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何立民教授:从Cygnal C8051F看8位单片机发展之路 【转】

作者:何以解忧 栏目:单片机
何立民教授:从Cygnal C8051F.html">C8051F看8位单片机发展之路 【转】

从Cygnal C8051F.html">C8051F看8位单片机发展之路

作 者: 北京航空航天大学  何立民

摘 要: 80C51是一个独特的8位单片机系列。80C51从早期INTEL公司的MCS-51到PHILIPSATMEL等公司发展的80C51系列MCU,再到Cygnal公司最新推出的C8051F.html">C8051F,表明了单片机的典型发展过程。Cygnal的C8051带SoC色彩,集成了嵌入式系统的许多先进技术。这些先进技术对8位MCU的发展会有推进作用。

关键词: C8051F.html">C8051F CIP-51 交叉开关 JTAG接口 SoC

  在嵌入式系统低端的单片机领域,从8位单片机诞生至今,已近30年,在百花齐放的单片机家族中,80C51系列一直扮演着一个独特的角色。Cygnal 推出C8051F.html">C8051F更令业界人士刮目相看。回顾历史,在INTEL公司推出了MCS-51不久便实施了最彻底的技术开放政策;在众多电器商、半导体商的积极参与下,将MCS-51发展成了众多型号系列的80C51 MCU家族。MCS-51经典的体系结构、极好的兼容性和INTEL公司的开放政策不仅使众多厂家参与发展,也诱使半导体厂家对MCS-51实行为所欲为的改造。由于MCS-51提供的最佳兼容性,使MCS-51在被"肢解"式改造后,还能以不变的指令系统、基本单元的兼容性保持着8051内核的生命延续,并在未来SoC发展中,担任8位CPU内核的重任。回顾80C51系列从MCS-51、80C51C8051F.html">C8051F的过程,我们可以深刻领会到单片机发展的一些规律性东西。

1、嵌入式应用中的8位机现象

  与从8位机迅速向16位、32位、64位过渡的通用计算机相比,8位单片机从20世纪70年代初期诞生至今,虽历经从单片微型计算机到微控制器、MCU和SoC的变迁,8位机始终是嵌入式低端应用的主要机型,而且在未来相当长的时间里,仍会保持这个势头。这是因为嵌入式系统和通用计算机系统有完全不同的应用特性,从而走向完全不同的技术发展道路。

  嵌入式系统嵌入到对象体系中,并在对象环境下运行。与对象领域相关的操作主要是对外界物理参数进行采集、处理,对外界对象实现控制,并与操作者进行人机交互等。而对象领域中的物理参数的采集与处理、外部对象的控制以及人机交互所要求的响应速度有限,而且不会随时间变化。在8位单片机能基本满足其响应速度要求后,数据宽度不成为技术发展的主要矛盾。因此8位单片机会稳定下来,其技术发展方向转为最大限度地满足对象的采集、控制、可靠性和低功耗等品质要求。

  随着现代通信技术的发展,智能化系统对DSP需求的增长要求单片机相应提高运算速度。当前8位单片机在不扩展数据总线的情况下,提高运行速度仍有潜力可挖。例如,采用RISC结构实现并行流水线作业,CISC结构的C8051F.html">C8051F采用CIP-8051结构,使单周期指令速度提高到原8051的12倍。

  鉴于嵌入式低端应用对象的有限响应要求、嵌入式系统低端应用的巨大市场以及8位机具有的速度潜力,可以预期在未来相当长的时间内,8位机仍然是嵌入式应用中的主流机型。

  随着半导体技术的发展,8位单片机在CPU结构、CPU外围、功能外围、外围接口和集成开发环境方面都会迅速地发展;因此,可以说8位单片机虽然"古老",但又会是一个十分活跃而新兴的嵌入式领域。80C51系列从INTEL公司的MCS-51发展到Cygnel公司的C8051F.html">C8051F的过程充分地说明了这一点。

