单片机原理与接口技术(第3版)-第8章单片机简介.ppt.pptx
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单片机原理与接口技术(第3版)-第8章单片机简介.ppt.pptx
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单片机原理与接口技术,单片机原理与接口技术(第3版).李晓林.电子工业出版社,返回目录,10/14/2019,1,第8章C8051F020单片机简介,本章教学要求了解C8051F020单片机的结构组成和性能特点。
了解C8051F020单片机的各种片内模拟及数字外设。
了解C8051F020单片机的交叉开关配置、系统复位和JTAG接口在系统调试。
通过一个应用实例介绍C8051F020单片机应用系统的硬件和软件设计。
单片机原理与接口技术(第3版).李晓林.电子工业出版社,返回目录,10/14/2019,2,本章目录,C8051F020单片机概述C8051F020的结构和性能CIP-51TMCPU的性能片内存储器中断定时/计数器可编程数字I/O和交叉开关可编程计数器阵列串行端口12位A/D转换器8位A/D转换器D/A转换器和比较器JTAG调试和边界扫描交叉开关配置I/O端口低端口优先权交叉开关译码器,8.2.3高端口系统时钟源系统复位及初始化上电复位掉电复位外部复位“看门狗”定时器复位初始化设置JTAG接口在系统调试C8051F020单片机应用系统设计实例系统结构硬件设计软件设计思考题与习题8,单片机原理与接口技术(第3版).李晓林.电子工业出版社,返回目录,10/14/2019,3,8.1C8051F020单片机概,单片机原理与接口技术(第3版).李晓林.电子工业出版社,返回目录,10/14/2019,4,述80C51系列单片机及其衍生产品在我国乃至全世界范围获得了非常广泛的应用。
单片机领域的大部分研发人员都熟悉80C51单片机,各大专院校都采用80C51系列单片机作为教学模型。
随着单片机的不断发展,市场上出现了很多高速、高性能的新型单片机,基于标准8051内核的单片机正面临着退出市场的境地。
为此,一些半导体公司开始对传统8051内核进行大的构造,主要是提高速度和增加片内模拟及数字外设,以期大幅度提高单片机的整体性能。
其中美国Cygnal公司推出的C8051F系列单片机就是一款完全集成的混合信号系统级MCU(MicroControllerUni,微控制单元),它使得以8051为内核的单片机上了一个新台阶。
本章以C8051F020为例,向读者简要介绍新型单片机的性能,并给出一个应用系统设计实例。
单片机原理与接口技术(第3版).李晓林.电子工业出版社,返回目录,10/14/2019,5,8.1C8051F020单片机概述,C8051F020的结构和性能C8051F020单片机的主要特性:
高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核(可达25MIPS)全速、非侵入式的在系统片内JTAG调试接口真正12位(C8051F020/1)或10位(C8051F022/3)、100ksps的8通道ADC,带PGA和模拟多路开关真正8位500ksps的ADC,带PGA和8通道模拟多路开关两个12位DAC,具有可编程数据更新方式64K字节可在系统编程的FLASH存储器,单片机原理与接口技术(第3版).李晓林.电子工业出版社,返回目录,10/14/2019,6,C8051F020的结构和性能4352(4096+256)字节的片内RAM可寻址64K字节地址空间的外部数据存储器接口硬件实现的SPI、SMBus/I2C和两个UART串行接口5个通用的16位定时/计数器具有5个捕捉/比较模块的可编程定时/计数器阵列片内“看门狗”定时器、VDD监视器和温度传感器C8051F020具有64个数字I/O引脚(C8051F020/2)或32个数字I/O引脚(C8051F021/3),引脚功能见表8-1,单片机原理与接口技术(第3版).李晓林.电子工业出版社,返回目录,10/14/2019,7,单片机原理与接口技术(第3版).李晓林.电子工业出版社返回目录,图为C8051F020原理结构图,8.1.1C8051F020的结构和性能,10/14/2019,8,CIP-51TMCPU的性能与8051完全兼容C8051F020系列器件使用SiliconLabs的专利CIP-51微控制器内核。
