基于C8051F系列單片機(jī)應(yīng)用選型的教學(xué)改革研究

桑勝舉，李 芳，吳月英

（1.泰山學(xué)院 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院；2.泰山學(xué)院 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，山東 泰安 271000）

自20世紀(jì)70年代單片機(jī)（Micro controllers）問世以來，從4位發(fā)展到8位，從16位迅速發(fā)展到32位高端單片機(jī)，已成為計(jì)算機(jī)技術(shù)中的一個(gè)獨(dú)特的分支。隨著器件制造技術(shù)的發(fā)展和市場需求的持續(xù)增長，近年來嵌入式微控制器的發(fā)展速度驚人，并融合了許多新的設(shè)計(jì)理念和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的技術(shù)成果，例如哈弗體系結(jié)構(gòu)、片上系統(tǒng)、流水線技術(shù)、高速緩存技術(shù)、在系統(tǒng)編程技術(shù)等等。在目前百花齊放的單片機(jī)品牌與系列之中，傳統(tǒng)的51內(nèi)核系列單片機(jī)似乎已經(jīng)落伍了。事實(shí)上，正因?yàn)?1系列經(jīng)歷了長時(shí)間的應(yīng)用，積累了大量的軟硬件資源和數(shù)量龐大的工程人才儲(chǔ)備，如果能夠?qū)鹘y(tǒng)的51系列與一些新的技術(shù)有機(jī)結(jié)合，則既可以發(fā)揮原有軟硬件資源的作用，又可以減少工程開發(fā)人員的移植任務(wù)量。

本文所采用的C8051F系列單片機(jī)，就是近年來比較成功的一個(gè)系列，嚴(yán)格地說C8051F系列已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上的“單片機(jī)”，而是具有在系統(tǒng)編程（ISP）特性的片上系統(tǒng)（SoC）。

1 C8051F簡介

Cygnal C8051F系列單片機(jī)由Silicon Labs公司推出，是業(yè)內(nèi)最小封裝的微控制器（MCU）（小至2mmx2mm），不會(huì)犧牲性能或集成性。完整的小型封裝產(chǎn)品線包括高達(dá)100MIPs的CPU、12-位ADC、12位 DAC以及其他重要的模擬外圍設(shè)備，如集成精密振蕩器（±2%）和精密溫度傳感器（±2°C），還提供成本敏感、引腳兼容的一次性可編程（OTP）選項(xiàng)。C8051F系列是一種典型的高性能單片機(jī)，完全集成混合信號系統(tǒng)級芯片完全兼容MCS-51。Cygnal集成產(chǎn)品公司推出的C8051F單片機(jī)的出現(xiàn)令業(yè)界人士耳目一新，使廣大單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員看到了51單片機(jī)新的曙光。C8051F系列單片機(jī)已有7種產(chǎn)品選型500多個(gè)品種。高度集成的小封裝C8051F系列單片機(jī)經(jīng)過優(yōu)化，專門應(yīng)用于消費(fèi)、汽車和通訊市場中的空間有限、低功耗、低成本的應(yīng)用中。

1.1 C8051F系列單片機(jī)片上資源

在保證指令集完全兼容51系列單片機(jī)的前提下實(shí)現(xiàn)了比傳統(tǒng)51單片機(jī)高得多的性能指標(biāo)。同時(shí)為了支持各種不同的應(yīng)用形式，提供了非常豐富的系列型號供用戶選擇：封裝形式從11引腳MLP11（8個(gè)通用IO腳）到100引腳的TQFP100（最多64個(gè)通用IO腳）；片內(nèi)flash存儲(chǔ)器容量從2KB到1MB；片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量從256B到4KB+256B；8/10/12位的A/D或D/A轉(zhuǎn)換器；更多的定時(shí)器資源以及功能完善的定時(shí)器陣列（PCA）。某些型號還提供了片內(nèi)溫度傳感器、回差可編程的電壓比較器、程控增益放大器（PGA）等模擬部件。特別值得一提的是其豐富的串行通訊接口設(shè)備，從異步串行口UART、3（或4）線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，為實(shí)現(xiàn)各種不同應(yīng)用提供極大的方便。

