回顧8051微控制器的歷史 8051微控制器的優(yōu)勢及未來趨勢

如今，嵌入式處理器被用于復(fù)雜的SoC或不太復(fù)雜的ASIC中，用于各種各樣的任務(wù)。這種類型的嵌入式處理器通常體積小、功耗低，因為在許多情況下，它們是在功能更強(qiáng)、更耗電的處理元件閑置或進(jìn)入睡眠狀態(tài)以保持功率時運(yùn)行的。

十多年來，ARM-Cortex M處理器一直非常受歡迎，這是因為它們具有低功耗的特點（即小的硅足跡和高代碼密度），以及擴(kuò)展的可用軟件和硬件模塊的生態(tài)系統(tǒng)。最近，ARM的統(tǒng)治地位受到了RISC-V嵌入式處理器浪潮的挑戰(zhàn)。這些處理器具有類似的優(yōu)點，并且在許可方面更具成本效益。

盡管這些ARM和RISC-V處理器得到了大量的宣傳，但還有第三種處理器——比它們更歷史悠久，功耗更低——已經(jīng)被開發(fā)者廣泛使用，但卻顯得有些默默無聞。它就是強(qiáng)大的8051，實現(xiàn)了近半個世紀(jì)前首次推出的8位CISC ISA......

在本文中，我們將首先快速回顧8051的歷史，然后解釋為什么8051仍然是一些應(yīng)用的智能處理器選擇。

過去的8051

英特爾在1980年推出了MCS-51單片機(jī)。它在一個緊湊的封裝中集成了許多關(guān)鍵功能：核心CPU、接口、內(nèi)存、中斷和定時器。

在20世紀(jì)80年代和90年代，第三方供應(yīng)商繼續(xù)提供許多MCS-51兼容的變體。這些產(chǎn)品往往比原始芯片運(yùn)行得更快或包含更多的功能，它們是各種成功產(chǎn)品的大腦。

如今，你仍然可以購買8051作為分立部件，但大多數(shù)設(shè)計者將它們作為IP核進(jìn)行授權(quán)和使用。這些核心以軟性高級語言源代碼或FPGA網(wǎng)表格式提供，通常被集成在大型嵌入式系統(tǒng)中。

但為什么設(shè)計師們?nèi)匀贿x擇8051進(jìn)行現(xiàn)代ASIC或SoC設(shè)計？

如今的8051

8051相對容易使用，有成熟的可靠性記錄，有蓬勃發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)支持，價格相當(dāng)?shù)土彝ǔＣ馐瞻娑悺?/p>

此外，現(xiàn)代8051內(nèi)核的速度更快，而且有比你想象中更多的好處。(下面的例子中的詳細(xì)信息基于CAST提供的8051 IP系列）。

高速性能。架構(gòu)設(shè)計的改進(jìn)顯著提高了 8051 的性能，同時保留了與原始 MCS51 指令集的兼容性[ 8051 指令集手冊，2011 年 1 月，由 ARM 在 Keil 支持文件區(qū)托管]。

最初的 Intel 8051 以每個機(jī)器周期 12 個時鐘周期運(yùn)行，大多數(shù)指令在一個到兩個機(jī)器周期內(nèi)執(zhí)行。典型的最大時鐘頻率為12MHz，這意味著這些老式8051每秒可以執(zhí)行一百萬條單周期指令，或500000條雙周期指令。

相比之下，今天的8051 IP核以每個機(jī)器周期一個時鐘周期的速度運(yùn)行，在現(xiàn)代技術(shù)中時鐘頻率接近或超過1GHz。這意味著8051現(xiàn)在可以每秒執(zhí)行接近10億條指令。

新的、靈活的8051核是非常強(qiáng)大的。32位處理器更適合許多系統(tǒng)元素——你當(dāng)然不會把主系統(tǒng)總線、內(nèi)存連接和其他高速接口限制在只有8位寬的數(shù)據(jù)路徑上。但在先進(jìn)的SoC中，有許多命令和控制功能，8位通道是綽綽有余的。

對原始8051的許多內(nèi)置功能的補(bǔ)充也提高了控制器的能力，一個良好的可配置8051內(nèi)核可以很輕松地包含你對特定用途的確切需要。參考圖A，了解8051 IP核可用的許多功能和選項的一個示例。