2、8位单片机中的80C51现象

  在8位单片机中,80C51系列形成了一道独特的风景线。历史最长,长盛不衰,众星捧月,不断更新,形成了既具有经典性,又不乏生命力的一个单片机系列。当前,Cygnal公司推出的C8051F.html">C8051F又将8051兼容单片机推上了8位机的先进行列。总结80C51系列的发展历史,可以看出单片机的3次技术飞跃。

2.1 从MCS-51到MCU的第1次飞跃

  INTEL公司于1980年推出的MCS-51奠定了嵌入式应用的单片微型计算机的经典体系结构,但不久就放弃了进一步发展计划,并实施了8051的技术开放政策。无论从主观因素还是客观因素,都是明智之举。因为在创建一个完善的嵌入式计算机体系结构后,面临的是不断满足嵌入式对象要求的各种控制功能。在8051实现开放后,PHILIPS公司作为全球著名的电器商以其在电子应用系统的优势,着力发展80C51的控制功能及外围单元。将MCS-51的单片微型计算机迅速地推进到80C51的MCU时代,形成了可满足大量嵌入式应用的单片机系列产品。

2.2 引领FLASH ROM潮流的第2次飞跃

  当前,嵌入式系统普遍采用FLASH ROM技术。FLASH ROM的使用加速了单片机技术的发展。基于FLASH ROM的ISP/IAP技术,极大地改变了单片机应用系统的结构模式以及开发和运行条件;而在单片机中最早实现FLASH ROM技术的是ATMEL公司的AT89Cxx系列。 2.3 内核化SoC的第3次飞跃

  MCS-51典型的体系结构以及极好的兼容性,对于MCU不断扩展的外围来说,形成了一个良好的嵌入式处理器内核的结构模式。当前嵌入式系统应用进入SoC模式,从各个角度,以不同方式向SoC进军,形成了嵌入式系统应用热潮。在这个技术潮流中,8051又扮演了嵌入式系统内核的重要角色。在MCU向SoC过渡的数、模混合集成的过程中,ADI公司推出了ADμC8xx系列,而Cygnal公司则实现了向SoC的C8051F.html">C8051F过渡;在PLD向SoC发展过程中,Triscend公司在可配置系统芯片CSoC的E5系列中便以8052作为处理器内核。

3、Cygnal C8051F.html">C8051F对80C51的技术突破

  我们习惯于将各厂家生产的与51兼容的形形色色的单片机系列称之为80C51系列。它们都采用CMOS工艺,并与MCS-51兼容。

  与MCS-51相比较,80C51已有很大发展。然而,当前Cygnal公司发展的C8051F.html">C8051F系列,在许多方面已超出当前8位单片机水平,有许多新的技术概念需要学习与更新。

3.1 采用CIP-51内核大力提升CISC结构运行速度

  迄今为止,MCS-51已成为8位机中运行最慢的系列。为了提升速度,DALLAS公司和PHILIPS公司采用传统的改变总线速度的办法,将机器周期从12个缩短到4个和6个,速度提升有限。

  Cygnal公司在提升8051速度上采取了新的途径,即设法在保持CISC结构及指令系统不变的情况下,对指令运行实行流水作业,推出了CIP-51的CPU模式。在这种模式中,废除了机器周期的概念,指令以时钟周期为运行单位。平均每个时钟可以执行完1条单周期指令,从而大大提高了指令运行速度。即与8051相比,在相同时钟下单周期指令运行速度为原来的12倍;整个指令集平均运行速度为原来8051的9.5倍,使8051兼容机系列进入了8位高速单片机行列。