CIP-51与MCS-51TM指令集完全兼容,可以使用标准803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发。
CIP-51内核具有标准8052的所有外设部件,包括:
5个16位的定时/计数器两个全双工UART256字节内部RAM128字节特殊功能寄存器(SFR)地址空间8/4个字节宽的I/O端口,单片机原理与接口技术(第3版).李晓林.电子工业出版社,返回目录,10/14/2019,9,速度提高CIP-51采用流水线结构,与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。
在一个标准的8051中,除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24个系统时钟周期,最大系统时钟频率为1224MHz。
而对于CIP-51内核,70%的指令的执行时间为1或2个系统时钟周期,只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。
增加的功能扩展的中断系统向CIP-51提供22个中断源(标准8051只有7个中断源),允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。
MCU可有多达7个复位源:
一个片内VDD监视器、一个“看门狗”定时器、一个时钟丢失检测器、一个由比较器0提供的电压检测器、一个软件强制复位、CNVSTR引脚及/RST引脚。
图8-2所示为C8051F020复位电路框图。
单片机原理与接口技术(第3版).李晓林.电子工业出版社,返回目录,10/14/2019,10,8.1.2CIP-51TMCPU的性能,单片机原理与接口技术(第3版).李晓林.电子工业出版社返回目录,8.1.2CIP-51TMCPU的性能,C8051F020复位电路框图,-存储器,单片机原理与接口技术(第3版).李晓林.电子工业出版社,返回目录,10/14/2019,12,8.1.3片内存储器,CIP-51有标准的8051程序和数据地址配置。
C8051F020中的CIP-51还另有位于外部数据存储器地址空间的4K字节的RAM块和一个可用于访问外部数据存储器的外部存储器接口(EMIF)。
这个片内的4K字节RAM块可以在整个64K外部数据存储器地址空间中被寻址(以4K为边界重叠)。
外部数据存储器地址空间可以只映射到片内存储器、只映射到片外存储器、或两者的组合(4K以下的地址指向片内,4K以上的地址指向EMIF)。
EMIF可以被配置为地址/数据线复用方式或非复用方式。
MCU的程序存储器包含64K字节的FLASH。
该存储器以512字节为一个扇区,可以在系统编程,且不需特别的外部编程电压。
图8-3所示为C8051F020片内存储器结构图。
8.1.3片内存储器,单片机原理与接口技术(第3版).李晓林.电子工业出版社,返回目录,10/14/2019,13,C8051F020片内存储器结构图,单片机原理与接口技术(第3版).李晓林.电子工业出版社返回目录,8.1.3片内存储器表8-2为CIP-51系统控制器中的全部SFR,10/14/2019,单片机原理与接口技术(第3版).李晓林.电子工业出版社返回目录,8.1.4中断CIP-51包含一个扩展的中断系统,支持22个中断源,10/14/2019,15,8.1.4中断,单片机原理与接口技术(第3版).李晓林.电子工业出版社,返回目录,10/14/2019,16,8.1.5定时/计数器C8051F020内部有5个定时/计数器:
其中三个16位定时/计数器与标准8051中的定时/计数器兼容,还有两个16位自动重装载定时器可用于ADC、SMBus、UART1或作为通用定时器使用。
这些定时/计数器可以用于测量时间间隔,对外部事件计数或产生周期性的中断请求。
定时器0和定时器1几乎完全相同,有四种工作方式。
