第十章 第十章 C8051FC8051F 系列系列 SOCSOC 单片单片机机10.1 C8051F10.1 C8051F 系列单片机简介系列单片机简介10.210.2 C8051F C8051F 单片机结构及原理单片机结构及原理

10.1 C8051F10.1 C8051F 系列单片机简介系列单片机简介 10.1.1 C8051F10.1.1 C8051F 系列单片机的诞生系列单片机的诞生

美国 Silabs 公司推出的 C8051F 系列单片机，把 C8051F 系列单片机从微控制器（ MCU ）时代推向片上系统（ SOC ）时代，使其以 8051 为内核的单片机上了一个新的台阶。

SOC 即 System On Chip 的缩写，即把计算机常用的一些数字模拟设备全部都做在一块芯片上，使之成为一个完整的模拟数据采集与控制系统。

C8051F 系列单片机是一种高集成度的 SOC 型芯片，具有与 8051 兼容的微控制器内核，与 MCS-51 指令系统完全兼容。除具有标准 8051 部件外，片内还具有数据采集和控制系统中常用的模拟部件及其他数字外设部件。

C8051F 系列单片机既能处理数字信号也能处理模拟信号，所以称为混合信号系统级芯片或片上单片机系统，简称单片机。

10.1.2 C8051F10.1.2 C8051F 系统单片机的组成系统单片机的组成1 、 CIP-51 微控制器内核 C8051F 系统单片机采用 Silabs 公司的专利CIP-51 微控制器内核。 CIP-51 内核具有标准8052 的所有部件，并在此基础上进行了几项关键性的改进，提高了整体的性能，更易于应用。

2 、中断系统 扩展的中断系统可响应 22 个中断源的中断请求，

在设计多任务实时系统时，大大增加了单片机对外界复杂多变情况的反应能力。

3 、存储器 C8051F 系统单片机具有标准的 8052 的程序和数据存储器的地址配置。存储器包括 256B 的核内 RAM ，还具有核外 1KB ～ 4KB 的 RAM 。程序存储器包括 8KB ～ 128KB 的 FLASH 存储器。 C8051F02X 等单片机中有可用于访问外部数据存储器的外部存储器接口（ EMIF ）。 EMIF 可以被配置为地址 / 数据复用方式或非复用方式。

4 、模数和数模转换 大部分的 C8051Fxxx 单片机内部都有 A/D 转换模块，不同型号中的 A/D 转换位数、转换速度和输入通道数不完全相同。 部分的 C8051Fxxx 单片机内部有两个 12 位数模转换器， MCA 可将任何一个 DAC 置于低功耗关断方式。

5 、并行接口 C8051Fxxx 单片机具有一般单片机的通用 I/O 端

口，不同型号的引脚数量不同， I/O 端口的部分引脚可通过软件配置成不同的特殊功能。

6 、串行接口 C8051F 系列 MCU 除了具有全双工 UART 串行

口之外，还增加了 SPI 总线和 SMBus/I2 总线。

7 、定时器和可编程计数器阵列 在 C8051F 系列单片机中都具有 2 ～ 4 个通用

定时 / 计数器。在一些型号中还具有一个片内可编程定时器 / 计数器阵列（ PCA ）。

10.1.3 C8051F10.1.3 C8051F 系列单片机的特点系列单片机的特点1 、指令运行速度高 由于 C8051Fxxx 单片机采用流水线结构，废除了机器周期的概念，指令以时钟周期为运行单位，由标准的 12 个系统时钟周期降为 1 个系统时钟周期，处理能力大大提高。在相同时钟下，指令运行速度比一般的 80C51 系列单片机提高大约 10倍。 70％指令的执行时间为 1 个或 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。

2 、 I/O 端口功能采用软件配置实现 在 C8051Fxxx 单片机中， I/O 端口的通用基本

输入输出特性与标准 8051 兼容，但 I/O 端口的其他功能则是由配置实现，这样极大提高了端口配置的灵活性。

3 、时钟系统更加完善 C8051F 系列单片机具有一个更加完美和先进的时钟系统，可采用多种时钟源（ 2MHz、 4MHz、 8MHz或 16MHz） MCU 内部有一个能独立工作的时钟发生器，在复位后被默认为系统时钟，其时钟振荡频率是可编程的；可选择外部时钟振荡器或外部时钟源产生系统时钟。 在程序运行时，可通过软件方便地实现时钟内外切换。

