C8051F340:C8051F340器件是完全集成的混合信號片上系統型 -百科知識中文網

概述

C8051F340器件是完全集成的混合信號片上系統型MCU。

高速、流水線結構的8051兼容的微控制器核心（可達48MIPS）

全速、非侵入式的在系統調試接口（片內）

通用串列匯流排（USB）功能控制器，有8個靈活的端點管道，集成收發器和1K FIFO RAM

電源穩壓器

真正10位200 ksps的單端/差分ADC，帶模擬多路器

片內電壓基準和和溫度感測器

片內電壓比較器（兩個）

精確校準的12MHz內部振盪器和4倍時鐘乘法器

多達64KB的片內FLASH存儲器

多達4352位元組片內RAM（256+4KB）

硬體實現的SMBus/ I2C、增強型UART（最多兩個）和增強型SPI串列接口

4個通用的16位定時器

具有5個捕捉/比較模組和看門狗定時器功能的可程式計數器/定時器陣列（PCA）

片內上電復位、VDD監視器和時鐘丟失檢測器

多達40個連線埠I/O（容許5V輸入）

具有片內上電復位、VDD監視器、電壓調整器、看門狗定時器和時鐘振盪器的C8051F340/1/2/3/4/5/6/7器件是真正能獨立工作的片上系統。FLASH存儲器還具有在系統重新編程能力，可用於非易失性數據存儲，並允許現場更新8051固件。用戶軟體對所有外設具有完全的控制，可以關斷任何一個或所有外設以節省功耗。

片內Silicon Labs二線（C2）開發接口允許使用安裝在最終套用系統上的產品MCU進行非侵入式（不占用片內資源）、全速、在系統調試。調試邏輯支持觀察和修改存儲器和暫存器，支持斷點、單步、運行和停機命令。在使用C2進行調試時，所有的模擬和數字外設都可全功能運行。兩個C2接口引腳可以與用戶功能共享，使在系統調試功能不占用封裝引腳。

每種器件都可在工業溫度範圍（-45℃到+85℃）內用2.7V-5.25V的電壓工作。電源電壓大於3.6V時，必須使用內部穩壓器。對於USB通信，電源電壓最小值為3.0V。連線埠I/O和/RST引腳都容許5V的輸入信號電壓。C8051F340/1/2/3/4/5/6/7採用48腳TQFP封裝或32腳LQFP封裝。

圖1：原理框圖

1.1 與8051完全兼容

C8051F340/1/2/3/4/5/6/7系列器件使用Silicon Labs的專利CIP-51微控制器核心。CIP-51與MCS-51TM指令集完全兼容，可以使用標準803x/805x的彙編器和編譯器進行軟體開發。CIP-51核心具有標準8052的所有外設部件，包括4個16位計數器/定時器、兩個具有擴展波特率配置的全雙工UART、一個增強型SPI連線埠、多達4352位元組的內部RAM、128位元組特殊功能暫存器（SFR）地址空間及多達40個I/O引腳。

1.2 速度提高

CIP-51採用流水線結構，與標準的8051結構相比指令執行速度有很大的提高。在一個標準的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24個系統時鐘周期，最大系統時鐘頻率為12-24MHz。而對於CIP-51核心，70%的指令的執行時間為1或2個系統時鐘周期，只有4條指令的執行時間大於4個系統時鐘周期。

CIP-51共有111條指令。下表列出了指令條數與執行時所需的系統時鐘周期數的關係。

執行周期數	1	2	2/3	3	3/4	4	4/5	5	8
指令數	26	50	5	16	7	3	1	2	1

1.3 增加的功能

C8051F340/1/2/3/4/5/6/7 SoC系列MCU在CIP-51核心和外設方面有幾項關鍵性的改進，提高了整體性能，更易於在最終套用中使用。

擴展的中斷系統向CIP-51提供16箇中斷源（標準8051隻有7箇中斷源），允許大量的模擬和數字外設中斷微控制器。一個中斷驅動的系統需要較少的MCU干預，因而有更高的執行效率。在設計一個多任務實時系統時，這些增加的中斷源是非常有用的。

C8051F340/1/2/3/4/5/6/7有多達9個復位源：上電復位電路（POR）、片內VDD監視器（當電源電壓低於VRST時強制復位）、USB控制器（USB匯流排復位或VBUS狀態變化）、看門狗定時器、時鐘丟失檢測器、由比較器0提供的電壓檢測器、軟體強制復位、外部復位輸入引腳和FLASH讀/寫錯誤保護電路復位。除了POR、復位輸入引腳及FLASH操作錯誤這三個復位源之外，其他復位源都可以被軟體禁止。在一次上電復位之後的MCU初始化期間，WDT可以被永久性使能。

