒng)調(diào)試
C8051F單片機(jī)具有片內(nèi)JTAG和調(diào)試電路，通過4腳的JTAG接口并使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)中的器件就可以進(jìn)行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。Cygnal的調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持?jǐn)帱c、觀察點、堆棧指示器和單步執(zhí)行?！ ?潘琢金（沈陽航空工業(yè)學(xué)院計算機(jī)系 副主任）
專家觀點：Cygnal MCU的設(shè)計特點
MCS-51單片機(jī)及其衍生產(chǎn)品在我國乃至世界范圍獲得了非常廣泛的應(yīng)用，尤其是在我國，大部分大專院校都采用MCS-51單片機(jī)作為教學(xué)機(jī)型，大部分單片機(jī)系統(tǒng)工程師都熟悉MCS-51單片機(jī)。隨著一些高集成度、高性能、低功耗的8位和16位RISC單片機(jī)的推出，基于標(biāo)準(zhǔn)8051內(nèi)核的單片機(jī)正面臨著退出市場的境地。因此一些半導(dǎo)體公司開始對傳統(tǒng)8051內(nèi)核進(jìn)行大的改造，主要是提高速度和增加片內(nèi)模擬和數(shù)字部件，以期大幅提高單片機(jī)的整體性能。Cygnal集成產(chǎn)品公司推出的C8051F單片機(jī)是這類MCS-51單片機(jī)的典型代表，也是目前功能最全、速度最快的8051衍生單片機(jī)。
下面列出了Cygnal C8051F單片機(jī)的一些主要特點。
一、高速CIP-51 內(nèi)核
C8051F單片機(jī)使用Cygnal的專利CIP-51核。CIP-51核采用流水線結(jié)構(gòu)，機(jī)器周期由標(biāo)準(zhǔn)8051的12個系統(tǒng)時鐘周期降為1個系統(tǒng)時鐘周期，處理能力大大提高。在采用相同振蕩器頻率的情況下，C8051F單片機(jī)的峰值執(zhí)行速度是標(biāo)準(zhǔn)8051的12倍。大部分C8051F單片機(jī)的峰值性能達(dá)到25MIPS，而C8051F12x系列的峰值性能可達(dá)到100MIPS。CIP-51擴(kuò)展了標(biāo)準(zhǔn)8051的中斷系統(tǒng)，這個擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)可以提供22個中斷源（標(biāo)準(zhǔn)8051只有7個中斷源），允許大量的模擬和數(shù)字外設(shè)中斷微控制器。一個中斷驅(qū)動的系統(tǒng)需要較少的MCU干預(yù)，卻有更高的執(zhí)行效率。
二、豐富的模擬和數(shù)字資源 C8051F單片機(jī)內(nèi)部集成了大量的模擬和數(shù)字資源。
模擬資源主要包括：
由逐次逼近型ADC、多通道模擬輸入選擇器和可編程增益放大器組成的完整ADC子系統(tǒng)。ADC可以有多種轉(zhuǎn)換啟動方式，10位或12位的ADC數(shù)據(jù)字可以被編程為左對齊或右對齊方式。大部分器件中的ADC都可被被編程差分輸入或單端輸入。ADC子系統(tǒng)可以產(chǎn)生窗口比較中斷，即當(dāng)ADC數(shù)據(jù)位于一個規(guī)定的窗口之內(nèi)或之外時向CPU申請中斷，這一特性允許用ADC以后臺方式監(jiān)視一個關(guān)鍵電壓，當(dāng)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)位于規(guī)定的窗口之內(nèi)時才向CPU申請中斷。
數(shù)字資源主要包括：
1. 標(biāo)準(zhǔn)8052單片機(jī)的數(shù)字資源。如三個16位定時器/計數(shù)器，256字節(jié)內(nèi)部RAM，UART等。
2. 片內(nèi)可編程計數(shù)器/定時器陣列（PCA）。
3. SPI總線和SMBus/I2C總線。大部分C8051F單片機(jī)中集成了SPI總線和SMBus/I2C總線。這些串行總線不“共享”定時器、中斷或端口I/O，所以可以使用任何一個或全部同時使用。
三、多源復(fù)位
C8051F單片機(jī)可有多達(dá)7個復(fù)位源：一個片內(nèi)VDD監(jiān)視器、一個看門狗定時器、一個時鐘丟失檢測器、一個由比較器0提供的電壓檢測器、一個強制軟件復(fù)位、CNVSTR引腳及外部復(fù)位引腳。外部復(fù)位引腳是雙向的，可接受外部復(fù)位或?qū)?nèi)部產(chǎn)生的上電復(fù)位信號輸出到外部復(fù)位引腳。除了VDD監(jiān)視器復(fù)位和外部引腳復(fù)位以外，每個復(fù)位源都可以由用戶用軟件禁止。
四、雙重系統(tǒng)時鐘
C8051F單片機(jī)內(nèi)部有一個能獨立工作的時鐘發(fā)生器并具有外部振蕩器驅(qū)動電路。在復(fù)位后內(nèi)部時鐘發(fā)生器被默認(rèn)為系統(tǒng)時鐘。外部振蕩器可以使用晶體、陶瓷諧振器、電容、RC電路或外部時鐘源產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘。如果需要，時鐘源可以在運行期間在內(nèi)部振蕩器和外部振蕩器之間切換。這種時鐘切換功能在低功耗系統(tǒng)中是非常有用的，它允許MCU從一個低頻率（節(jié)電）外部晶體源運行，當(dāng)需要時再周期性地切換到高速的內(nèi)部振蕩器。
五、可編程數(shù)字I/O和交叉開關(guān)
C8051F單片機(jī)中引入了數(shù)字交叉開關(guān)，改變了以往內(nèi)部功能與外部引腳的固定對應(yīng)關(guān)系。交叉開關(guān)是一個大的數(shù)字開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源分配給端口I/O引腳。與具有標(biāo)準(zhǔn)復(fù)用數(shù)字I/O的單片機(jī)不同，這種結(jié)構(gòu)可支持所有的功能組合?？赏ㄟ^設(shè)置交叉開關(guān)控制寄存器將片內(nèi)的計數(shù)器/定時器、串行總線、硬件中斷、ADC轉(zhuǎn)換啟動輸入、比較器輸出以及單片機(jī)內(nèi)部的其它數(shù)字信號配置為出現(xiàn)在端口I/O引腳。這就允許用戶根據(jù)自己的特定應(yīng)用選擇通用端口I/O和所需數(shù)字資源的組合。
六、應(yīng)用編程和FLASH安全機(jī)制
C8051F單片機(jī)中具有可在系統(tǒng)和在應(yīng)用編程的FLASH程序存儲器。在應(yīng)用編程特性允許將FLASH存儲器用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并可以通過用戶軟件對FLASH編程，這就允許現(xiàn)場更新8051固件，為產(chǎn)品的軟件升級提供了極大的方便。FLASH存儲器還具有安全機(jī)制，可以保護(hù)程序代碼和數(shù)據(jù)，以防止程序或數(shù)據(jù)
