基于C8051F系列单片机应用选型的教学改革研究

桑胜举，李 芳，吴月英

（1.泰山学院 信息科学技术学院；2.泰山学院 数学与统计学院，山东 泰安 271000）

自20世纪70年代单片机（Micro controllers）问世以来，从4位发展到8位，从16位迅速发展到32位高端单片机，已成为计算机技术中的一个独特的分支。随着器件制造技术的发展和市场需求的持续增长，近年来嵌入式微控制器的发展速度惊人，并融合了许多新的设计理念和传统计算机的技术成果，例如哈弗体系结构、片上系统、流水线技术、高速缓存技术、在系统编程技术等等。在目前百花齐放的单片机品牌与系列之中，传统的51内核系列单片机似乎已经落伍了。事实上，正因为51系列经历了长时间的应用，积累了大量的软硬件资源和数量庞大的工程人才储备，如果能够将传统的51系列与一些新的技术有机结合，则既可以发挥原有软硬件资源的作用，又可以减少工程开发人员的移植任务量。

本文所采用的C8051F系列单片机，就是近年来比较成功的一个系列，严格地说C8051F系列已经不是传统意义上的“单片机”，而是具有在系统编程（ISP）特性的片上系统（SoC）。

1 C8051F简介

Cygnal C8051F系列单片机由Silicon Labs公司推出，是业内最小封装的微控制器（MCU）（小至2mmx2mm），不会牺牲性能或集成性。完整的小型封装产品线包括高达100MIPs的CPU、12-位ADC、12位 DAC以及其他重要的模拟外围设备，如集成精密振荡器（±2%）和精密温度传感器（±2°C），还提供成本敏感、引脚兼容的一次性可编程（OTP）选项。C8051F系列是一种典型的高性能单片机，完全集成混合信号系统级芯片完全兼容MCS-51。Cygnal集成产品公司推出的C8051F单片机的出现令业界人士耳目一新，使广大单片机系统设计人员看到了51单片机新的曙光。C8051F系列单片机已有7种产品选型500多个品种。高度集成的小封装C8051F系列单片机经过优化，专门应用于消费、汽车和通讯市场中的空间有限、低功耗、低成本的应用中。

1.1 C8051F系列单片机片上资源

在保证指令集完全兼容51系列单片机的前提下实现了比传统51单片机高得多的性能指标。同时为了支持各种不同的应用形式，提供了非常丰富的系列型号供用户选择：封装形式从11引脚MLP11（8个通用IO脚）到100引脚的TQFP100（最多64个通用IO脚）；片内flash存储器容量从2KB到1MB；片内数据存储器容量从256B到4KB+256B；8/10/12位的A/D或D/A转换器；更多的定时器资源以及功能完善的定时器阵列（PCA）。某些型号还提供了片内温度传感器、回差可编程的电压比较器、程控增益放大器（PGA）等模拟部件。特别值得一提的是其丰富的串行通讯接口设备，从异步串行口UART、3（或4）线SPI接口、全硬件的I2C接口，到USB2.0及CAN2.0等新型高速串行接口都有所支持，为实现各种不同应用提供极大的方便。

C8051F系列芯片典型结构如图1所示。

图1 C8051F单片机芯片典型结构示意图

1.2 C8051特点

C8051F系列单片机采用CIP-51内核，CIP-51与MCS-51指令系统全兼容，可用标准的ASM51KeilC高级语言开发编译C8051F系列单片机的程序。CIP-51内核具有标准8052的所有外设部件包括5个16位的计数器/定时器、两个全双工UART、256字节内部RAM128字节特殊功能寄存器SFR以及8（或4）个字节宽的I/O端口。

表1 C8051指令条数与执行时间关系表

标准的8051一个机器周期要占用12个系统时钟周期，执行一条指令最少要一个机器周期。C8051F系列单片机指令处理采用流水线结构，机器周期由标准的12个系统时钟周期降为1个系统时钟周期，指令处理能力比MCS51大大提高。内核70%的指令执行是在一个或两个系统时钟周期内完成，只有四条指令的执行需4个以上时钟周期。C8051F系列单片机汇编指令共有111条指令，指令条数与执行时所需的系统时钟周期数的关系如表1所示。当时钟频率为100MHz时，C8051F系列指令执行峰值速度高达100MIPS，图2给出了几种8位MCU峰值速度的比较关系（C8051F的时钟频率取25MHz）。

图2 MCU峰值执行速度比较

2 按需选型

C8051F系列是一种典型的高性能单片机，完全集成混合信号系统级芯片完全兼容MCS-51。C8051F系列单片机已有7种产品选型500多个品种。高度集成的小封装C8051F系列单片机经过优化，专门应用于消费、汽车和通讯市场中的空间有限、低功耗、低成本的应用中。在学生的实际学习过程中，可以根据不同专业、不同兴趣和爱好，按需选型进行学习和开发。

