C第十二单元新型51兼容单片机与新型接口器件.docx
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C第十二单元新型51兼容单片机与新型接口器件
第十二单元新型51兼容单片机与新型接口器件
本单元学习要点
1.单片机技术的发展。
2.目前与8051兼容的新型单片机。
3.新型的接口器件。
12.1引言
为了使读者尽快地掌握单片机及其开发技术，本书在前面的章节内全部采用了具备最经典8051的内核的单片机89C52，这样方便了读者掌握单片机及其接口的概念、原理和方法，但毕竟8051已经有20多年的历史了，89C52也有10多年的历史，而微电子技术和微处理机的技术发展又极为迅速，如果仅仅知道经典的8051单片机，那么将很难胜任今后的可能面临的工作，原因是大量新型单片机的涌现，已经有很多的新型单片机把我们所介绍的仿真实验板的全部（除电源外）器件集成在一个芯片上，形成所谓的SoC（SystemonChip，单片系统或片上系统）芯片，实现了真正意义上的”单片机”（SingleChipMachines，单片机器，简称单片机）。
采用这样一些新型的单片机，不仅不会提高成本，反而在提高可靠性，简化工艺，提高开发效益和系统性能等方面效果显著，不仅如此，仿真实验板上有不少的器件可能都难以买到，因此，为了使地址真正掌握单片机及其开发技术（所谓”真正掌握”是在今后的工作中能够得心应手地开发单片机应用系统，如果仅仅掌握了一点基础知识而对单片机的新发展手足无措的话，怎能称得上”真正掌握”），本章将简要地介绍部分最新的与8051兼容的单片机和一些新型的接口器件。
附录？
列出了目前国内外各个半导体厂商正在生产与8051兼容的单片机。
12.2不断涌现的8051兼容的新型单片机
12.2.1新型8位单片机的发展概况
自从80年代初期8051单片机诞生以来，由于厂商对8051单片机开发应用有力的技术支持和国内有效地开发出8051仿真器，8051单片机以绝对的优势在国内迅速地普及应用。
实际上，当业内人士谈到单片机时，他们就是在讨论8051；反之，8051也是单片机的代名词。
然而，随着以美国MICROCHIP（微芯）公司PIC系列单片机为代表的RISC指令集单片机的出现，对8051系列单片机的地位造成巨大的冲击和威胁。
PIC系列单片机在高速度、低功耗、驱动能力强和具有一定的模拟信号处理能力等方面显著地胜过标准的8051单片机。
很多业内人士对8051单片机的落伍有莫名的失落感。
毕竟8051的应用时间之长、应用面之广和应用开发人员之多，是其它器件望尘莫及的。
幸而，近年来国际上有多家著名的半导体厂商没有丢弃8051，通过他们的努力，8051又有了新的生命力。
首先是美国ADI公司的ADC8xx系列单片机，这是采用与8051兼容的内核、具有高精度模数转换器和数模转换器等强大混合信号处理为一体的高性能单片机器件，可以称之为SoC（SystemonChip）器件，ADI公司把他命名为微转换器（MicroConverter）。
目前，ADI公司的ADC8xx系列单片机有三个子系列：
ADC812、ADC816和ADC824，他们的差别主要在于模数转换的精度。
ADC812的模数转换器的精度为12位，ADC816的模数转换器的精度为16位和ADC824的模数转换器的精度为24位。
接着，美国MAXIM（DALLAS）公司推出了与8051完全兼容的高速单片机――DS89C420，该款单片机的突出优点是其速度高达50MIPS（MillionInstructionsPerSecond，百万条指令/秒），MAXIM（DALLAS）公司推出的另一系列与8051兼容的单片机是MAX7651/7652，这一系列单片机与ADC812十分相似，MAXIM公司称之为DAS（Data-AcquisitionSystem，数据采集系统）器件，可以说，这也是一枚SoC器件。
