80C51系列單片機及其衍生產(chǎn)品在我國乃至全世界范圍獲得了非常廣泛的應(yīng)用。單片機領(lǐng)域的大部分工作人員都熟悉80C51單片機，各大專院校都采用80C51系列單片機作為教學模型。隨著單片機的不斷發(fā)展，市場上出現(xiàn)了很多高速、高性能的新型單片機，基于標準8051內(nèi)核的單片機正面臨著退出市場的境地。為此，一些半導體公司開始對傳統(tǒng)8051內(nèi)核進行大的構(gòu)造，主要是提高速度和增加片內(nèi)模擬和數(shù)字外設(shè)，以期大幅度提高單片機的整體性能。其中美國Cygnal公司推出的C8051F系列單片機把80C51系列單片機從MCU時代推向SoC時代，使得以8051為內(nèi)核的單片機上了一個新的臺階。

C8051F系列單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，具有與8051兼容的CIP-51微控制器內(nèi)核，采用流水線結(jié)構(gòu)，單周期指令運行速度是8051的12倍，全指令集運行速度是原來的9.5倍。熟悉NCS-51系列單片機的工程技術(shù)人員可以很容易地掌握C8051F的應(yīng)用技術(shù)并能進行軟件的移植。但是不能將8051的程序完全照搬的應(yīng)用于C8051F單片機中，這是因為兩者的內(nèi)部資源存在較大的差異，必須經(jīng)過加工才能 予以使用。其中C8051F020以其功能較全面，應(yīng)用較廣泛的特點成為C8051F的代表性產(chǎn)品，其性能價格比在目前應(yīng)用領(lǐng)域也極具競爭力。C8051F020的內(nèi)部電路包括CIP-51微控制器內(nèi)核及RAM、ROM、I／O口、定時／計數(shù)器、ADC、DAC、PCA、SPI和SMBus等部件，即把計算機的基本組成單元以及模擬和數(shù)字外設(shè)集成在一個芯片上，構(gòu)成一個完整的片上系統(tǒng)(SoC)。本文將介紹C8051F020單片機與80C51的異同點(主要是不同之處)及初學者編程時應(yīng)該注意的問題，并給出經(jīng)過Cygnal開發(fā)工具IDE調(diào)試環(huán)境軟件驗證的源程序。

2 相同點

C8051F020單片機與80C51系列單片機的指令系統(tǒng)完全一樣。掌握80C51單片機的人員可以很容易地接受C8051F020的應(yīng)用技術(shù)并能完成相應(yīng)軟件的移植。

3 主要硬件不同點

3.1 運行速度

C8051F020的指令運行速度是一般80C51系列單片機的10倍以上。因為其CIP-51中采用了流水線處理結(jié)構(gòu)，已經(jīng)沒有了機器周期時序，指令執(zhí)行的最小時序單位為系統(tǒng)時鐘，大部分指令只要1～2個系統(tǒng)周期即可完成。又由于其時鐘系統(tǒng)比80C51的更加完善，有多個時鐘源，且時鐘源可編程，時鐘頻率范圍為0～25 MHz，當CIP-5l工作在最大系統(tǒng)時鐘頻率25 MHz時，它的峰值速度可以達到25 MI／s，C8051F020已進入了8位高速單片機行列。

3.2 I／O端口的配置方式

C8051F020擁有8個8位的I／O端口，大量減少了外部連線和器件擴展，有利于提高可靠性和抗干擾能力。其中低4個I／O端口除可作為一般的通用I／O端口外，還可作為其他功能模塊的輸入或輸出引腳，它是通過交叉開關(guān)配置寄存器XBR0、XBR1、XBR2(各位名稱及格式如表1所示)選擇并控制的，它們控制優(yōu)先權(quán)譯碼選擇開關(guān)電路如圖1所示，可將片內(nèi)的計數(shù)器／定時器、串行總線、硬件中斷、比較器輸出及其它的數(shù)字信號配置為在端口I／O引腳出現(xiàn)，這樣用戶可以根據(jù)自己的特定需要選擇所需的數(shù)字資源和通用I／O口。數(shù)字交叉開關(guān)是一個比較大的數(shù)字開關(guān)網(wǎng)路，這在所有80C51系列單片機上是一個空白。另外P1MDIN用于選擇P1的輸入方式是模擬輸入還是數(shù)字輸入，復位值為11111111B，即默認為數(shù)字輸入方式。而80C51單片機的I／O引腳是固定分配的，即占用引腳多，配置又不夠靈活。