3.2 I/O从固定方式到交叉开关配置

  迄今为止,I/O端口大都是固定为某个特殊功能的输入/输出口,可以是单功能或多功能,I/O端口可编程选择为单向/双向以及上拉、开漏等。固定方式的I/O端口,既占用引脚多,配置又不够灵活。为此,Scenix公司在推出的8位SX单片机系列中,采取虚拟外设的方法将I/O的固定方式转变为软件设定方式。而在Cygnal公司的C8051F.html">C8051F中,则采用开关网络以硬件方式实现I/O端口的灵活配置,如图1所示。在这种通过交叉开关配置的I/O端口系统中,单片机外部为通用I/O口,如P0口、P1口和P2口。内有输入/输出的电路单元通过相应的配置寄存器控制的交叉开关配置到所选择的端口上。



图 1

3.3 从系统时钟到时钟系统

  早期单片机都是用1个时钟控制片内所有时序。进入CMOS时代后,由于低功耗设计的要求,出现了在一个主时钟下CPU运行速度可选择在不同的时钟频率下操作;或设置成高、低两个主时钟,按系统操作要求选择合适的时钟速度,或关闭时钟。而Cygnal公司的C8051F.html">C8051F则提供了一个完整而先进的时钟系统,如图2所示。在这个系统中,片内设置有一个可编程的时钟振荡器(无需外部器件),可提供2、4、8和16 MHz时钟的编程设定。外部振荡器可选择4种方式。当程序运行时,可实现内外时钟的动态切换。编程选择的时钟输出CYSCLK除供片内使用外,还可从随意选择的I/O端口输出。


图 2

3.4 从传统的仿真调试到基于JTAG接口的在系统调试

  C8051F.html">C8051F在8位单片机中率先配置了标准的JTAG接口(IEEE1149.1)。引入JTAG接口将使8位单片机传统的仿真调试产生彻底的变革。在上位机软件支持下,通过串行的JTAG接口直接对产品系统进行仿真调试。C8051F.html">C8051F的JTAG接口不仅支持FLASH ROM的读/写操作及非侵入式在系统调试,它的JTAG逻辑还为在系统测试提供边界扫描功能。通过边界寄存器的编程控制,可对所有器件引脚、SFR总线和I/O口弱上拉功能实现观察和控制。

3.5 从引脚复位到多源复位

  在非CMOS单片机中,通常只提供引脚复位的1种方法。迄今为止的80C51系列单片机仍然停留在这一水平上。为了系统的安全和CMOS单片机的功耗管理,对系统的复位功能提出了越来越高的要求。Cygnal 公司的C8051F.html">C8051F把80C51单一的外部复位发展成多源复位,如图3所示。C8051的多复位源提供了上电复位、掉电复位、外部引脚复位、软件复位、时钟检测复位、比较器0复位、WDT复位和引脚配置复位。众多的复位源为保障系统的安全、操作的灵活性以及零功耗系统设计带来极大的好处。



图 3

3.6 最小功耗系统的最佳支持

  在CMOS系统中,按照CMOS电路的特点,其系统功耗WS为
WS = CV2f
式中:C为负载电容,V为电源电压,f为时钟频率。
C8051F.html">C8051F是8位机中首先摆脱5 V供电的单片机,实现了片内模拟与数字电路的3 V供电(电压范围2.7~3.6 V),大大降低了系统功耗;完善的时钟系统可以保证系统在满足响应速度要求下,使系统的平均时钟频率最低;众多的复位源使系统在掉电方式下,可随意唤醒,从而可灵活地实现零功耗系统设计。因此,C8051F.html">C8051F具有极佳的最小功耗系统设计环境。

  C8051F.html">C8051F虽然摆脱了5 V供电,但仍可与5 V电路方便地连接。所有I/O端口可以接收5 V逻
2楼: >>参与讨论
awen2000
Cygnal C8051F根本不能代表
Cygnal C8051F好是好,可惜是个天价。。。。

Cygnal C8051F的价钱可以买2-3块arm了,而一块arm的性能是Cygnal C8051F 2倍以上。

Cygnal C8051F适合用惯51系列、不在乎成本的老年工程师

3楼: >>参与讨论
laden

 

* - 本贴最后修改时间:2006-5-16 9:38:24 修改者:laden

4楼: >>参与讨论
云中月8888
C8051肯定要被淘汰
51系列不会淘汰,但C8051肯定要被淘汰

5楼: >>参与讨论
何以解忧
C8051F是太贵了
 
6楼: >>参与讨论
陈双君
我不清楚何立民教授会不会写单片机代码.
我不清楚何立民教授会不会写单片机代码.
反正我学校的老师会写代码的不多,能写好代码的就真的是少之又少了.

