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當(dāng)8051內(nèi)核架構(gòu)在1998年失去專利保護(hù)后，備受肯定的8051內(nèi)核再次受到熱捧，當(dāng)時(shí)多種新型的8051 MCU不斷涌入市場(chǎng)，一些廠家繼續(xù)采用原始的架構(gòu)，而另外一些廠家對(duì)它進(jìn)行了不同程度的改進(jìn)。Silicon Labs 8051架構(gòu)正是這些更高性能優(yōu)化架構(gòu)之一。它保持與原始內(nèi)核代碼兼容，同時(shí)對(duì)8051架構(gòu)進(jìn)行了現(xiàn)代化和“類RISC化”，從而獲得了巨大的性能提升。圖1顯示了在Silicon Labs 8051內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)的經(jīng)典三級(jí)流水線架構(gòu)。
圖1 - 典型流水線示例
原始的Intel 8051內(nèi)核執(zhí)行一條指令需要花費(fèi)12個(gè)時(shí)鐘周期；因此，在12MHz時(shí)鐘頻率下，它的運(yùn)行速率可達(dá)1MIPS（每秒百萬(wàn)指令）。相比之下，100MHz時(shí)鐘頻率的Silicon Labs 8051內(nèi)核可達(dá)到100MIPS，或者可以說(shuō)是——在大約8倍于傳統(tǒng)8051的時(shí)鐘頻率下，100MHz時(shí)鐘頻率的Silicon Labs 8051內(nèi)核比傳統(tǒng)8051內(nèi)核運(yùn)行速率快了100倍。
Silicon Labs以3級(jí)流水線馮·諾依曼（Von-Neuman）架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)它的8051先進(jìn)內(nèi)核。3級(jí)流水線整合8位機(jī)明確的指令解碼邏輯的簡(jiǎn)易性使得這個(gè)芯片能夠在0.35微米工藝下運(yùn)行在100MHz時(shí)鐘頻率。由于與經(jīng)典的8051代碼兼容至關(guān)重要，該架構(gòu)保留一個(gè)帶有4個(gè)區(qū)域的32字節(jié)的寄存器文件，從而能夠更容易的進(jìn)行上下文切換。經(jīng)典8051的所有其他硬件方面也由于上面提及的原因而得到保留。圖2顯示了新一代Silicon Labs芯片中實(shí)現(xiàn)的8051內(nèi)核。
圖2 - 最先進(jìn)技術(shù)的8051 MCU示例
為了充分利用這些新型8051芯片的功能，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)系統(tǒng)定義識(shí)別并利用這種架構(gòu)所提供特性的系統(tǒng)定義。例如，8051內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了可在某些寄存器或存儲(chǔ)位置直接執(zhí)行邏輯運(yùn)算操作的能力。這在幾乎任何控制應(yīng)用中都是一項(xiàng)非常有用的特性，無(wú)論是工業(yè)還是其他領(lǐng)域。憑借Silicon Labs 8位芯片的運(yùn)行頻率，這些操作能夠在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成執(zhí)行。這種方法帶來(lái)極佳的控制響應(yīng)時(shí)間，這意味著當(dāng)與相同配置的硬件實(shí)現(xiàn)相比時(shí)，bit-banged的總線定義能夠以一種相當(dāng)合理的速率運(yùn)行。例如，bit-banged的全雙工SPI能夠被實(shí)現(xiàn)為每位12個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，在100MHz系統(tǒng)時(shí)鐘頻率下支持大于8MHz的位傳輸頻率。
另一項(xiàng)8051創(chuàng)新是為帶有嵌入閃存的閃存存儲(chǔ)器管理增加控制器，這為8051帶來(lái)快速啟動(dòng)和執(zhí)行代碼的能力。當(dāng)然，指令取出路徑也要滿足速度需求，因此諸如預(yù)取指緩沖器、緩存和分支目標(biāo)緩沖器這些高級(jí)特性也要被實(shí)現(xiàn)。Silicon Labs最新的8位MCU，例如EFM8UBx系列產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的16位寬預(yù)取指緩沖器以支持50MHz操作。
鑒于這些系統(tǒng)的性能特點(diǎn)，新穎的I/O架構(gòu)必須支持多種外設(shè)才能夠同時(shí)（或者分時(shí)共享）運(yùn)行。為此目的，開(kāi)發(fā)一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)的Crossbar架構(gòu)才能允許任意外設(shè)以確定的方式，訪問(wèn)幾乎任意端口。因此，在帶有大量I/O引腳的相同系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多種高速外設(shè)成為可能，并且所有引腳都可以通過(guò)高性能CPU控制。