美国Cignal公司则开发出C8051Fxxx系列单片机；C8051Fxxx有4个子系列：
C8051F0xx、C8051F02x、C8051F2xx和C8051F3xx。
C8051Fxxx系列单片机的突出特点是混合信号处理、高速度和十分独特的口线管理能力。
瑞士XEMICS公司则推出了XE881C0x系列单片机。
与同类器件不同的最大特色在于片内集成了放大器、LCD驱动电路和很低的功耗。
LCD驱动的输出线在不用于LCD显示器的驱动时，可作为普通I/O口线使用。
XEMICS公司把XE881C0x系列单片机命名为混合信号微处理器（MixedSignalMicrocontroller）。
这一系列单片机主要定向于电池供电的手持式仪器或射频供电的仪器。
作为世界上第一个研制出集成电路的著名半导体厂商TI（TexasInstruments）公司也不甘落后，推出了型号为MSC1210的单片机。
该型号单片机的最大特点是具有8通道高精度的模数转换器，精度高达24位不丢码。
这些新型的与8051兼容的单片机的出现，丰富了单片机的选型，更方便了我国难以计数的单片机应用工程师开发新产品和对旧产品进行改造升级。
本章对这些单片机所具有的新特点进行一些简要的介绍，供读者参考。
12.2.28051兼容单片机的新进展
新型8051兼容单片机在技术上体现速度和集成度大幅度提高，放大器、模拟比较器、模数转换器和数模转换器的集成使得单片机本身具备混合信号处理的能力，各种串口的集成，使得单片机具备更快、更好的与外部通信的能力，功耗的降低，使8051兼容单片机的应用场合得以大幅度扩展，也简化了单片机的电源设计和提高了可靠性，而在线下载、在线可编程和在线调试等技术的出现，大大方便了系统的开发和调试，使得单片机的开发方式发生了革命性的变化。
1．高速度
标准8051单片机的最大缺点是速度慢，每个指令周期需要12个时钟（振荡）周期。
新型的与8051兼容的单片机则多数采用6个或4个时钟（振荡）周期执行一条指令的方式，在相同的系统时钟频率时使单片机的运行速度提高2至3倍。
如DS87C550、MAX7651/7652和MSC1210都是采用4个时钟（振荡）周期执行一条指令的方式；为了进一步提高速度和降低功耗，C8051Fxxx系列单片机和XE881C0x系列单片机则采用RISC指令与长指令代码，达到了1个时钟（振荡）周期执行一条指令的速度，它们最高速度分别达到了25MIPS和4MIPS。
显然，达到1个时钟（振荡）周期执行一条指令的速度的单片机就不能再采用分时复用的总线结构。
2．混合信号处理
在现实世界，需要测量与处理的信号绝大多数是模拟信号，而标准的8051单片机只能处理数字信号。
为弥补标准的8051单片机的不足，新型的单片机都在模拟信号处理上下了很大的功夫，甚至重点就是放在模拟信号处理上。
这些新型的单片机片内都有模数转换器：
MAX7651/7652、ADC812和C8051Fxxx系列单片机都有8通道12位的模数转换器和数模转换器。
ADC816和XE881C0x系列单片机则有16位的模数转换器，而ADC824和MSC1210则有24位的模数转换器。
在测控系统中，传感器往往是必不可少的，而传感器又往往需要驱动信号，新型单片机为了适应这种需要，都设有片内数模转换器用于产生传感器的驱动信号，有的片内还设有可控恒流源电路。
因此，新型单片机可直接与传感器放置在一起，把传感器变成所谓的智慧传感器（SmartSensor），可大幅度提高系统的性能，特别是提高了系统的灵敏度和抗干扰能力。
XE881C0x系列单片机片内集成了高精度放大器，放大器的增益可编程，最大增益达1000倍。
有了这种放大器，对于多数的应用场合，不需要其它信号放大、处理电路，足以完成信号的集成、放大和处理工作。
MSC的模拟信号条理电路则更完善：
