超低壓SoC處理器C8051F9xx應(yīng)用解析

前言

　　微處理器技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越普及，幾乎滲透到了各行各業(yè)。隨著技術(shù)的進(jìn)步與市場(chǎng)的劃分，處理器大致可分為4位、8位、16位、32位幾大類?！　?2位系列是最近幾年才發(fā)展起來(lái)的新系列，應(yīng)用領(lǐng)域在迅速擴(kuò)大，尤其是在一些信息量較大基于操作系統(tǒng)以及文件系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合，如掌上設(shè)備，便攜媒體工具；其典型芯片有各公司生產(chǎn)的基于ARM內(nèi)核的產(chǎn)品。16位產(chǎn)品種類較少，MCS96系列產(chǎn)品注定只能充當(dāng)過(guò)渡角色，現(xiàn)在已很少見了，影響較大的如MSP430，走著低功耗手持應(yīng)用的道路。16位機(jī)不能成為主流的原因有兩個(gè)：一是在運(yùn)算量小控制要求不是很復(fù)雜的中低端場(chǎng)合，4位或8位機(jī)更具性價(jià)比優(yōu)勢(shì)；二是中高端應(yīng)用場(chǎng)合，其性能又無(wú)法和32位機(jī)相比，其價(jià)格優(yōu)勢(shì)也并不明顯?！　?位機(jī)是低端控制領(lǐng)域的主力軍，這種趨勢(shì)短時(shí)期不會(huì)改變。它所具有的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用靈活方便、性價(jià)比高的特點(diǎn)使其很好地適應(yīng)了中低端市場(chǎng)，并具有旺盛的生命力。在我國(guó)，普及程度最高的8位機(jī)非MCS51莫屬，其實(shí)51系列相對(duì)于其他種類的8位機(jī)并沒有絕對(duì)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，甚至還有先天劣勢(shì)，但認(rèn)同就是硬道理。幾十年的應(yīng)用與普及，使其影響巨大，因此，各家公司開發(fā)的產(chǎn)品，許多都是基于51內(nèi)核的?，F(xiàn)在基于MCS51內(nèi)核的系列單片機(jī)都進(jìn)行了技術(shù)層面的發(fā)展與進(jìn)步，性能提高與功能多樣是改造的方向，新產(chǎn)品一般都比傳統(tǒng)產(chǎn)品性能高出許多，同時(shí)片內(nèi)集成了多種常用外設(shè)。處理器技術(shù)的革新使得單片機(jī)在CPU結(jié)構(gòu)、外圍模塊及總線和集成開發(fā)環(huán)境等各個(gè)方面，都發(fā)生了巨大變化。單片機(jī)的設(shè)計(jì)也已經(jīng)從積木擴(kuò)展模式跨入了集成度、可靠性、性價(jià)比更高的片上系統(tǒng)SoC時(shí)代?！　±^承與創(chuàng)新是相輔相成的，二者不可偏廢。絕大多數(shù)新型51系列產(chǎn)品都是在原有地址空間上增加外設(shè)及相應(yīng)的控制寄存器，內(nèi)核一般都繼承了原有的指令，指令的執(zhí)行效率因此大大提高。C8051F系列SoC單片機(jī)就是這樣的改造路線。它最大程度地兼容了傳統(tǒng)的MCS51，保留了所有MCS51的指令與8052的所有資源，同時(shí)盡可能地提升性能。該系列單片機(jī)把原51內(nèi)核改造為功能更強(qiáng)大的CIP51內(nèi)核，廢除了原51單片機(jī)中的機(jī)器周期，由原來(lái)12個(gè)時(shí)鐘執(zhí)行1條指令改進(jìn)為1個(gè)時(shí)鐘執(zhí)行1條單周期指令。大多數(shù)指令執(zhí)行所需的時(shí)鐘周期數(shù)與指令的字節(jié)數(shù)相同，運(yùn)行速度和性能大大提高，平均性能約為同頻MCS51的10倍。除此之外，還改變了原51系統(tǒng)外圍模塊單一、復(fù)雜系統(tǒng)必須擴(kuò)展的缺陷，在片內(nèi)擴(kuò)展了豐富的外設(shè)，如Flash、XRAM、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、時(shí)鐘源、基準(zhǔn)源、PCA單元以及溫度傳感器，有的還擴(kuò)展了smaRTClock、CRC引擎、觸感輸入等，使用戶設(shè)計(jì)時(shí)不需要考慮太多的擴(kuò)展，甚至可以單片完成設(shè)計(jì)任務(wù)。