4 、可实现通过 JTAG 口的在线系统调试 在 C8051FXXX 单片机（ 8 位）中首先配置了

片内 JTAG接口和调试电路，可为生产和测试提供完全的边界扫描功能。

5 、有多种复位方式 C8051F 提供了 7个复位源：片内 VDD监视器、看门狗定时器、时钟失效检测器、由比较器 0 提供的电压检测器、软件强制复位、 CNVSTR 引脚及 RST 引脚。

多复位源提高了系统的安全性、灵活性，并有利于零功耗设计。

6 、进一步降低了系统功耗 C8051F 系列单片机采用了可降低系统功耗的多种方法： 1 ）采用 3V（电压范围 2.7V 至 3.6V）供电； 2 ）完善时钟系统，在满足响应速度的要求下，使

系统的平均时钟频率最低，降低了功耗； 3 ）多种复位源，可使系统在掉电情况下，方便 活地重新复位； 4 ）片上外设都能单个关闭或全部关闭以节省功 耗。

10.1.4 C8051F10.1.4 C8051F 系列单片机分类系列单片机分类 C8051F 系列单片机型号很多，按照它们的主要共性大约可以分为 10 个子系列；按照它们的主要区别分为 6 类。

1 、通用型 通用型 C8051Fxxx 单片机功能比较全面，通用

性较好，应用较为广泛。 典型型号： C8051F310 / 020 / 022 / 005 / 330 等

图 10－ 1 C8051F310 的结构框图

2 、超微型 超微型 C8051Fxxx 单片机主要特点是结构简单，

功能减少，体积大大缩小，仅有 3mm×3mm ，外部引脚为 11 个。

典型型号： C8051F30x子系列

图 10－ 2 C8051F30x 的结构框图

3 、 CAN 型 主要特点是增加了 CAN总线； 典型型号： C8051F04X

图 10－ 3 C8051F04x 的结构框图

4 、精确 A/D 型 精确 A/D 型主要特点是具有转换精度较高的 A/

D 模块。 典型型号： C8051F35x ， C8051F06x

图 10－ 4 C8051F35x 的结构框图

5 、 USB 型 USB 型的主要特点是具有 USB 功能控制器； 典型型号： C8051F32x

图 10－ 5 C8051F32x 的结构框图

6 、高速型 高速型的主要特点是单片机的工作速度高于其他型

号； 典型型号： C8051F12x/13x

图 10-6 C8051F12x/13x 的结构框图

10.210.2 C8051FC8051F 单片机结构及原理单片机结构及原理

以功能较全面，应用较广泛的 C8051F02x子系列为例，介绍以 CIP-51 为内核 C8051F 系列单片机的结构及工作原理。

10.2.1 C8051F10.2.1 C8051F 的的 CIP-51CIP-51 内核内核 CIP-51 内核 , 它是在 Intel 公司标准 8 位 8051单片机的组织结构和功能的基础上加以改进和提高形成的。

1 、 CIP-51 内核的组成及结构 CIP- 51 内核也称为微控制器（ Micro Controller Unit ， MCU ），实际上就是 C8051F 单片机的中央处理器（ CPU ）部分，主要完成运算和控制功能，管理整个单片机系统的各个外设的工作。

图 10-7 CIP-51 原理框图

2 、 CIP-51 内核的特点1) 主要功能部件及组成与 8051 相同；2) 与 MCS-51 指令系统完全兼容；3) 时钟频率为 0 ～ 25MHz，执行速度一般可达

25兆指令 /秒，有的型号最高执行速度可达100兆指令 /秒；

4) 增加了流水线结构， 70%指令的执行时间为1 ～ 2 个系统时钟周期；

5) 与模 / 数、数字外设有关的 SFR移到核外，通过 SFR 接口与 CPU交换信息；

6) 中断系统扩展为可处理 22 个中断源；7) 复位和时钟电路不包括在核内；8) 具有程序和数据存储器安全管理功能

3 、 CIP-51 内核的基本部件 1 ）中央处理器（ CPU ）

C8051F 系列的 CPU 是单片机最核心的部分，主要完成运算和控制功能，只是它的控制功能比通用处理器更强。 CPU 是 8 位中央处理单元。

2 ）数据存储器（片内 RAM ） C8051F 内核中有 256B 的 RAM,地址空间为00H ～ FFH 。特殊功能寄存器（ SFR ）其地址为 80H ～ FFH ，与部分 RAM 地址重叠，用不同的寻址方式区分它们。