7楼: >>参与讨论
pheavecn
AVR还差不多.
 
8楼: >>参与讨论
1dqmoon
个人经验
C8051绝对的超级难用

速度快,快不过avr
代码密度高,高不pic
性能强,强不arm

无论avr,pic,arm都不C8051强,价格也便宜

最让我讨厌的就是,C8051的引脚,布线很烦人,而且,一但交叉开关配置错了,板就能于白步了,改都不好改

C8051是那些大学教授玩的

以上,个人观点

9楼: >>参与讨论
musich
awen2000 说得好. C8051是老年工程师用的.嘿嘿.
 
10楼: >>参与讨论
汽车电子
何先生这篇文章是很早之前发表的
  那时ARM还没流行起来,也没有PHILIPSATMEL、ST的ARM7

11楼: >>参与讨论
lele乐乐
前些天去听了C8051的一个研讨会,听说现在有些型号也很便宜了
 
12楼: >>参与讨论
awen2000
那时候有MSP430

新华龙推C8051F同时,利尔达在推MSP430

功能几乎一样的8051f/MSP430f149分别卖200和60

新华龙简直抢钱。
呵呵
2年以后 C8051F的生产商倒闭了(惨招收购)


总之C8051是逆潮流的
打个比方
吉利、夏利等汽车虽然性能不眨地,但是价格便宜,还是有很市场的。
但是要是一辆桑塔纳,在底盘、发动机(相当于cpu构架)不更换,加上宝马、奔驰的控制系统、豪华装置,然后价格卖的比宝马还贵
不知道谁疯了????????

何教授写这篇文章时,arm开始发力了,最便宜的arm好像也就90块钱


* - 本贴最后修改时间:2006-5-18 8:09:04 修改者:awen2000

13楼: >>参与讨论
coke
re
不过也有特殊情况下用的.
比如. 客户需要一个产品要求速度非常快. 可以用ARM LPC2101.也可以用C8051F31XX.两者的价格一样. 由于电压低.AVR在低电压下速度不快.排除AVR.开发周期只有一周.对于还不熟悉430系列和LPC系列来说. C8051是最好的选择.
并且C8051的某些MCU还是不太贵的.

14楼: >>参与讨论
squarelook
C8051F没任何兴趣
 
15楼: >>参与讨论
bao11975
哦,看来麻烦了,我都是老年工程师行列中的一员了
没想到啊,郁闷中。
当初选这个东西的,是考虑到这个东西有硬件的SPI、IIC以及内部CAN。不过说实在话,这个东西的内部CAN的确用起来很顺手,感觉很爽。
不过,现在我开始学习ARM了,但愿学了ARM后我能够年轻点。

16楼: >>参与讨论
xabai
的确,8051F.html">C8051F价格有点过高
我用过8051F.html">C8051F020,毕竟是一款8位单片机,价格竟是相对高了很多,不知何故?个人认为最主要的是它有一个8051核,方便技术人员跟进。

17楼: >>参与讨论
hartcomm
关键是混合系统 低功耗
51肯定有前途
在工业仪器仪表中51有前途 象ti的msc12xx系列等不错
在消费电子中可能没什么前途了

18楼: >>参与讨论
好快的刀
C8051F系列和avr系列相比呢?
 