定时器2增加了一些定时器0和定时器1中所没有的功能。
定时器3与定时器2类似,但没有捕捉或波特率发生器方式。
定时器4与定时器2完全相同,可用作UART1的波特率发生源。
单片机原理与接口技术(第3版).李晓林.电子工业出版社,返回目录,10/14/2019,17,8.1.5定时/计数器当工作在定时器方式时,定时/计数器寄存器在每个时钟周期加1。
时钟周期为系统时钟除以1或系统时钟除以12,由CKCON中的定时器时钟选择位(T4M-T0M)指定。
每个时钟周期为12个时钟的选项提供了与标准8051系列的兼容性。
需要更快速定时器的应用可以使用每个时钟周期1个时钟的选项。
当作为计数器使用时,所选择的引脚上出现负跳变时定时/计数器寄存器加1。
对事件计数的最大频率可达到系统时钟频率的四分之一。
输入信号不需要是周期性的,但在一个给定电平上的保持时间至少应为两个完整的系统时钟周期,以保证该电平能够被采样。
单片机原理与接口技术(第3版).李晓林.电子工业出版社,返回目录,10/14/2019,18,8.1.6可编程数字I/O和交叉开关C8051F020系列MCU具有标准8051的端口(0、1、2和3)。
在F020/2中有4个附加的端口(4、5、6和7),因此共有64个通用I/O端口。
每个I/O端口引脚都可以被配置为推挽或漏极开路输出。
数字交叉开关是一个大的数字开关网络,允许将内部数字系统资源映射到P0、P1、P2和P3的I/O端口引脚。
可通过设置交叉开关控制寄存器将片内的定时/计数器、串行总线、硬件中断、ADC转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其它数字信号配置到I/O端口引脚上。
这一特性允许用户根据自己的特定应用选择通用I/O端口和所需数字资源的组合。
图8-4所示为C8051F020数字交叉开关原理框图。
单片机原理与接口技术(第3版).李晓林.电子工业出版社,返回目录,10/14/2019,19,单片机原理与接口技术(第3版).李晓林.电子工业出版社返回目录,8.1.6可编程数字I/O和交叉开关,10/14/2019,单片机原理与接口技术(第3版).李晓林.电子工业出版社返回目录,8.1.7可编程计数器阵列,除了5个16位的通用定时/计数器之外,C8051F020MCU系列还有一个片内可编程定时/计数器阵列(PCA)。
PCA包括一个专用的16位定时/计数器时间基准和5个可编程的捕捉/比较模块。
时间基准的时钟可以是下面的六个时钟源之一:
系统时钟/12、系统时钟/4、定时器0溢出、外部时钟输入(ECI)、系统时钟和外部振荡源频率/8。
每个捕捉/比较模块都有六种工作方式:
边沿触发捕捉、软件定时器、高速输出、频率输出、8位脉冲宽度调制器和16位脉冲宽度调制器。
PCA捕捉/比较模块的I/O和外部时钟输入可以通过数字交叉开关连到MCU的端口I/O引脚。
图8-5所示为C8051F020PCA原理框图。
10/14/2019,21,单片机原理与接口技术(第3版).李晓林.电子工业出版社返回目录,8.1.7可编程计数器阵列,单片机原理与接口技术(第3版).李晓林.电子工业出版社,返回目录,C8051F020系列MCU内部有两个增强型全双工UART、SPI总线和SMBus/I2C。
每种串行总线都完全用硬件实现,都能向CIP-51产生中断,因此需要很少的CPU干预。
这些串行总线不“共享”定时器、中断或端口I/O等资源,所以可以同时使用任何一个或全部。
图8-6所示为UART原理框图。
图8-7所示为SPI总线原理框图。
图8-8所示为SMBus/I2C原理框图。
8.1.8串行端口,10/14/2019,23,单片机原理与接口技术(第3版).李晓林.电子工业出版社返回目录,图8-6所示为UART原理框图,单片机原理与接口技术(第3版).李晓林.电子工业出版社返回目录,图8-7所示为SPI总线原理框图,单片机原理与接口技术(第3版).李晓林.电子工业出版社返回目录,图8-8所示为SMBus/I2C原理框图,8.1.912位A/D转换器C8051F020/1有一个
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