3 ） SFR 总线接口 SFR 总线接口用于控制与管理核外的数字与模拟功能模块，以及所有的 I/O 端口等。

4 ）存储器结构 C8051F 单片机大部分系列都有位于片上的核外

数据存储器空间 RAM （ XRAM ），除此还可向外扩展 64KB RAM 。存储器接口就是用于控制和管理片上和片外的数据存储器，需要用 MOVX 访问。

5 ）流水线结构 在 CIP-51 中采用流水线结构，使多条指令并行执行，大大提高了单片机的执行速度。

6 ）中断系统 C8051F 系列单片机的中断系统可以满足一般控

制应用需要，中断源最多可达 22 个。

10.2.2 C8051F10.2.2 C8051F 单片机的结构与原理单片机的结构与原理 1 、 C8051F02x 单片机的组成与结构

C8051F020 单片机是以 8051 内核为中心，通过 SFR 总线、外部数据存储总线、系统时钟线、复位线等与 64KB FLASH 、 4KB XRAM 、数字功能模块、模拟功能模块、片上时钟系统和 JTAG逻辑电路相连，构成一个完整的单片机片上系统。

图 10-8 C8051F020 内部结构图

2 、引脚定义及功能 C8051F02x 系列单片机实际有效引脚有 2 种，即 64 个和 100 个，封装形式 TQFP （ Thin Quad Flat Package ），它的体积很小、很薄，是一种表面贴焊的封装形式，芯片尺寸为 17mm x 17mm 。

图 10-9 TQFP-100 引脚图

图 2-4 TQFP-64 引脚图

引脚名称

不同芯片引脚号引脚类型 功能说明F020 F021

F022 F023

VDD 37,64,90 24,41,57 数字电源DGND 38,63,89 25,40,56 数字地AV+ 11,14 6 模拟电源AGND 10,13 5 模拟地TMS 1 58 数字输入 带内部上拉的 JTAG测试模式选择TCK 2 59 数字输入 带内部上拉的 JTAG测试时钟TDI 3 60 数字输入 带内部上拉的 JTAG测试数据输入。在 TCK 上升沿锁存 TDITDO 4 61 数字输出 带内部上拉的 JTAG测试数据输出 ,数据在 TCK 的下降沿从 TDO 引脚输出 ,TDO 输出是一个三态驱动器

表 1 C8051F02x 型号的引脚定义及功能

引脚名称不同芯片引脚号

引脚类型 功能说明F020 F021F022 F023

/RST 5 62 数字 I/O单片机复位。内部 VDD监视器的漏极开路输出，当 VDD<2.7V，并且MONEN为高时被驱动为低电平。外部信号源可以通过将该引脚置为低电平启动一次系统复位。

XTAL1 26 17 模拟输入晶振输入。该引脚为晶振或陶瓷谐振器的内部振荡器电路的反馈输入。为了得到精确的内部时钟，可以在 XTAL1 和 XTAL2之间接上一个晶振或陶瓷谐振器。还可以由该引脚输入一个外部 CMOS 时钟源，提供系统时钟。

XTAL2 27 18 模拟输出 晶振输出。该引脚为晶振或陶瓷谐振器的激励驱动器输出端。

引脚名称不同芯片引脚号

引脚类型 功能说明F020 F021F022 F023

MONEN 28 19 数字输入VDD监视器控制。该引脚接高电平时，允许内部 VDD监视器工作，当 VDD<2.7V时，强制系统复位。该引脚接低电平时，内部 VDD监视器被禁止。

VREF 12 7 模拟 I/O 带隙电压基准输出（对所有单片机）； DAC电压基准输入（仅限于 C8051F021/3型号）VREFA 8 模拟输入 ADC0 和 ADC1 的电压基准输入VREF0 16 模拟输入 ADC0 的电压基准输入VREF1 17 模拟输入 ADC1 的电压基准输入VREFD 15 模拟输入 DAC 的电压基准输入AIN0.0 18 9 模拟输入 ADC0 输入通道 0

引脚名称不同芯片引脚号

引脚类型 功能说明F020 F021F022 F023

AIN0.1 19 10 模拟输入 ADC0 输入通道 1AIN0.2 20 11 模拟输入 ADC0 输入通道 2AIN0.3 21 12 模拟输入 ADC0 输入通道 3AIN0.4 22 13 模拟输入 ADC0 输入通道 4AIN0.5 23 14 模拟输入 ADC0 输入通道 5AIN0.6 24 15 模拟输入 ADC0 输入通道 6AIN0.7 25 16 模拟输入 ADC0 输入通道 7CP0+ 9 4 模拟输入 比较器 0 的同相输入端CP0- 8 3 模拟输入 比较器 0 的反相输入端CP1+ 7 2 模拟输入 比较器 1 的同相输入端CP1- 6 1 模拟输入 比较器 1 的反相输入端