不仅放大器的增益从1至128倍可调，其失调和增益误差也可以校准。
失调和增益的温漂仅分别为0.02PPM/℃和0.5PPM/℃。
C8051Fxxx系列单片机中不仅有多达32通道12位的模数转换器（有些品种的模数转换器为8位、有的为10位），还有功能强大的模拟比较器。
这种模拟比较器的比较阈值可以用软件设置、可以设置比较器的迟滞电压，比较器的输出可以配置到某根引脚上。
这些新型的单片机均有高精度的片内基准电源。
在ADC8xx系列单片机中还有片内温度传感器，可以用来监测芯片温度或检测环境温度。
3．在线可编程与在系统可编程
随着单片机的功能增强，其引脚也迅速增加，新型单片机的速度也大幅度增加，采用8051原有的硬件仿真器的方式显然难以适应这些新型的单片机。
所以，这些新型的单片机都有大小不等的片内FLASH存储器和采用串口或JTAG接口下载、调试和固化程序。
这样的结果带来一系列优点：
不需要复杂的硬件仿真器，开发更方便，可实现实时仿真，所有的资源都可为用户所使用，可以在线可编程和在系统可编程。
在线可编程和在系统可编程意味着采用这类单片机的应用系统可以通过网络对系统进行升级、修改和维护。
ADC8xx系列单片机通过片内的UART串口进行程序的下载、调试和固化。
用户只要给UART配一个电平转换电路，即可通过PC机的RS232串口下载程序到ADC8xx系列单片机，对其进行调试，程序调试好后程序自然就已固化完毕。
C8051Fxxx系列单片机则采用JTAG接口进行程序的下载、调试和固化。
由于JTAG接口具有一系列优点：
可高速实时仿真、不占用任何片内资源……，因而，采用JTAG接口调试单片机是单片机的发展方向。
4.多种通信串口
新型的单片机多数具备了较完善的串行通讯接口。
前面介绍的新型的单片机多数都同时具备UART、I2C和SPI串口。
表12-1中列出了这些单片机所配备的串口情况。
应该指出的是，这些新型的单片机中的串口功能都有所增强。
如ADC8xx系列单片机的SPI串口信号的极性、主从模式和速度等等都是可编程的，又如MAX7651/7652中的UART串口的速度可高达375kb。
表12-1新型的单片机片内串口的配备情况
单片机型号
UART
I2C
SPI
备注
ADC8xx
1
1
1
可编程SPI串口信号的极性、主从模式和速度。
MAX7651/7652
2
速度最高可达375kb。
C8051Fxxx
1
SMBus
1
SMBus与I2C完全兼容。
三种串口可以同时使用。
调试和下载程序采用JTAG接口。
XE881C0x
1
1
MSC1210
1
1
SPI串口具有DMA功能。
5.高可靠性与高安全性
为了提高应用系统的可靠性，新型的单片机在以下几个方面有所加强：
1．看门狗定时器；
2．电压监视器；
3．芯片温度检测或器件烧毁检测。
为了提高可靠性和改善电磁兼容性，新型的单片机中的有的器件采用两套时钟。
如XE881C0x高速工作时采用片内RC时钟，高精度定时和低速工作采用片外32.768kHz的晶体工作。
这样，芯片的引脚没有高频脉冲信号出现。
而有的单片机采用关闭ALE引脚输出的方式，降低可能的电磁辐射。
在程序安全性和数据安全性方面这几种单片机也采用了许多措施，可以说”各庄有各庄的高招”。
以C8051Fxxx系列单片机为例。
C8051Fxxx系列单片机提供了安全选项以保护FLASH存储器不会被软件意外修改，并防止程序代码和常数被非法读取。
C8051Fxxx系列单片机中的特殊寄存器――程序存储读写控制寄存器中的程序存储写允许位PSCTL.0和程序存储擦除允许位PSCTL.1，就是专门用于保护FLASH存储器不会被软件意外修改。
在用软件修改FLASH存储器的内容之前这些位必须被置1。
下面介绍的安全功能可以防止通过JTAG接口或通过运行在系统控制器上的软件读取产权程序代码和常数：