2.1 精密混合型

该系列C8051一般具有10位～24位ADC、12位DAC、温度传感器、VREF、可编程增益放大器（PGA）、可编程计数器阵列（PCA）、高精度内部振荡器（2%，1.5%），支持UART、USART、SMBUS/I2C、SPI等。如：C8051F00X、12X/13X/36X等，精密混合应用典型C8051系列如表2所示。

表2 精密混合应用典型C8051系列

2.2 汽车电子应用

该系列C8051符合AEC-Q100标准，运行环境温度可达+125℃，包含：CAN 2.0B、LIN2.1接口、12位ADC、高精度内部振荡器（±0.5%）等，供电电压：1.8V～5.25V等。如：C8051F5XX/85X/86X等，汽车电子应用典型C8051系列详见表3所示。

表3 汽车电子应用典型C8051系列

续表

2.3 手持设备、传感器应用

该系列具有12ADC、12位DAC、温度传感器、VREF、可编程增益放大器（PGA）、可编程计数器阵列（PCA）、高精度内部振荡器（±2%）、高精度温度传感器（±2℃），支持OTP（One Time Programmable，OTP）存储器等，集成度高，适合于手持设备、传感器应用等空间受限及低功耗的场合。如：C8051F30X/F31X F33X系列等。手持设备、传感器应用典型C8051系列详见表4所示。

表4 手持设备、传感器应用典型C8051系列

2.4 USB应用

该系列具有10位ADC、高精度内部振荡器（±1.5%）、高精度温度传感器（±2℃），支持UART、SMBUS/I2C、SPI等，集成USB2.0控制器，集成USB配置电阻和1KB USB缓存，支持8个端点，USB支持全速（12Mbps）和低速（1.5Mbps）两种模式，符合USB规范2.0版。如：C8051F32X/F34X/F38X系列等。USB应用典型C8051系列详见表5所示。

表5 USB应用典型C8051系列

2.5 CAN应用

该系列具有16/12/10位ADC、12位DAC、集成CAN控制器2.0控制器、高精度内部振荡器（±2%）、高精度温度传感器（±2℃）、±60V输入PGA，支持UART、SMBUS/I2C、SPI等，适合工业采集和控制应用。如：C8051F04X/F06X系列等。CAN应用典型C8051系列详见表6所示。

表6 CAN应用典型C8051系列

2.6 低成本应用

该系列具有10位ADC、OPT EPROM、集成±0.2%精度内部振荡器，支持UART、SMBUS/I2C、SPI等，支持的电压范围为1.8～3.6V,如C8051F60X/F61X/F63X系列等。低成本应用典型C8051系列详见表7所示。

表7 低成本应用典型C8051系列

2.7 低电压、低功耗系列

该系列具有10位ADC、支持的电压范围为1.8～3.6V，典型休眠电流为＜0.1µA,如C8051F9XX等，低电压、低功耗应用典型C8051系列详见表8所示。

表8 低电压、低功耗应用典型C8051系列

2.8 电容触摸传感系列

该系列具有10/12位ADC、最大达38路电容传感，每通道最快可达40µs，支持的电压范围为1.8～3.6V，适合于触摸按键、滑动、滚动、液体传感器应用场合,如C8051F7XX/F8XX/F99X等系列，低电压、低功耗应用典型C8051系列如表9所示。

表9 低电压、低功耗应用典型C8051系列

3 实验方法和手段的更新

传统MCS-51单片机课程的实验模式多采用专用开发板、实验箱、仿真软件箱的方法。其实验、开发过程总是先设计、调试好硬件，再进行软件编程。而起初的软件编程往往是纯逻辑和计算的调试，只有在已调试好的硬件上，才能进行系统应用软件的调试，随着时钟频率的提高和封装形式的复杂化，这种模式已越来越难胜任实际开发工作。

C8051F系列MCU内都有一个片内JTAG接口和逻辑电路，提供生产和在系统测试所需要的边界扫描功能，支持闪存的读和写操作以及非侵入式在系统调试。JTAG（Joint Test Action Group）是一种国际标准联合测试行动组，联合测试行动组是IEEE的一个下属组织，该组织研究标准测试访问接口和边界扫描结构，其前身是欧洲联合测试行动小组（Joint European Test Action Group，JETAG）。1990年，IEEE正式承认JTAG标准，命名为IEEE1149.1-1990。现在，通常用JTAG来表示IEEE1149.1-1990规范，或者满足IEEE1149规范的测试方法。现在多数的高级器件都支持JTAG协议，如DSP、FPGA器件等。

标准的JTAG接口是4线：TMS、TCK、TDI、TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。JTAG组成结构如图3所示。

图3 JTAG组成结构图

C8051F系列MCU中的JTAG接口完全符合IEEE1149.1规范。JTAG接口通过C8051F系列MCU上的四个专用引脚（TCK、TMS、TDI和TDO）与开发工具连接，对单片机在片编程可以进行非侵入式、全速的在系统编程（ISP）和调试。通过16位JTAG指令寄存器可以发出8种指令。C8051F系列单片机开发工具即突破了昂贵开发系统旧模式，又创立了低价位仿真新思路，为应用技术的开发提供了极大的方便。