引脚名称不同芯片引脚号

引脚类型 功能说明F020 F021F022 F023

DAC0 100 64 模拟输出 D/A 转换器 0 的电压输出DAC1 99 63 模拟输出 D/A 转换器 1 的电压输出P0.0 62 55 数字 I/O P0.0；详见端口输入输出部分P0.1 61 54 数字 I/O P0.1；详见端口输入输出部分P0.2 60 53 数字 I/O P0.2；详见端口输入输出部分P0.3 59 52 数字 I/O P0.3；详见端口输入输出部分P0.4 58 51 数字 I/O P0.4；详见端口输入输出部分ALE/P0.5 57 50 数字 I/O 外部存储器地址总线 ALE选通（复用方式） P0.5；详见端口输入输出部分/RD/P0.6 56 49 数字 I/O 外部存储器接口的 /RD选通

P0.6；详见端口输入输出部分

引脚名称不同芯片

引脚号 引脚类型 功能说明F020 F021F022 F023

/WR/P0.7 55 48 数字 I/O 外部存储器接口的 /WR选通P0.7; 详见端口输入输出部分

AIN1.0/A8/P1.0 36 29 模拟输入ADC1 输入通道 0 （详见 ADC1说明）外部存储器地址总线位 8 （非复用方式） P1.0; 详见端口输入输出部分

AIN1.1/A9/P1.1 35 28 模拟输入 P1.1; 详见端口输入输出部分AIN1.2/A10/P1.2 34 27 模拟输入 P1.2; 详见端口输入输出部分AIN1.3/A11/P1.3 33 26 模拟输入 P1.3; 详见端口输入输出部分AIN1.4/A12/P1.4 32 25 模拟输入 P1.4; 详见端口输入输出部分AIN1.5/A13/P1.5 31 24 模拟输入 P1.5; 详见端口输入输出部分AIN1.6/A14/P1.6 30 23 模拟输入 P1.6; 详见端口输入输出部分AIN1.7/A15/P1.7 29 22 模拟输入 P1.7; 详见端口输入输出部分

引脚名称不同芯片

引脚号 引脚类型 功能说明F020 F021

F022 F023

A8m/A0/P2.0 46 37 数字 I/O外部存储器地址总线位 8(复用方式 )外部存储器地址总线位 0(非复用 )P2.0；详见端口输入输出部分

A9m/A1/P2.1 45 36 数字 I/O P2.1；详见端口输入输出部分A10m/A2/P2.2 44 35 数字 I/O P2.2；详见端口输入输出部分A11m/A3/P2.3 43 34 数字 I/O P2.3；详见端口输入输出部分A12m/A4/P2.4 42 33 数字 I/O P2.4；详见端口输入输出部分A13m/A5/P2.5 41 32 数字 I/O P2.5；详见端口输入输出部分A14m/A6/P2.6 40 31 数字 I/O P2.6；详见端口输入输出部分A15m/A7/P2.7 39 30 数字 I/O P2.7 ；详见端口输入输出部分AD0/D0/P3.0 54 47 数字 I/O

外部存储器地址 / 数据总线位 0(复用 )外部存储器数据总线位 0(非复用 )P3.0；详见端口输入输出部分

引脚名称不同芯片引脚号

引脚类型 功能说明F020 F021

F022 F023

AD1/D1/P3.1 53 46 数字 I/O P3.1；详见端口输入输出部分AD2/D2/P3.2 52 45 数字 I/O P3.2；详见端口输入输出部分AD3/D3/P3.3 51 44 数字 I/O P3.3；详见端口输入输出部分AD4/D4/P3.4 50 43 数字 I/O P3.4；详见端口输入输出部分AD5/D5/P3.5 49 42 数字 I/O P3.5；详见端口输入输出部分AD6/D6/P3.6 48 39 数字 I/O P3.6；详见端口输入输出部分AD7/D7/P3.7 47 38 数字 I/O P3.7 ；详见端口输入输出部分P4.0 98 数字 I/O P4.0；详见端口输入输出部分P4.1 97 数字 I/O P4.1；详见端口输入输出部分P4.2 96 数字 I/O P4.2；详见端口输入输出部分P4.3 95 数字 I/O P4.3；详见端口输入输出部分P4.4 94 数字 I/O P4.4；详见端口输入输出部分