8051內(nèi)核是8位機(jī)器，這意味著寄存器空間被限制僅僅能支持256個(gè)寄存器。僅具有高性能CPU和眾多外設(shè)，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為了克服寄存器空間的限制，存儲(chǔ)頁(yè)的概念被用于實(shí)現(xiàn)多個(gè)256字節(jié)地址空間定義，并且頁(yè)切換的機(jī)制也被實(shí)現(xiàn)。此外，某些系統(tǒng)寄存器以及關(guān)鍵外設(shè)寄存器在每一個(gè)頁(yè)中都是可訪問(wèn)的。
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原始8051內(nèi)核的另一個(gè)缺點(diǎn)是它的中斷延遲。由于它固有的12時(shí)鐘周期執(zhí)行延遲，中斷延遲可能需要數(shù)百個(gè)時(shí)鐘周期，這使得它僅適用于慢速控制。更高性能的芯片顯而易見(jiàn)有更短的中斷延遲，因此縮短了對(duì)控制/傳感器中斷的整體系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。有些新晉的Silicon Labs 8051 MCU也在他們的中斷級(jí)中實(shí)現(xiàn)了4個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)狀態(tài)。這種技術(shù)使得中斷處理更加精確，這在一個(gè)擁有大量外設(shè)的系統(tǒng)中是必須的。
就新近系統(tǒng)存儲(chǔ)器的固有特性而言，實(shí)際上存儲(chǔ)訪問(wèn)需要占用2個(gè)時(shí)鐘周期。因此，每一次存儲(chǔ)器訪問(wèn)之后能夠跟隨任意其他動(dòng)作，并且不會(huì)導(dǎo)致流水線溢出。在存儲(chǔ)器位置上執(zhí)行邏輯操作的能力也得到保留，它們也作為2個(gè)時(shí)鐘周期操作，因?yàn)樗鼈儾捎谩白x取-修改-寫(xiě)回”的操作方式。
盡管有相對(duì)高的時(shí)鐘速率，但是高性能8051 MCU并非為執(zhí)行高速高階算法而設(shè)計(jì)。例如，16位的乘法在Silicon Labs 8051 MCU上將需要占用143個(gè)時(shí)鐘周期。Silicon Labs的一些高速8051 MCU也實(shí)現(xiàn)了一個(gè)帶有40位累加器的16位MAC。這種技術(shù)完成了單時(shí)鐘周期的16位MAC操作或者乘法運(yùn)算。當(dāng)然，它仍然需要幾個(gè)時(shí)鐘周期去裝載和卸載數(shù)據(jù)。由于MAC采用流水線設(shè)計(jì)，因此當(dāng)MAC正在操作上一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，新數(shù)據(jù)能夠被移入輸入寄存器。圖3顯示了在C8051F120 MCU中實(shí)現(xiàn)的MAC框圖。
圖3 - MAC實(shí)現(xiàn)
高性能8051內(nèi)核在外設(shè)組合中支持一些并非常見(jiàn)的外設(shè)，例如低速和全速USB。在運(yùn)行于50MHz時(shí)鐘頻率時(shí)，Silicon Labs 8051 MCU有足夠的能力去運(yùn)行USB協(xié)議棧，同時(shí)保持它的外設(shè)組合能夠全速運(yùn)行。自然的，即使在同時(shí)使能2個(gè)1M采樣率ADC存取和運(yùn)行以及常見(jiàn)的UART、SPI和DAC組合，這種級(jí)別的性能水平也能夠獲得一個(gè)合理的響應(yīng)時(shí)間。
傳統(tǒng)的8051 MCU通常不支持通過(guò)系統(tǒng)電路仿真功能進(jìn)行調(diào)試。Silicon Labs 8051內(nèi)核在設(shè)計(jì)之初就把ICE作為一項(xiàng)必要需求。這促生了C2調(diào)試接口的開(kāi)發(fā)，它是在大部分Silicon Labs 8051 MCU中實(shí)現(xiàn)的一個(gè)超小尺寸但功能強(qiáng)大的2線調(diào)試接口。
一些高引腳數(shù)量的8051芯片實(shí)現(xiàn)了外部存儲(chǔ)器接口（EMIF），它有能力連接到任何可存儲(chǔ)器映射的設(shè)備（例如，RAM或者其他控制器）。在一些應(yīng)用中，以太網(wǎng)控制器能夠完全的由一個(gè)50MHz時(shí)鐘頻率的Silicon Labs 8051 MCU存取和控制，同時(shí)也具有充足額外能力去運(yùn)行其他外設(shè)。
Silicon Labs的8位產(chǎn)品系列也包括基于8051內(nèi)核和低功耗sub-GHz收發(fā)器的無(wú)線MCU。使用在這些8位sub-GHz無(wú)線MCU芯片上的CPU有足夠的能力運(yùn)行整個(gè)無(wú)線電協(xié)議棧，同時(shí)也擁有在上傳數(shù)據(jù)之前進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的能力。這些小封裝、超低功耗的無(wú)線MCU當(dāng)在休眠模式（保存所有狀態(tài)）時(shí)消耗非常少的功耗，他們是功耗敏感型無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用的理想選擇。