19楼: >>参与讨论
tqdyx
AVR用于通用系列
C8051其中有些片子不错的,与msc12xx相似,带高BIT的A/D转化,价格更便宜

20楼: >>参与讨论
mic1984

你要是单片机加一个外部的高精度的AD芯片估计也要n多money吧,但C8051自带12位和8位AD,12位和8位DA,若干PWM,CAN,两串口,若干比较器,基准源,N多复位,可调时钟,看门狗,超大闪存,8个I/O口,SMBUS,AVR要是配完东西估计也不会很少钱吧,现在都朝soc发展拉,C8051就是为这个而生,各有各的特点,不可一言毙之.

21楼: >>参与讨论
conwh
片子不在于是什么型号,而在于价格\开发周期\采购方便等问题
对于强调使用什么类型的单片机和使用什么语言的朋友,在产品开发过程中你们还这么看中这些吗?在很多的实践应用中你们也是强调使用什么"高级"的东西吗?这样就能够说明你的技术高明吗?如果出一个控制电灯的题目,难道你也使用什么"新"技术吗?开关已经使用了上百年,可现在还在使用,难道这也得淘汰而改用ARM等吗?"存在就是道理"这就是真理.

22楼: >>参与讨论
hawkdtw
文章有点老
不知道在工业上用,C8051F能不能挺住。

23楼: >>参与讨论
foragain
TI的msc12xx系列价格也奇贵
TI的msc12xx系列价格也奇贵,1210-Y5上次买150元/片,主要是其内部有>20位的AD,不知是不是也应降价或被淘汰

24楼: >>参与讨论
awen2000
to mic1984
你要是单片机加一个外部的高精度的AD芯片估计也要n多money吧,但C8051自带12位和8位AD,12位和8位DA,若干PWM,CAN,两串口,若干比较器,基准源,N多复位,可调时钟,看门狗,超大闪存,8个I/O口,SMBUS,AVR要是配完东西估计也不会很少钱吧,现在都朝soc发展拉,C8051就是为这个而生,各有各的特点,不可一言毙之.
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不敢苟同。

C8051高端产品基本都是集成ad和da,当然这样的价格和mcu+ad+da组合差不多。
但是有没有想过有多少应用要同时用到12bitad和da?
大部分应用往往仅用到ad或da或都没用到,C8051是不是很浪费啊?有强行搭售嫌疑!


25楼: >>参与讨论
rechie_zy
我在用F330 4mm*4mm
功耗低,面积小

26楼: >>参与讨论
awen2000
当然 他也有自己的客户定位的
我想主要是仪器仪表设备行业。
这些用户对成本不敏感,要求体积小、高集成度,应该是个好的选择

27楼: >>参与讨论
dellric
AVR也有ADC,SPI,WDOG,IO……而且便宜啊!开发工具免费啊!
 
28楼: >>参与讨论
lws
我用C8051F124.html">C8051F124
系统中要用I2C,SPI,12BITAD,DA,需要外扩大点RAM,需要多点IO,还要求低功耗,虽然芯片本身贵点,但要是用其他单片机或ARM+12并行AD+DA,恐怕成本要比单片大很多,电路板的面积也要大不少,所以我用C8051.合适就行,没必要强调哪个芯片好与不好.

29楼: >>参与讨论
wez9
C8051可以在夹缝中生存,但没有前途!
 
30楼: >>参与讨论
hotpower
C8051的模块还是不错的,不过本人只是听听课而已
51的核再想搞大...巨难~~~

在同等$下,肯定优先选择ARM/DSP/AVR等了~~~

31楼: >>参与讨论
wez9
STC8051就可以把C8051逼死!
更何况其他单片机!老何纯粹的商业目的!

32楼: >>参与讨论
squarelook
何教授
你还能写几行代码?

33楼: >>参与讨论
tzgok
,
那些嘲笑何立民先生的人,显得太自以为是了.
会写几行单片机代码,或者会折腾几下ARM,你就以为你有足够的能力看不起人吗?