引脚名称不同芯片引脚号

引脚类型 功能说明F020 F021

F022 F023

ALE/PP4.5 93 数字 I/O 外部存储器地址总线 ALE选通 (复用 )P4.5详见端口输入输出部分

/RD/P4.6 92 数字 I/O 外部存储器接口的 /RD选通P4.6详见端口输入输出部分

/WR/P4.7 91 数字 I/O 外部存储器接口的 /WR选通P4.7 详见端口输入输出部分

A8/P5.0 88 数字 I/O 外部存储器地址总线位 8(复用方式 )P5.0详见端口输入输出部分

A9/P5.1 87 数字 I/O P5.1；详见端口输入输出部分A10/P5.2 86 数字 I/O P5.2；详见端口输入输出部分A11/P5.3 85 数字 I/O P5.3；详见端口输入输出部分A12/P5.4 84 数字 I/O P5.4；详见端口输入输出部分A13/P5.5 83 数字 I/O P5.5；详见端口输入输出部分

引脚名称不同芯片引脚号

引脚类型 功能说明F020 F021

F022 F023

A14/P5.6 82 数字 I/O P5.6；详见端口输入输出部分A15/P5.7 81 数字 I/O P5.7 ；详见端口输入输出部分A8m/A0/P6.0 80 数字 I/O

外部存储器地址总线位 8(复用 )外部存储器地址总线位 0(非复用 )P6.0；详见端口输入输出部分

A9m/A1/P6.1 79 数字 I/O P6.1；详见端口输入输出部分A10m/A2/P6.2 78 数字 I/O P6.2；详见端口输入输出部分A11m/A3/P6.3 77 数字 I/O P6.3；详见端口输入输出部分A12m/A4/P6.4 76 数字 I/O P6.4；详见端口输入输出部分A13m/A5/P6.5 75 数字 I/O P6.5；详见端口输入输出部分A14m/A6/P6.6 74 数字 I/O P6.6；详见端口输入输出部分A15m/A7/P6.7 73 数字 I/O P6.7 ；详见端口输入输出部分

引脚名称不同芯片引脚号

引脚类型 功能说明F020 F021

F022 F023

AD0/D0/P7.0 72 47 数字 I/O外部存储器地址 / 数据总线位 0(复用 )外部存储器数据总线位 0(非复用 )P7.0；详见端口输入输出部分

AD1/D1/P7.1 71 数字 I/O P7.1；详见端口输入输出部分AD2/D2/P7.2 70 数字 I/O P7.2；详见端口输入输出部分AD3/D3/P7.3 69 数字 I/O P7.3；详见端口输入输出部分AD4/D4/P7.4 68 数字 I/O P7.4；详见端口输入输出部分AD5/D5/P7.5 67 数字 I/O P7.5；详见端口输入输出部分AD6/D6/P7.6 66 数字 I/O P7.6；详见端口输入输出部分AD7/D7/P7.7 65 数字 I/O P7.7 ；详见端口输入输出部分

说明1 ） C8051F02x 单片机的大部分 I/O 引脚都有

2 ～ 3 种功能，在复位时，一部分专用引脚功能不变，其他大部分引脚均为通用 I/O 端口的转入状态，当要把它们作为其他功能模块的转入或转出引脚时，需对它们进行配置。

2 ） VDD 和 GND各为 3 个引脚，使用时建议全部接上，可提高抗干扰能力。

3 ） 如果在系统中没有使用模拟部分，芯片的模拟电源 V+和模拟地 AGND 也要连接。4 ） VDEF 端也可以作为带隙电压基准输出驱动其他电路，但需加一个 24kΩ的电阻把电流限制在 100µA 。5 ） 模拟功能模块的引脚大部分为固定引脚，但 C8051F02x 的 8路模拟输入采用复用方式（ AIN1.0 ～ AIN1.7），此时对输入端最好采用加限压或限流保护。

6 ） TMS 、 TCK 、 TDI 和 TDO 引脚是专门用于JTAG接口的，在不使用 JTAG接口时， TMS 、TCK 和 TDI要直接接地或通过下拉电阻接地。7） MONEN（ VDD监视器输入）引脚不能悬空，要接 VDD 或接地。8 ） 表中 P0 ～ P7口每端功能，可查阅相关书籍（ C8051 系列 SOC 单片机原理及应用）。

3 、 C8051F 单片机的工作原理C8051F 单片机是高集成度的 SOC 芯片，

也是一个完整的数据采集与控制系统。它是以 CIP-51F 内核（ 8051 核）为核心的单片机系统。在 C8051F 单片机中采用流水线结构，使得指令能够并行执行，从而大大提高了指令的运行速度。

工作过程：1 ） 单片机刚加电时，外部或内部复位信号使单片机复位，各功能模块均为停机等待，系统处于最小功耗状态。2 ） 单片机复位后默认采用内部振荡器工作方式，工作频率为 2MHz，内部振荡器立即开始工作。如果需要采用外部振荡器，启用后，单片机可通过软件切换到外部振荡器工作。3 ） 在 CPU启动后，从程序存储器 0000H 单元取出指令，执行程序。