編譯環(huán)境得到了KEIL C支持，而開發(fā)過(guò)程并沒有改變，很好地適應(yīng)了過(guò)去51開發(fā)的方法和習(xí)慣。C8051F系列Soc單片機(jī)采用強(qiáng)大的非侵入式JTAG/C2在系統(tǒng)調(diào)試手段，非傳統(tǒng)仿真器調(diào)試模式所能比擬；內(nèi)核和全部資源完全透明化和可操作化，可以方便地完成下載、硬件仿真，并且還不占用片內(nèi)資源；C2接口更是通過(guò)共享技術(shù)實(shí)現(xiàn)I/O口0占用；支持多種總線模式，除了SMBus/I2C、SPI、UART這些必備的接口外，有的產(chǎn)品線還支持CAN、USB、LIN等；晶振和片上溫度傳感器等外設(shè)集成一體，除大幅減小PCB的占用面積外，還帶來(lái)了可靠性的提高。交叉開關(guān)可靈活地將片內(nèi)資源分配到I/O端口，使開發(fā)人員可以根據(jù)需要分配外設(shè)，對(duì)系統(tǒng)的總體規(guī)劃非常有益。系統(tǒng)可以根據(jù)需要工作在多種電源模式下，使系統(tǒng)功耗進(jìn)一步降低。　　C8051F系列產(chǎn)品劃分為許多類，如通用型C8051F02x、數(shù)據(jù)采集型C8051F06x、USB型C8051F32x/F34x等。不同系列有一個(gè)最佳應(yīng)用方向，此舉滿足了產(chǎn)品設(shè)計(jì)科學(xué)化、個(gè)性化的需求。本書所論述的C8051F9xx是一個(gè)嶄新的系列，它是面向超低壓超低功耗場(chǎng)合設(shè)計(jì)的，這些場(chǎng)合一般使用電池供電，系統(tǒng)大多數(shù)時(shí)間處于低功耗的休眠態(tài)，僅在必要時(shí)內(nèi)核處在活動(dòng)態(tài)。這些特點(diǎn)使其對(duì)電池壽命有了苛刻的要求，電池的典型預(yù)期壽命會(huì)超過(guò)3年，有的場(chǎng)合甚至長(zhǎng)達(dá)15年。為了提高電池使用效率以及能源管理的方便，在芯片內(nèi)集成了DC/DC，使電源電壓降至 0.9 V仍能保證系統(tǒng)正常工作。其供電范圍為0.9～3.6 V，包含了大部分電池的正常工作電壓?！　≡撔酒脑O(shè)計(jì)思想就是低功耗，在內(nèi)核與外設(shè)的應(yīng)用細(xì)節(jié)處理上無(wú)不貫穿這一主線。片內(nèi)多種基準(zhǔn)源、多種振蕩時(shí)鐘源及多種喚醒源，盡可能地降低了模擬外設(shè)的工作電壓，同樣也是這一思想的體現(xiàn)。低功耗并不意味著低性能，它最大程度地兼容了C8051F系列的通用外設(shè)，前面所述的外設(shè)均集成在片內(nèi)。除此之外，還擴(kuò)展了外設(shè)的功能，比如增加了CRC單元、smaRTClock單元、A/D數(shù)據(jù)硬件累加功能，擴(kuò)展了比較器的觸感輸入功能，擴(kuò)展了定時(shí)器與PCA功能?！　榱烁鼫?zhǔn)確地掌握芯片的使用，作者在編寫本書時(shí)，參閱了英文原版資料，盡量使用第一手資料；各外設(shè)的應(yīng)用代碼，均經(jīng)過(guò)在系統(tǒng)調(diào)試通過(guò)，所得到的數(shù)據(jù)也來(lái)源于實(shí)測(cè)。本書提供所有程序代碼，需要的讀者請(qǐng)到北航出版社網(wǎng)站的“下載中心”中單擊“超低壓SoC處理器C8051F9xx應(yīng)用解析”鏈接下載即可?！　”緯诰庉嬤^(guò)程中得到了新華龍電子有限公司的大力支持，特別感謝門鐸工程師，他為本書的編寫給予了大力支持。參與本書編寫工作的還有韓素英、包明洲、武麗敏、包初勝等，對(duì)他們的辛勤勞動(dòng)表示衷心的感謝?！　〈筮B理工大學(xué)數(shù)字化研究所的各位同仁在本書的編寫過(guò)程中給予了大力協(xié)助，他們是高媛、馬雅麗、朱林劍、孫守林、毛范海、董慧敏、梁豐、陳慶紅、楊光輝、錢峰、姜立學(xué)、陳觀慈等。特別感謝所長(zhǎng)王德倫教授的大力支持?！　×硗?，韓素英、包明周、武麗敏、包初勝、尹云、王皓、劉建偉完成了資料收集與文字校對(duì)工作，在此一并感謝。