Silicon Labs的8位產(chǎn)品系列還包括汽車級(jí)別的微控制器，實(shí)現(xiàn)了0.5％精度的振蕩器和CAN接口。這種組合使得CAN可以在沒(méi)有片外晶體的條件下正常運(yùn)行，減少了物料清單（BOM）成本，同時(shí)增加了制造和系統(tǒng)的可靠性。這個(gè)無(wú)晶體設(shè)計(jì)的另一優(yōu)點(diǎn)是振蕩器可以30ps步長(zhǎng)調(diào)節(jié)，一些復(fù)雜的脈寬調(diào)制（PWM）控制能夠通過(guò)非常精確的控制PWM邊沿而實(shí)現(xiàn)。這種技術(shù)是可行的，因?yàn)?a target="_blank">處理器內(nèi)核能夠足夠快的執(zhí)行這個(gè)功能的軟件控制。
8051內(nèi)核超過(guò)許多32位內(nèi)核的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是具有以總線速度訪問(wèn)I/O的能力。例如，如果一個(gè)引腳需要檢測(cè)，并且基于這個(gè)引腳的值，是否去改變這個(gè)引腳輸出必須做出判斷。運(yùn)行在100MHz時(shí)鐘頻率的Silicon Labs 8051 MCU在50ns內(nèi)處理這個(gè)操作。運(yùn)行在100MHz時(shí)鐘頻率的32位處理器將連接GPIO到APB總線。這意味著它將運(yùn)行在一個(gè)比總線速度更慢的頻率上（可能是總線速率的一半），100MHz時(shí)鐘頻率的處理器將僅僅能夠以50MHz時(shí)鐘頻率訪問(wèn)它的GPIO，并且以那個(gè)速度做出判斷。因此，32位MCU執(zhí)行端口引腳讀取、比較、端口模式改變指令和寫(xiě)驅(qū)動(dòng)數(shù)值指令所需要的時(shí)間將達(dá)到140ns。相比較，這個(gè)操作在運(yùn)行于100MHz時(shí)鐘頻率的8051內(nèi)核上僅花費(fèi)50ns。當(dāng)然，如果8051設(shè)備正運(yùn)行在50MHz時(shí)鐘頻率，端口操作處理時(shí)間可能是100ns。
因?yàn)榭偩€層級(jí)在8051 MCU中是簡(jiǎn)單的，因此分支能夠比帶有總線分層的32位機(jī)器執(zhí)行的更快。這種能力是8051架構(gòu)固有的，并且存在于Silicon Labs的所有基于8051的產(chǎn)品之中，也包括新型的EFM8系列產(chǎn)品。
8051 MCU無(wú)疑將繼續(xù)馳騁IoT時(shí)代
多年以來(lái)，備受肯定的8051內(nèi)核已經(jīng)得到顯著升級(jí)和現(xiàn)代化，擁有巨大的安裝量和為之編寫(xiě)的數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的代碼。當(dāng)開(kāi)發(fā)基于8051內(nèi)核的8位應(yīng)用時(shí)，嵌入式開(kāi)發(fā)人員能夠繼續(xù)利用這些豐富的知識(shí)寶庫(kù)。
新興物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用，例如可連接設(shè)備和傳感器網(wǎng)絡(luò)，能夠在端節(jié)點(diǎn)中廣泛使用8051 MCU。這些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用通常是傳感器密集型或者控制密集型的，并且也有嚴(yán)格的功耗、占用空間和預(yù)算限制。
廣泛部署并經(jīng)過(guò)時(shí)間考驗(yàn)的8051指令集仍然是許多既需要功效又需要性價(jià)比的應(yīng)用的最佳選擇。當(dāng)提到8051內(nèi)核的長(zhǎng)盛不衰，俗話說(shuō)的好：“萬(wàn)變不離其宗?！?/p>
以下我們用一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明Silicon Labs基于8051的新型EFM8 MCU的應(yīng)用
比如，Silicon Labs的EFM8SB1系列MCU 可以成功應(yīng)用在智能水杯的方案中。智能水杯主要用來(lái)測(cè)量液位或者液量，并累計(jì)計(jì)算一定時(shí)間內(nèi)用戶的飲水量，提醒用戶適時(shí)飲水。傳統(tǒng)的智能水杯使用壓力傳感器測(cè)量液位，有的還要加入重力或者加速度傳感器檢測(cè)杯體的傾斜。EFM8SB1的電容感應(yīng)測(cè)量模塊可以實(shí)現(xiàn)同樣的功能。該系列MCU具有多個(gè)通道的12位精度高速電容數(shù)字轉(zhuǎn)換測(cè)量能力，無(wú)需外圍附加器件，并為用戶提供了一系列用戶友好的軟件庫(kù)和調(diào)式工具。
除了液量測(cè)量，EFM8SB1中的其他功能模塊也可以實(shí)現(xiàn)智能水杯的其他功能。12位的ADC可以測(cè)量水溫，PCA可以驅(qū)動(dòng)LED或者蜂鳴器提供簡(jiǎn)單的用戶顯示界面，而UART或者SPI可以用來(lái)連接無(wú)線模塊，和其他智能設(shè)備比如手機(jī)交換數(shù)據(jù)，在功能更強(qiáng)大的設(shè)備上提供更豐富的應(yīng)用和客戶體驗(yàn)。
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