34楼: >>参与讨论
kingsr
呵呵
何以解忧=stcmcu

35楼: >>参与讨论
greatbin
C8051有一些特点,有些场合是有优势的
合适的地方会用到C8051

36楼: >>参与讨论
liulinfeng

我昨天去川大听了新华龙一讲,我觉得他的功能确实还是挺强的,只是太贵了,
不过他是工业级的,arm不是吧,c8051f也有便宜的,好像有20元左右的,只是没AD,DA了,


37楼: >>参与讨论
何以解忧
俺对何立民教授深怀敬意,盛名之下决非幸致
俺手头上有一本何立民教授的《mcs-51系列单片机应用系统设计-系统配置和接口技术》,2004年年6月16次印刷,印数达166700;何老师是桃李满天下。
何老师在电子发展的大方面上的把握显然是一般人难以达到的;在1993年的再版前言上就写到了进入新一代单片机应用阶段的几个注意点,都已经被单片机的发展所印证;即使现在看来还有参考的价值;

大家都知道周立功先生是何立民先生的入室弟子;周立功先生曾经说过何老师对他倾注了所有的心血,相信这是周立功先生的肺腑之言,zlg的成就离开了何老师的指导要逊色很多。

俺就希望能有这样的一个老师能对俺的发展进行指点;代码编写只要花时间就能学会;而人生的大方向没有明师指点的确容易蹉跎;

何立民教授就算是一句代码也不会写,也一样能指导学生;毕竟,在电子技术中,代码只是占了1/n;

6月1日上午听了周立功先生的演讲,俺的感想是,周立功先生在21ic上表现出来的只是冰山一角;周立功先生的企业发展理念、对技术和市场的结合、对技术本身的认识、对企业如何用人,......,都有自己的深刻的认识;干吗要在21ic上去讲呢?有些观点一般人不能理解也不好接受,也许要遭到bs的,呵呵。

那么作为周立功先生的老师何立民教授,他没有表现出来的,都有什么呢?





38楼: >>参与讨论
何以解忧
呵呵何以解忧不等于stcmcu
俺就是看上了stc单片机的串口ISP使用特别方便,俺的行业每个设备都有外接的串口,经常需要根据客户需要修改软件;发个邮件让客户下载,的确很方便,节省了很多时间;也不需要打开机壳了;可以放心的使用PQFP封装了,也减少了PCB的面积...
大容量的STC单片机价格应该是比其它的单片机要便宜一点,去stc的北京办事处买芯片还是很方便的...

39楼: >>参与讨论
hotpower
哈哈~~~敬意~~~
 
40楼: >>参与讨论
老狼
我用过
我用过,但是从用了arm后,对C8051F没任何兴趣了,

41楼: >>参与讨论
awen2000
呵呵,有名不一定很有水平
我想何教授出名在致力于单片机的推广教育,写了不少书。

不过这些书到底有多少是原创的,就不好说了。

何教授这几年,到处署名。别人写的书,为了好买,很多都让他署名。。。。。

但是说到何教授科研能力就不好说了。

从出版物发行量多少不能说明问题。
清华的谭浩强计算机出版物发行量世界第一,人们都称他为著名计算机教育家。





42楼: >>参与讨论
毛毛猫
C8051也有一些底价的,性能不错,性价比不输于AVR/STC/LPC900
f310  21元
F330  13元

我们正在用310,16KFLASH/10位ADC,感觉不错。

43楼: >>参与讨论
panqiyong
upsd3200-3400  优于C8051
ST的upsd3200-3400 类似于且优于C8051F

44楼: >>参与讨论
我是菜鸟我怕谁
怀疑何立民老师能力的人,请你去问问周立功,何也是他的老师,到底水平如何?别告诉我你不知道谁是周立功,那你在这个行业算是白混了!!!还有C8051F的价格现在有便宜的啊,低于10元的都有,喜欢用AVR的,不能说AVR不好,但是AVR解密起来,1000元以下就搞定,立等可取,你还敢用吗?没听说C8051F被解密过。首先声明,我还是菜鸟,更不是siliconlab的人。
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