內(nèi)容概要

本書介紹新型超低壓、超低功耗SoC處理器C8051F9xx，共分為17章，具體內(nèi)容包括： C8051F9xx內(nèi)核與功能總匯，可編程輸入/輸出端口與外設(shè)資源匹配，片上可編程基準(zhǔn)電路與比較器，10位低功耗突發(fā)模式自動(dòng)平均累加A/D轉(zhuǎn)換器，片上DC/DC轉(zhuǎn)換器與高效率穩(wěn)壓器，具有加密功能的數(shù)據(jù)程序Flash存儲(chǔ)器，增強(qiáng)型循環(huán)冗余檢查單元（CRC0），多模式外設(shè)總線擴(kuò)展和片上XRAM的訪問(wèn)，系統(tǒng)復(fù)位源，多模式時(shí)鐘發(fā)生源，smaRTClock時(shí)鐘單元，SMBus總線，異步串口 UART0，增強(qiáng)型全雙工同步串行外設(shè)接口SPI0/SPI1，定時(shí)器，可編程計(jì)數(shù)器陣列，綜合實(shí)例應(yīng)用。綜合實(shí)例應(yīng)用中的例子均在C8051F930平臺(tái)上調(diào)試通過(guò)，具有較強(qiáng)的針對(duì)性，讀者可放心使用。本書所有的程序均采用C語(yǔ)言編程，有較強(qiáng)的可讀性和移植性。　　本書可作為工程技術(shù)人員進(jìn)行C8051F系列單片機(jī)開發(fā)時(shí)的硬件和軟件設(shè)計(jì)參考書，對(duì)其他類型單片機(jī)的開發(fā)也具有一定的參考借鑒價(jià)值。