高速內部振盪器在出廠時已經被校準為12MHz ±1.5%。時鐘恢復電路允許內部振盪器與4倍時鐘乘法器配合，提供全速方式USB時鐘源。內部振盪器還被用作低速方式下的USB時鐘源。外部振盪器也可以與4倍時鐘乘法器配合使用。器件內集成了一個低頻振盪器，可以在功耗關鍵的套用中使用。器件內還集成了外部振盪器驅動電路，允許使用晶體、陶瓷諧振器、電容、RC或外部CMOS時鐘源產生系統時鐘。系統時鐘可以被配置為使用內部振盪器、外部振盪器或時鐘乘法器輸出二分頻。如果需要，可以在CPU運行時切換系統時鐘振盪源。低頻內部振盪器或外部振盪器在低功耗系統中是非常有用的，它允許MCU從一個低頻率（節電）的時鐘源運行，當需要時再周期性地切換到高速時鐘源。

圖2：片內時鐘和復位電路

1.4 片記憶體儲器

CIP-51有標準8051的程式和數據地址配置。它包括256位元組的數據RAM，其中高128位元組為雙映射。用間接定址訪問通用RAM的高128位元組，用直接定址訪問128位元組的SFR地址空間。數據RAM的低128位元組可用直接或間接定址方式訪問。前32個位元組為4個通用暫存器區，接下來的16位元組既可以按位元組定址也可以按位定址。

程式存儲器包含64KB（C8051F340/2/4/6）或32KB（C8051F341/3/5/7）的FLASH。該存儲器以512位元組為一個扇區，可以在系統編程，且不需特別的編程電壓。該系列器件都包含片內XRAM。64KB FLASH器件（C8051F340/2/4/6）具有4KB的XRAM，32KB FLASH器件（C8051F341/3/5/7）具有2KB的XRAM。所有器件都有獨立的1KB USB FIFO RAM。圖1.4給出了64KB FLASH器件的存儲器組織。注意，對於64KB器件，位於0xFC00 ~ 0xFFFF的1024位元組被保留。

1.5通用串列匯流排控制器

通用串列匯流排控制器（USB0）符合USB2.0規範，可以全速或低速工作，集成了收發器和端點FIFO RAM。共有8個端點：一個雙向控制端點（端點0）和三對輸入/輸出端點（端點1-3 輸入/輸出）。

有1KB的RAM塊被用作USB FIFO空間。該FIFO空間被分配給端點0-3；端點1-3 的FIFO可以被配置為輸入（IN）、輸出（OUT）或輸入/輸出（分割模式）。最大的FIFO大小為512位元組（端點3）。

USB0可以工作在全速或低速方式。片內4倍時鐘乘法器和時鐘恢復電路允許使用內部高精度振盪器作為USB時鐘源，實現全速和低速通信。外部振盪器也可以與4倍時鐘乘法器配合使用來產生USB時鐘。CPU時鐘源與USB時鐘相互獨立。

USB收發器符合USB2.0規範，並包含內部匹配和上拉電阻。上拉電阻可以被用軟體使能/禁止，可以根據軟體選擇的速度設定（全速或低速）出現在D+或D-引腳。

圖3：USB控制器原理框圖

1.6 穩壓器

C8051F340/1/2/3/4/5/6/7器件內部包含一個穩壓器（REG0）。當被使能時，REG0輸出連到VDD引腳，並可為外部器件提供電源。REG0可以被軟體使能/禁止。

1.7片內調試電路

C8051F340/1/2/3/4/5/6/7器件具有片內Silicon Labs 2線（C2）接口調試電路，支持使用安裝在最終套用系統中的產品器件進行非侵入式、全速的在系統調試。

Silicon Labs的調試系統支持觀察和修改存儲器和暫存器，支持斷點和單步執行。不需要額外的目標RAM、程式存儲器、定時器或通信通道。在調試時所有的模擬和數字外設都正常工作。當MCU單步執行或遇到斷點而停止運行時，所有的外設（USB、ADC和SMBus除外）都停止運行，以保持與指令執行同步。

開發套件C8051F340DK具有開發套用代碼和對C8051F340/1/2/3/4/5/6/7 MCU進行在系統調試所需要的全部硬體和軟體。開發套件中包括開發者工作室軟體和調試器、8051彙編器和連結器、評估版C編譯器和一個調試適配器。套件中還包括一塊裝有C8051F340MCU的目標套用板、與PC機連線的電纜及一個牆裝電源。通過使用連線電纜與編程引腳正確連線，開發套件還可用於對產品PCB上的器件進行調試和編程。