保存在地址0x7DFE和0x7DFF中的安全锁定字节可以保护FLASH存储器，使得不能通过JTAG接口读取或修改其内容。
安全锁定字节中的每一位保护一个4k字节的存储器块。
将读锁定字节中的一位清0可防止通过JTAG接口读对应的FLASH存储器块；将写/擦除锁定字节中的一位清0可防止通过JTAG接口写/擦除对应的存储器块。
读锁定字节位于0x7DFF，写/擦除锁定字节位于0x7DFE。
安全字节的地址和位定义可以用软件写入，但不能用软件擦除。
6.低功耗
新型的单片机增加了功能，提高了速度，却降低了功耗。
表12-2列出了几种新型的单片机的功耗情况。
表12-2新型的单片机片内串口的配备情况
单片机型号
正常工作（mA）/工作频率（MHz）
闲置（μA）
关闭（μA）
备注
ADC8xx
26/12
15/（12MHz）
50
MAX7651
55/12
13
10
正常工作时的电流最大值，包括FLASH存储器的页擦除，但不包括模拟电路的电流。
MAX7652
40/12
5
10
正常工作时的电流最大值，包括FLASH存储器的页擦除，但不包括模拟电路的电流。
C8051Fxxx
10/20
2
XE88LC01R
0.31/1MIPS
1
MSC1210
<1.5
<1mA
<1
注：
由于新型的单片机的工作电压和频率、片上模块活动状态可存在巨大的差别，所以本表给出的数据只能作为粗略的参考。
要了解器件准确的功耗，请查阅相关的参考文献和数据手册。
7.其它
新型的单片机正在向着SoC系统发展，把越来越多的功能部件集成在一个芯片上，功能越来越强。
已经很难在传统的意义去区分单片机（或微处理器）、数字信号微处理器、逻辑电路、模拟电路、逻辑门阵列等等。
如XE881C0x系列芯片集成了硬件乘法器，可以在一个振荡周期内完成8×8的乘法运算，可以说已初步具备数字信号微处理器的功能。
有的单片机则集成了FPGA，有的集成有USB接口，有的则集成有网络功能、甚至蓝芽模块。
实际上，只要某些功能模块有实际应用的可能，就有把某些功能模块和与8051兼容的内核集成到一起的新型单片机，以往存在的工艺障碍和成本问题似乎在一夜之间就消失的无影无踪了。
所缺乏的，仍然是人类梦寐以求的主题――想象。
12.2.3若干8051兼容单片机的介绍
由于8051的众多优点，目前国内外有上百家厂商生产数以千个品种的与8051在不同程度上兼容的单片机。
在附录？
中，列出了目前国内外各个半导体厂商正在生产与8051兼容的单片机及其主要性能。
下面介绍几种特色明显的与8051兼容的单片机。
一．Intel公司的MCS25l系列
16位单片机可以有比8位单片机高得多的性能，单片机向16位机发展，这是目前一大发展趋势，甚至过去对16位单片机持否定态度的国际知名大厂商也推出了16位单片机，大多数16位单片机都允许工作在8位方式，这主要是因为目前大量外围接口芯片都是工作在8位方式，使用者可以有广泛的选择余地。
Intel公司新推出的新一代单片机MCS25l系列，它与8051系列单片机具有很好的兼容量。
可以实现二进制代码兼容、封装引脚兼容。
只要换上MCS25l芯片，8051系列单片机使用者就可以迅速实现升级，有效保护了使用者原有时间和精力的投入。
使用现存8051代码，升级后可使性能增强5倍，如果使用MCS25l新指令，则可以使性能增强15倍。
1．MCS25l系列单片机的性能特点
MCS25l系列单片机的具有如下的性能特点：
MCS25l单片机核心采用了三段式的流水线指令和寄存器式的中央处理单元结构，芯片具有16位内部代码总线、因而可以使性能增强5～15倍、同时减少功耗及射频干扰。
基于CPU的寄存器结构，具有灵活的8位／16位／32位寄存器、从而可以实现8位、l6位、32位运算和逻辑操作。
●具有24位程序和数据地址线，可以寻址l6M字节存储器。
●堆栈空间可以达到64K字节。
●片内RAM可达512～1K字节，ROM或EPROM可达8K或16K字节。