C8051F系列芯片典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 C8051F單片機(jī)芯片典型結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 C8051特點(diǎn)

C8051F系列單片機(jī)采用CIP-51內(nèi)核，CIP-51與MCS-51指令系統(tǒng)全兼容，可用標(biāo)準(zhǔn)的ASM51KeilC高級語言開發(fā)編譯C8051F系列單片機(jī)的程序。CIP-51內(nèi)核具有標(biāo)準(zhǔn)8052的所有外設(shè)部件包括5個(gè)16位的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、兩個(gè)全雙工UART、256字節(jié)內(nèi)部RAM128字節(jié)特殊功能寄存器SFR以及8（或4）個(gè)字節(jié)寬的I/O端口。

表1 C8051指令條數(shù)與執(zhí)行時(shí)間關(guān)系表

標(biāo)準(zhǔn)的8051一個(gè)機(jī)器周期要占用12個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，執(zhí)行一條指令最少要一個(gè)機(jī)器周期。C8051F系列單片機(jī)指令處理采用流水線結(jié)構(gòu)，機(jī)器周期由標(biāo)準(zhǔn)的12個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期降為1個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，指令處理能力比MCS51大大提高。內(nèi)核70%的指令執(zhí)行是在一個(gè)或兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，只有四條指令的執(zhí)行需4個(gè)以上時(shí)鐘周期。C8051F系列單片機(jī)匯編指令共有111條指令，指令條數(shù)與執(zhí)行時(shí)所需的系統(tǒng)時(shí)鐘周期數(shù)的關(guān)系如表1所示。當(dāng)時(shí)鐘頻率為100MHz時(shí)，C8051F系列指令執(zhí)行峰值速度高達(dá)100MIPS，圖2給出了幾種8位MCU峰值速度的比較關(guān)系（C8051F的時(shí)鐘頻率取25MHz）。

圖2 MCU峰值執(zhí)行速度比較

2 按需選型

C8051F系列是一種典型的高性能單片機(jī)，完全集成混合信號系統(tǒng)級芯片完全兼容MCS-51。C8051F系列單片機(jī)已有7種產(chǎn)品選型500多個(gè)品種。高度集成的小封裝C8051F系列單片機(jī)經(jīng)過優(yōu)化，專門應(yīng)用于消費(fèi)、汽車和通訊市場中的空間有限、低功耗、低成本的應(yīng)用中。在學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)過程中，可以根據(jù)不同專業(yè)、不同興趣和愛好，按需選型進(jìn)行學(xué)習(xí)和開發(fā)。

2.1 精密混合型

該系列C8051一般具有10位～24位ADC、12位DAC、溫度傳感器、VREF、可編程增益放大器（PGA）、可編程計(jì)數(shù)器陣列（PCA）、高精度內(nèi)部振蕩器（2%，1.5%），支持UART、USART、SMBUS/I2C、SPI等。如：C8051F00X、12X/13X/36X等，精密混合應(yīng)用典型C8051系列如表2所示。

表2 精密混合應(yīng)用典型C8051系列

2.2 汽車電子應(yīng)用

該系列C8051符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)行環(huán)境溫度可達(dá)+125℃，包含：CAN 2.0B、LIN2.1接口、12位ADC、高精度內(nèi)部振蕩器（±0.5%）等，供電電壓：1.8V～5.25V等。如：C8051F5XX/85X/86X等，汽車電子應(yīng)用典型C8051系列詳見表3所示。

表3 汽車電子應(yīng)用典型C8051系列

續(xù)表

2.3 手持設(shè)備、傳感器應(yīng)用

該系列具有12ADC、12位DAC、溫度傳感器、VREF、可編程增益放大器（PGA）、可編程計(jì)數(shù)器陣列（PCA）、高精度內(nèi)部振蕩器（±2%）、高精度溫度傳感器（±2℃），支持OTP（One Time Programmable，OTP）存儲(chǔ)器等，集成度高，適合于手持設(shè)備、傳感器應(yīng)用等空間受限及低功耗的場合。如：C8051F30X/F31X F33X系列等。手持設(shè)備、傳感器應(yīng)用典型C8051系列詳見表4所示。