4 教学方法的改革

兴趣是能否学好一门课程的关键因素之一，在不少学生中流传着“硬件难学”、“学了没用”之类的观点。这种看法的产生有它多方面的复杂原因，根据课题组多年的教学经验，硬件课程的特点是细节多，硬件的工作原理与人的思维和行为方式“格格不入”，学生对抽象的指令和复杂的硬件电路很不适应。因此，在授课环节上，紧紧围绕“以学生为本、培养学生的综合能力”这一教学目标，改善传统的教学方式、方法，以激发学生的学习兴趣，提高教学效果。

4.1 课堂教学

在授课环节的设计上，紧紧围绕“以学生为本、培养学生的综合能力”的教学目标，以“能否抓住学生的心”作为设计的主要依据，采用“深入浅出”、“突出重点”、“讲透难点”、“引导自学”的启发式教学方法，有助于教学效果的提高。

“深入浅出”，是指用浅显易懂、循序渐进、逐步深入的方式介绍课程内容，帮助学生对课程产生学习兴趣，避免一开始就介绍过多的专业术语和细节。

“突出重点”，是指在每一堂课的设计上都有一个重点主题，课堂内容围绕重点主题展开，而不是一味地按照章节顺序进行。如，在讲授CPU的指令系统时，重点介绍指令的学习方法和掌握一些常用指令，把堆栈指令和控制转移指令放在一起学习，把输入、输出指令放在微机接口技术中介绍，这样讲授要比按照一般教材逐一介绍各指令的效果好的多。

“讲透难点”，是指要抓住学生学习课程的难点，对这些难点要做到讲清、讲透。如，在学习《微机原理与接口技术》和《单片机原理》时，学生很难理解软件和硬件的关系。这对这一问题，可以通过深入地剖析输入、输出指令及其时序关系，让学生理解指令执行过程中输出了哪些有效信号以及这些信号对相关电路产生的作用，教会学生分析硬件电路的思路和方法，从而改变以往普遍存在的硬件课程“软”化的现象。

“引导自学”，是指在授课过程中注重对课程内容学习方法的介绍，引导和启发学生掌握分析问题的方法，从而做到融会贯通、举一反三。

4.2 实验教学

对于硬件类课程，学生须将理论知识同实际计算机、集成电路芯片等联系起来，进行实际的设计和制作，才能加深理解，融会贯通。由于各方面限制，学生独立运用所学理论去解决硬件实际设计问题这一重要环节较薄弱，仅局限在有限的几节实验课。又由于学生学习能力参差不齐，使计算机硬件这样一种“看得见，摸得着”的东西反而被不少学生看作“抽象”的理论。不仅学习效果不佳，而且对计算机硬件产生畏惧心理，使得计算机硬件知识成为学生知识体系中的一个“瓶颈”。

“任务驱动”是实施探究式教学的一种实验教学模式，其显著特征是：教师的教学与学生的学习都是基于几项任务，围绕一个进行。培养学生的自学能力和分析问题、解决问题的能力。将“任务驱动”思想与计算机硬件教学结合，构造全新课题式教学内容，把所要教授的各项理论知识和实践技能按由浅入深的原则分解到几个具有明确应用目标的实验课题中，让学生在规定时间内独立完成这些课题，从而实现教学目标。

4.3 量化考核

传统的课程考核都是课程结束后的闭卷考试决定最终成绩。但是C8051F系列单片机种类繁多、结构复杂、内部资源丰富，采用闭卷考试难以客观反映学生的动手能力和科研创新能力。因此，提出了一种新型课堂考核的量化考评机制。根据考勤、考试、科技创新等指标综合评定学生成绩，如表10所示。

表10 课程考核的量化表

续表

该量化考核办法已在实践教学中实施5年时间，极大地调动了学生的学习积极性，提高了学生发现问题、解决问题的实际工作能力，引导学生积极参与科研项目的开发研究，提高科研创新水平，收到良好的的教学效果。

5 结论

本文以C8051F为主讲机型，根据学生的不同兴趣和不同的就业方向，针对性地开设《单片机原理》的教学实验课程。在授课环节的设计上，紧紧围绕“以学生为本、培养学生的综合能力”的教学目标，以“能否抓住学生的心”作为设计的主要依据，采用“深入浅出”、“突出重点”、“讲透难点”、“引导自学”的启发式教学方法，有助于教学效果的提高。同时，提出了一种新型课堂考核的量化考评机制，根据考勤、考试、科技创新等指标综合评定学生成绩。对提升学生的计算机系统认识水平、认知能力，锻炼学生系统集成、计算机应用及工程实践能力，培养适应新兴产业发展所需要的高素质应用性、职业型人才具有具较大的推广应用价值。