●有32条可编程定义的I／0线。
●具有多个16位定时器／计数器。
●标准串行口。
●支持多达64个中断源；具有上升沿／下降沿捕捉功能。
●高速输出。
●具有PWM脉冲宽度调制输出。
●内置硬件看门狗，提高系统安全可靠性
●片内含有ROM或EPROM的芯片具有很好的加密特性，使用先进的加密结构和方法。
具有64字节加密阵列、3级锁定，保护开发者的权益。
●0～l6MHz／33MHz时钟。
2．MCS251系列单片机的品种及派生产品
251系列单片机的多种不同型号，以满足不同场合与情况的需要。
如8XC251SA，8XC251SB，8xC251SP，8xC251SQ等，有的品种集成有其他的特殊功能：
如25l十USB，251十LCD驱动，251十EEPROM，251十FLash存储器等。
其中251十USB的单片机特别引人重视：
USB（UniversalSearialBus）是一种新的串行总线标准。
它由七大产业巨头发起，即Intel、IBM、Compaq、Digital、Microsoft、NEC、Northern、Telecom。
USB是开放性的、免版权的PC产业串行标准、1996年应用于标准PC。
它是PC架构的革命，支持”箱外”即插即用，简化互联，而且成本低。
它将目前计算机主机箱与外设蜘蛛网式的连接简化为一条串行总线。
它可有126个逻辑节点、速度可达到12MB／s、可以动态插拔、自动配置。
3．MCS251系列单片机的内部结构
MCS251系列单片机的内部结构如图12-1所示。
图12-1MCS251系列单片机的内部结构
二．TI公司的MSC12l0系列
在许多测控系统中往往需要进行高精度的测量和进行实时快速控制，同时还希望提高开发效率。
为此人们常采用高精度A／D芯片加带ISP（In-SystemProgramm，在系统可编程）开发功能的单片机系统来实现。
德州仪器（TI）的MSCl210单片机解决了上述问题。
MSCl210集成了一个增强型8051内核、高达33MHz的时钟周期、8路24位高精度S-DA／D转换器、F1ash存储器等，其系统功能和结构框图如图12-2所示。
MSCl210具有以下主要特点：
●3个16位的定时器。
●16位PWM输出。
●多达21个中断源。
●32个数字输入／输出端口。
●带有看门狗。
●8路ADC提供24位分辨率、可编程的无丢失码。
●可编程增益放大（PGA），增益在1—128之间可调，极大提高了ADC精度。
●供电电源2.7～5.25V，在3V时功耗低于4mw，停止方式电流小于1mA。
●内核兼容8051，指令与8051完全兼容，可以使用原有8051开发系统。
●时钟频率可达33MHz，单周期指令执行速度达8MIPS，执行速度比标准8051快3倍。
●高达32KB的F1ash存储器，SRAM达1.2KB，外部可扩展至64KB存储器。
●F1ash在电压低达2．7V时仍可串行或并行编程，可10万次擦除／写操作。
●具有32位累加器。
●电源管理功能，能够进行低电压检测片上电复位。
●带FIFO的SPI端口，双UART。
图12-2MSCl210的内部结构框图
三．Philip公司的8XC552系列
Philip公司的8XC552单片机具有体积小、功能强、价格低等优势。
是一种应用较广的8051兼容的单片机。
8XC552三种不同的型号：
（1）80C552为片内无ROM型；
（2）83C552为片内带8kB编程ROM型；
（3）87C552为片内带8kB用户可编程EPROM型。
从8XC552内部结构上，8XC552大体可分为六个部分：
8051核件、存储器组织、I／O接口、定时器材数器、A0及D／A、中断系统，其内部结构框图如图12-3所示。
与8051相比，8XC552片内集成的新增硬件有：