表4 手持設(shè)備、傳感器應(yīng)用典型C8051系列

2.4 USB應(yīng)用

該系列具有10位ADC、高精度內(nèi)部振蕩器（±1.5%）、高精度溫度傳感器（±2℃），支持UART、SMBUS/I2C、SPI等，集成USB2.0控制器，集成USB配置電阻和1KB USB緩存，支持8個(gè)端點(diǎn)，USB支持全速（12Mbps）和低速（1.5Mbps）兩種模式，符合USB規(guī)范2.0版。如：C8051F32X/F34X/F38X系列等。USB應(yīng)用典型C8051系列詳見表5所示。

表5 USB應(yīng)用典型C8051系列

2.5 CAN應(yīng)用

該系列具有16/12/10位ADC、12位DAC、集成CAN控制器2.0控制器、高精度內(nèi)部振蕩器（±2%）、高精度溫度傳感器（±2℃）、±60V輸入PGA，支持UART、SMBUS/I2C、SPI等，適合工業(yè)采集和控制應(yīng)用。如：C8051F04X/F06X系列等。CAN應(yīng)用典型C8051系列詳見表6所示。

表6 CAN應(yīng)用典型C8051系列

2.6 低成本應(yīng)用

該系列具有10位ADC、OPT EPROM、集成±0.2%精度內(nèi)部振蕩器，支持UART、SMBUS/I2C、SPI等，支持的電壓范圍為1.8～3.6V,如C8051F60X/F61X/F63X系列等。低成本應(yīng)用典型C8051系列詳見表7所示。

表7 低成本應(yīng)用典型C8051系列

2.7 低電壓、低功耗系列

該系列具有10位ADC、支持的電壓范圍為1.8～3.6V，典型休眠電流為＜0.1μA,如C8051F9XX等，低電壓、低功耗應(yīng)用典型C8051系列詳見表8所示。

表8 低電壓、低功耗應(yīng)用典型C8051系列

2.8 電容觸摸傳感系列

該系列具有10/12位ADC、最大達(dá)38路電容傳感，每通道最快可達(dá)40μs，支持的電壓范圍為1.8～3.6V，適合于觸摸按鍵、滑動(dòng)、滾動(dòng)、液體傳感器應(yīng)用場合,如C8051F7XX/F8XX/F99X等系列，低電壓、低功耗應(yīng)用典型C8051系列如表9所示。

表9 低電壓、低功耗應(yīng)用典型C8051系列

3 實(shí)驗(yàn)方法和手段的更新

傳統(tǒng)MCS-51單片機(jī)課程的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ蕉嗖捎脤Ｓ瞄_發(fā)板、實(shí)驗(yàn)箱、仿真軟件箱的方法。其實(shí)驗(yàn)、開發(fā)過程總是先設(shè)計(jì)、調(diào)試好硬件，再進(jìn)行軟件編程。而起初的軟件編程往往是純邏輯和計(jì)算的調(diào)試，只有在已調(diào)試好的硬件上，才能進(jìn)行系統(tǒng)應(yīng)用軟件的調(diào)試，隨著時(shí)鐘頻率的提高和封裝形式的復(fù)雜化，這種模式已越來越難勝任實(shí)際開發(fā)工作。

C8051F系列MCU內(nèi)都有一個(gè)片內(nèi)JTAG接口和邏輯電路，提供生產(chǎn)和在系統(tǒng)測試所需要的邊界掃描功能，支持閃存的讀和寫操作以及非侵入式在系統(tǒng)調(diào)試。JTAG（Joint Test Action Group）是一種國際標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合測試行動(dòng)組，聯(lián)合測試行動(dòng)組是IEEE的一個(gè)下屬組織，該組織研究標(biāo)準(zhǔn)測試訪問接口和邊界掃描結(jié)構(gòu)，其前身是歐洲聯(lián)合測試行動(dòng)小組（Joint European Test Action Group，JETAG）。1990年，IEEE正式承認(rèn)JTAG標(biāo)準(zhǔn)，命名為IEEE1149.1-1990?，F(xiàn)在，通常用JTAG來表示IEEE1149.1-1990規(guī)范，或者滿足IEEE1149規(guī)范的測試方法。現(xiàn)在多數(shù)的高級器件都支持JTAG協(xié)議，如DSP、FPGA器件等。