對於開發和調試來說，Silicon Labs IDE接口比採用標準MCU仿真器要優越得多。標準的MCU仿真器要使用在板仿真晶片和目標電纜，還需要在套用板上有MCU的插座。Silicon Labs的調試環境既便於使用又能保證精確模擬外設的性能。

1.8可程式數字I/O和交叉開關

C8051F340/1/4/5有40個I/O引腳（5個8位口）；C8051F342/3/6/7有25個I/O引腳（3個8位口、和一個1位口）。C8051F340/1/2/3/4/5/6/7連線埠的工作情況與典型8051連線埠相似，但有一些改進。每個連線埠引腳都可以被配置為模擬輸入或數字I/O引腳。被選擇作為數字I/O的引腳還可以被配置為推挽或漏極開路輸出。在標準8051中固定的“弱上拉”可以被總體禁止，這為低功耗套用提供了進一步節電的能力。

數字交叉開關允許將內部數字系統資源映射到連線埠I/O引腳（見圖1.6）。可通過設定交叉開關控制暫存器將片內的計數器/定時器、串列匯流排、硬體中斷、比較器輸出以及微控制器內部的其它數位訊號配置為出現在連線埠I/O引腳。這一特性允許用戶根據自己的特定套用選擇通用連線埠I/O和所需數字資源的組合。

圖4：數字交叉開關原理框圖

1.9 串列連線埠

C8051F340/1/2/3/4/5/6/7系列MCU內部有一個SMBus/I2C接口、一或兩個全雙工UART和一個增強型SPI接口。每種串列匯流排都完全用硬體實現，都能向CIP-51產生中斷，因此需要很少的CPU干預。

1.10 可程式計數器陣列

除了4個16位的通用計數器/定時器之外，MCU中還有一個片內可程式計數器/定時器陣列（PCA）。PCA包括一個專用的16位計數器/定時器時間基準和5個可程式的捕捉/比較模組。PCA的時鐘可以是下面的六個時鐘源之一：系統時鐘/12、系統時鐘/4、定時器0溢出、外部時鐘輸入（ECI）、系統時鐘和外部振盪源頻率/8。外部時鐘源對於實時時鐘功能是非常有用的，可以在使用內部振盪器驅動系統時鐘的同時由外部振盪器給PCA提供時鐘。

每個捕捉/比較模組都有六種工作方式：邊沿觸發捕捉、軟體定時器、高速輸出、8位或16位脈衝寬度調製器、頻率輸出。此外，捕捉/比較模組4還提供看門狗定時器（WDT）功能。在系統復位後，捕捉/比較模組4被配置並被使能為WDT方式。PCA捕捉/比較模組的I/O和外部時鐘輸入可以通過數字交叉開關連到連線埠I/O。

圖5：PCA原理框圖

1.11 10位模/數轉換器

C8051F340/1/2/3/4/5/6/7內部有一個10位SAR ADC和一個差分輸入多路選擇器。該ADC工作在200ksps的最大採樣速率時可提供真正10位的線性度，INL為±1LSB。ADC系統包含一個可程式的模擬多路選擇器，用於選擇ADC的正輸入和負輸入。連線埠I/O引腳中的20個（48腳封裝）或21個（32腳封裝）引腳可用作ADC的輸入；另外，片內溫度感測器的輸出和電源電壓（VDD）也可以作為ADC的輸入。用戶固件可以將ADC置於關斷狀態以節省功耗。

A/D轉換可以有6種啟動方式：軟體命令、定時器0溢出、定時器1溢出、定時器2溢出、定時器3溢出或外部轉換啟動信號。這種靈活性允許用軟體事件、周期性信號（定時器溢出）或外部硬體信號觸發轉換。一個狀態位用於指示轉換完成，或產生中斷（如果被允許）。轉換結束後10位結果數據字被鎖存到ADC數據暫存器中。

視窗比較暫存器可被配置為當ADC數據位於一個規定的範圍之內或之外時向控制器申請中斷。ADC可以用後台方式連續監視一個關鍵電壓，當轉換數據位於規定的範圍之內/外時才向控制器申請中斷。

1.12 比較器

C8051F340/1/2/3/4/5/6/7器件內部有兩個電壓比較器，可以由用戶軟體使能/禁止和配置。連線埠I/O引腳可以通過多路選擇器被配置為比較器輸入。如果需要，可以將兩個比較器輸出連到連線埠引腳：一個鎖存輸出和/或一個未鎖存的輸出（異步）。比較器的回響時間是可程式的，允許用戶在高速和低功耗方式之間選擇。比較器的正向和負向回差電壓也是可配置的。

比較器能在上升沿、下降沿產生中斷，或在兩個邊沿都產生中斷。當MCU工作在空閒方式時，這些中斷可用於喚醒MCU。比較器0還可以被配置為復位源。圖1.10給出了比較器0的原理框圖。