片内RAM的高128字节及新增的35个特殊功能寄存器SP、R、高速I／O口、脉冲宽度调制器PWM、A/D转换器、内部监视定时器WDT、定时/计数器T3以及与之相配合的捕获／比较逻辑、串行总线I2C和增强功能的中断逻辑。
图12-38XC552内部结构框图
【0】P0口的第二功能【1】P1口的第二功能【2】P2口的第二功能
【3】P3口的第二功能【4】P4口的第二功能【5】P5口的第二功能
下面对8XC552的新增功能及特性进行说明。
1．8XC552的片内RAM与特殊功能寄存器
8XC552的片内RAM共有256个字节，地址范围为00H～0FFH。
其中00H～7FH为片内RAM的低128字节区，用法与8051相同；80H～FFH为片内RAM的高128字节，它与特殊功能寄存器区公用。
而在8051中，这段片内RAM的高128字节地址空间只能作特殊功能寄存器区使用。
2．8XC552的并行I／O口及其第二功能
8XC552有6个8位并行I／O口P0～P5，8051只有P0～P3一共4个。
其中在对P0，P2和P3口的第一功能和第二功能用法上，8XC552和8051完全一样。
而对P1口，用法有所不同：
805l中的Pl口无第二功能；8XC552中的Pl口有第二功能（见图12-3），用于定时器T2的捕捉输入、外部事件的计数输入、复位输入以及12C总线的时钟线和数据线。
8XC552中的P4口除有作为通用I／O口的第一功能外，还具有第二功能：
用于比较寄存器与定时器相匹配时的置位输出、复位输出和触发输出。
8XC552的P5口只用作输入，可用作片内10位A/D转换器的8路模拟量输入，也可作为数字量输入，但无位寻址功能。
3．8XC552的A/D转换器和PWM的应用
8XC552片内含有一个8路10位逐次比较型A心转换器，它由模拟输入开关、10位A/D转换器、ADC控制寄存器ADCON和ADC结果寄存器ADCH等组成。
对A／D转换器的操作通过访问特殊功能寄存器ADCON实现。
ADCON中包括了A/D转换器的启动控制位、中断标志位、8路模拟量输入选择位和转换结果的低2位。
其中对于A／D转换器的启动可设置成两种方式：
一种是只能由软件启动；另一种是既可由软件启动，也可由外部引脚STADC上的信号上升沿启动。
完成一次A心转换的时间是50个机器周期。
8XC552的D／A转换器功能采用脉冲宽度调制器的输出实现。
8xC552芯片上有两个脉冲宽度调制器输出引脚PWM0和PWMl，可分别输出占空比可调的系列脉冲。
占空比由脉冲宽度调制寄存器PWM0和PWMl的内容确定。
通过对PWM0和PWMl引脚上输出波形的滤波和放大就可实现8XC552的8位D/A转换器输出功能。
4．8XC552的定时器T2和捕捉比较逻辑
8XC552的定时器T2由两个8位特殊功能寄存器TMH2和TML2组成，且T2与四个16位捕捉寄存器CT3～CT0和三个16位比较寄存器CM2～CM0相连，形成捕捉比较逻辑。
对定时器侧的控制通过访问T2控制寄存器TM2CON实现。
在TM2CON中定义了T2的工作方式、计数脉冲的预分频系数及溢出中断控制位等。
定时器T2不能由程序装入初值，只能由RST上的复位信号或RT2（P1.5的第二功能）引脚上信号的上升沿清零。
T2的预分频系数有1，2，4和8四种，其中溢出中断的最长时间间隔为524ms发生一次（12MHz时钟）。
对定时器T2的时间捕捉功能是在输入引脚CT0I～CT3I（P1.0～P1.3的第二功能）的控制下进行的。
由CT0I～CT3I引脚上的信号上升沿或下降沿触发，将T2计数寄存器TMH2和TML2中的内容分别装入T2捕捉寄存器CT0I～CT3I中，并同时使T2中断标志寄存器TM2IR中的相应中断标志位CTI0～CTI3置位产生中断请求。
CT0I～CT3I引脚上的信号触发方式由T2的捕捉控制寄
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