Figure A. Functional blocks available in a fuly-configurable 8051IP Core. (Courtesy of CAST)

顯著的尺寸和功耗優(yōu)勢。即使是針對嵌入式控制器市場的精簡的32位處理器——如CAST的BA20系列或ARM Cortex-M，當(dāng)你檢查它們的資源消耗時也不如8051。

考慮一下面積。圖A所示的R8051XC2核心的CPU不到4000個門，而整個微控制器連同其外設(shè)大約是12000個門。相比之下，小型的32位內(nèi)核開始于15,000個門！8051較小的尺寸意味著較小的泄漏功率，這在考慮具有長閑置時間的設(shè)備時有著極其重要的意義。

活動時的功耗在很大程度上取決于代碼密度。從存儲代碼的存儲單元（片外或片上閃存，或片上SRAM）獲取指令所需的能量通常比CPU執(zhí)行該指令所需的能量要多。另外，一般來說，傳輸和存儲較少數(shù)量的代碼需要較少的能量。此外，8051是一個CISC（復(fù)雜指令集計算機(jī)）引擎，在不涉及大量數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用時，內(nèi)存到內(nèi)存的復(fù)雜操作與任何RISC競爭對手相比有真正的代碼大小優(yōu)勢。

非常有競爭力的成本。經(jīng)過硅驗證的優(yōu)秀的8051 IP核的授權(quán)只需數(shù)萬美元，而且沒有任何專利費。沒有任何32位處理器的授權(quán)能接近這種低成本或有吸引力的商業(yè)模式。此外，8051可以在非常小的FPGA設(shè)備中運(yùn)行，或只占用片上系統(tǒng)ASIC的一小部分，而32位處理器需要更多的硅資源。

簡單的開發(fā)。使用8051的最大好處之一是已建立的龐大的生態(tài)系統(tǒng)和編程遺產(chǎn)，這使得8051的開發(fā)比任何其他MCU都更容易。例如，ARM的Keil、IAR的8051嵌入式工作臺，或開源的SDCC和Eclipse IDE，都是軟件開發(fā)人員對編譯器和IDE的一些選擇。補(bǔ)充這些工具的是一些IP供應(yīng)商提供的完整軟件包和內(nèi)置調(diào)試功能。例如，CAST 8051內(nèi)核包括一個單線或JTAG調(diào)試接口，可與第三方IDE無縫操作。

總的來說，一系列的集成外設(shè)選項、獨特的片上調(diào)試模塊以及通過數(shù)百位先前成功的8051客戶打磨出來的文檔和支持服務(wù)，使得這樣的8051封裝成為一個安全的選擇?，F(xiàn)如今，8051被用于幾乎所有可能應(yīng)用的領(lǐng)域的各種產(chǎn)品（見下圖），包括汽車、消費電子、機(jī)器人、工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備以及軍事和航空航天設(shè)備。

有充分的證據(jù)表明8051一直很受歡迎，只要看看入門的EE大學(xué)課程，最近在視頻網(wǎng)站上發(fā)布的教程和解釋，以及仍在出版的新書。偶爾也會有些案例研究文章和客戶推薦的新聞稿，如 "SDIC Licenses 8051 Microcontroller IP Cores from CAST"。

8051的未來 —— 結(jié)論

8051微控制器不再是人們關(guān)注的焦點，但它們?nèi)匀槐粡V泛用于各式各樣的產(chǎn)品中。只要它們能完成手頭的任務(wù)，它們就會被繼續(xù)使用，因為它們結(jié)合了一系列難以被忽視的獨特優(yōu)勢：體積小、代碼密度高、功耗低、高度可靠和經(jīng)過驗證的IP核、豐富的生態(tài)系統(tǒng)和有競爭力的成本。

基本的32位處理器，如ARM的Cortex-M0或其RISC-V等價物是一種選擇，但值得考慮的是，你的系統(tǒng)是否可能更小、功率更低，并且與當(dāng)今任何優(yōu)秀的8051 IP核解決方案配合使用都很好。

　　審核編輯：湯梓紅