書籍目錄

第1章 C8051F9xx內(nèi)核與功能總匯第2章 可編程輸入/輸出端口與外設(shè)資源匹配第3章 片上可編程基準(zhǔn)電路與比較器第4章 10位低功耗突發(fā)模式自動(dòng)平均累加A/D轉(zhuǎn)換器第5章 片上DC/DC轉(zhuǎn)換器與高效率穩(wěn)壓器第6章 具有加密功能的數(shù)據(jù)程序Flash存儲(chǔ)器第7章 增強(qiáng)型循環(huán)冗余檢查單元第8章 多模式外設(shè)總線擴(kuò)展和片上XRAM的訪問(wèn)第9章 系統(tǒng)復(fù)位源第10章 多模式時(shí)鐘發(fā)生源第11章 smaRTClock時(shí)鐘單元第12章 SMBus總線第13章 異步串口UART0第14章 增強(qiáng)型全雙工同步串行外設(shè)接口SPI0/SPI第15章 定時(shí)器第16章 可編程計(jì)數(shù)器陣列第17章 綜合實(shí)例應(yīng)用附錄A CIP51指令集附錄B 特殊功能寄存器附錄C C8051F9xx引腳定義及說(shuō)明

章節(jié)摘錄

　　C8051Fxxx單片機(jī)是混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，具有與8051兼容的微控制器內(nèi)核，并且該內(nèi)核有與傳統(tǒng)MCS51兼容的指令集。它除了具有標(biāo)準(zhǔn)8052的數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件。　　MCu中的外設(shè)或功能部件包括模擬多路選擇器、可編程增益放大器、A／D轉(zhuǎn)換器（ADC）、D／A轉(zhuǎn)換器（DAC）、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、SMBus／IC、UART、SPI、可編程計(jì)數(shù)器／定時(shí)器陣列（PCA）、定時(shí)器、數(shù)字I／0端口、電源監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器（WDT）和時(shí)鐘振蕩器等。所有器件都有內(nèi)置的Flash程序存儲(chǔ)器和256字節(jié)的內(nèi)部RAM，有些器件內(nèi)部還有位于外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間的RAM，即XRAM?！　8051Fxxx單片機(jī)采用流水線結(jié)構(gòu)，機(jī)器周期由標(biāo)準(zhǔn)的12個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期降為1個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，處理能力大大提高，峰值性能可達(dá)25MIPS。　　C8051Fxxx單片機(jī)是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)（SoC）。每個(gè)MCU都能有效地管理模擬和數(shù)字外設(shè)，可以關(guān)閉單個(gè)或全部外設(shè)以節(jié)省功耗。Flash存儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場(chǎng)更新8051固件?！　?yīng)用程序可以使用MOVC和MOVX指令對(duì)Flash進(jìn)行讀或改寫，每次讀或?qū)懸粋€(gè)字節(jié)?！　∵@一特性允許將程序存儲(chǔ)器用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及在軟件控制下更新程序代碼?！　∑瑑?nèi)集成了調(diào)試支持功能，允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進(jìn)行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、單步、運(yùn)行和停機(jī)命令。在使用JTAG調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行。　　不同系列的單片機(jī)，其擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)的中斷源不同系列最多達(dá)到22個(gè)，而標(biāo)準(zhǔn)8051只有7個(gè)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(gè)中斷驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)需要較少的MCU干預(yù)，卻有更高的執(zhí)行效率。在設(shè)計(jì)一個(gè)多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)時(shí)，這些增加的中斷源是非常有用的?！　iliconLabs根據(jù)市場(chǎng)的需要開發(fā)了小體積、低功耗、高性能、低價(jià)格的新產(chǎn)品?！　8051F9xx系列也符合這樣的思想，但它與其他小體積的產(chǎn)品又有著不同的市場(chǎng)定位。該產(chǎn)品的主要應(yīng)用目標(biāo)是使用可換電池的系統(tǒng)。這些裝置往往并不希望經(jīng)常更換電池，有時(shí)可能不方便更換，可能期望電池的壽命超過(guò)3年，有些場(chǎng)合可能要長(zhǎng)達(dá)15年?！　楸ＷC有效工作時(shí)間，對(duì)功耗的要求是非常嚴(yán)格的，通常這類系統(tǒng)主要的時(shí)間都是花費(fèi)在超低電流睡眠狀態(tài)，必要時(shí)或周期性地喚醒執(zhí)行測(cè)量任務(wù)，然后再迅速地返回到它們的低功耗睡眠模式。

圖書封面

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