C8051F020通過優(yōu)先權(quán)交叉開關(guān)譯碼器(如圖2所示)控制數(shù)字開關(guān)網(wǎng)路，端口引腳的分配順序是從P0.0開始一直到P3.7。當交叉開關(guān)配置寄存器XBR0、XBR1和XBR2中外設(shè)的對應(yīng)使能位被設(shè)置為邏輯“1”時，交叉開關(guān)將端口引腳分配給外設(shè)，例如，如果UARTOEN位(XBR0.2)被設(shè)置為邏輯“1”，則TX0和RX0引腳將分別被分配到P0.0和P0.1。因為UART0有最高優(yōu)先權(quán)，所以當UARTOEN位被設(shè)置為邏輯“1”時其引腳將總是被分配到P0.0和P0.1。未被設(shè)置的交叉開關(guān)分配端口可作為通用I／O口。注意：當選擇了串行通信外設(shè)(即SMBus、SPI或UART)時，交叉開關(guān)將為所有相關(guān)功能分配引腳。例如，不能為UART0功能只分配TX0引腳而不分配RX0引腳。交叉開關(guān)寄存器被正確配置后，通過將XBARE(XBR2.6)設(shè)置為邏輯“1”來使能交叉開關(guān)。

3.3 內(nèi)部功能

C8051F020內(nèi)部帶有數(shù)據(jù)采集所需的ADC和DAC，其中ADC有兩個，一個是8路12位逐次逼近型ADC，可編程轉(zhuǎn)換速率，最大為100 kS／s．可通過多通道選擇器配置為單端輸入或差分輸入。內(nèi)有可編程增益放大器PGA用于將輸入的信號放大，提高A／D的轉(zhuǎn)換精度?？删幊淘鲆鏋椋?.5、1、2、4、8或16，復位時默認值為1。另一個是8路8位ADC，可編程轉(zhuǎn)換速率最大為500 kS／s，其可編程放大增益為0.5、1、2、4，復位時默認值為0.5。有2個12位的DAC，用于將12位的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為電壓量，可產(chǎn)生連續(xù)變化的波形，兩路信號可同步輸出。

3.4 外部接口

C8051F020外設(shè)還增添了三個串行口?？赏瑫r與外界進行串行數(shù)據(jù)通信，SMBus兼容于I2C串行擴展總線；SPI串行擴展接口；兩個增強型UART串口。C8051F020具有基于JTAG接口的在系統(tǒng)調(diào)試功能，片內(nèi)的調(diào)試電路通過JTAG接口可提供高速、方便的在系統(tǒng)調(diào)試。

4 軟件編程舉例

鑒于C8051F020在硬件方面與80C51的不同之處，故它們在軟件編程時也會有所區(qū)別，這種區(qū)別主要體現(xiàn)在初始化程序上。該程序是在Cygnal的開發(fā)工具即IDE調(diào)試環(huán)境中予以驗證的。

例：利用定時器T0定時,在P1.2端輸出一方波,方波周期為20 ms,已知晶振頻率為12 MHz，采用中斷的方式實現(xiàn)。

采用C8051F020單片機實現(xiàn)的程序如下：

從上面的程序中可以看出：在C8051F020軟件編程中須首先設(shè)置看門狗定時器的工作狀態(tài)，其次，要由內(nèi)部振蕩器 控制寄存器OSCICN設(shè)置采用內(nèi)部時鐘還是外部時鐘工作，若選擇外部時鐘可通過外部振蕩器控制寄存器OSCXCN來選擇適當?shù)念l率，本題目采用內(nèi)部時鐘，并通過時鐘控制寄存器CKCON選擇使用系統(tǒng)時鐘的12分頻。再次，若選擇的I／O口是低四個端口P0～P3作為工作口，需要設(shè)定寄存器XBR0、XBR1、XBR2(復位值為0)，在本設(shè)計中未用到數(shù)字資源，故XBR0、XBR1的值為復位值，只需設(shè)定XBR2的值為40H允許功能選擇開關(guān)即可，若本設(shè)計中的P1.2換為P4.2，則無需設(shè)定寄存器XBR0、XBR1、XBR2，因為高端口P4～P7與交叉開關(guān)無關(guān)。最后還要選擇所用I／O口的輸出方式，P0、P1、P2、P3口分別由POMDOUT、P1MD-OUT、P2MDOUT、P3MDOUT端口輸出方式寄存器來選擇，寄存器中的某位置0為漏極開路輸出方式，置1則為推拉輸出方式。另外，由于C8051F020的專用寄存器比一般51單片機多，而8051指令不能識別它增加的專用寄存器，公司提供了所有的專用寄存器及相應(yīng)位的地址定義文件，用戶只需加一條＄include(C8051F020.inc)指令即可。

該程序只需將與上面提到的幾點相關(guān)的指令去掉即為80C51的源程序(程序中已標示)。當然這僅僅是一個簡單的例子，并不能完全說明所有不同之處，但可說明它們典型的不同點。

5 結(jié)束語

C8051F020與80C51單片機的指令系統(tǒng)完全兼容，給用戶使用帶來了極大的方便，但它們的硬件結(jié)構(gòu)不同，因此在使用上有所區(qū)別，只有了解了它們之間的異同點，才能更好地對C8051F020進行開發(fā)利用，充分發(fā)揮它的先進功效。