標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口是4線：TMS、TCK、TDI、TDO，分別為模式選擇、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。JTAG組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 JTAG組成結(jié)構(gòu)圖

C8051F系列MCU中的JTAG接口完全符合IEEE1149.1規(guī)范。JTAG接口通過C8051F系列MCU上的四個(gè)專用引腳（TCK、TMS、TDI和TDO）與開發(fā)工具連接，對單片機(jī)在片編程可以進(jìn)行非侵入式、全速的在系統(tǒng)編程（ISP）和調(diào)試。通過16位JTAG指令寄存器可以發(fā)出8種指令。C8051F系列單片機(jī)開發(fā)工具即突破了昂貴開發(fā)系統(tǒng)舊模式，又創(chuàng)立了低價(jià)位仿真新思路，為應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)提供了極大的方便。

4 教學(xué)方法的改革

興趣是能否學(xué)好一門課程的關(guān)鍵因素之一，在不少學(xué)生中流傳著“硬件難學(xué)”、“學(xué)了沒用”之類的觀點(diǎn)。這種看法的產(chǎn)生有它多方面的復(fù)雜原因，根據(jù)課題組多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，硬件課程的特點(diǎn)是細(xì)節(jié)多，硬件的工作原理與人的思維和行為方式“格格不入”，學(xué)生對抽象的指令和復(fù)雜的硬件電路很不適應(yīng)。因此，在授課環(huán)節(jié)上，緊緊圍繞“以學(xué)生為本、培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力”這一教學(xué)目標(biāo)，改善傳統(tǒng)的教學(xué)方式、方法，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。

4.1 課堂教學(xué)

在授課環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)上，緊緊圍繞“以學(xué)生為本、培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力”的教學(xué)目標(biāo)，以“能否抓住學(xué)生的心”作為設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，采用“深入淺出”、“突出重點(diǎn)”、“講透難點(diǎn)”、“引導(dǎo)自學(xué)”的啟發(fā)式教學(xué)方法，有助于教學(xué)效果的提高。

“深入淺出”，是指用淺顯易懂、循序漸進(jìn)、逐步深入的方式介紹課程內(nèi)容，幫助學(xué)生對課程產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣，避免一開始就介紹過多的專業(yè)術(shù)語和細(xì)節(jié)。

“突出重點(diǎn)”，是指在每一堂課的設(shè)計(jì)上都有一個(gè)重點(diǎn)主題，課堂內(nèi)容圍繞重點(diǎn)主題展開，而不是一味地按照章節(jié)順序進(jìn)行。如，在講授CPU的指令系統(tǒng)時(shí)，重點(diǎn)介紹指令的學(xué)習(xí)方法和掌握一些常用指令，把堆棧指令和控制轉(zhuǎn)移指令放在一起學(xué)習(xí)，把輸入、輸出指令放在微機(jī)接口技術(shù)中介紹，這樣講授要比按照一般教材逐一介紹各指令的效果好的多。

“講透難點(diǎn)”，是指要抓住學(xué)生學(xué)習(xí)課程的難點(diǎn)，對這些難點(diǎn)要做到講清、講透。如，在學(xué)習(xí)《微機(jī)原理與接口技術(shù)》和《單片機(jī)原理》時(shí)，學(xué)生很難理解軟件和硬件的關(guān)系。這對這一問題，可以通過深入地剖析輸入、輸出指令及其時(shí)序關(guān)系，讓學(xué)生理解指令執(zhí)行過程中輸出了哪些有效信號以及這些信號對相關(guān)電路產(chǎn)生的作用，教會(huì)學(xué)生分析硬件電路的思路和方法，從而改變以往普遍存在的硬件課程“軟”化的現(xiàn)象。

“引導(dǎo)自學(xué)”，是指在授課過程中注重對課程內(nèi)容學(xué)習(xí)方法的介紹，引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生掌握分析問題的方法，從而做到融會(huì)貫通、舉一反三。

4.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

對于硬件類課程，學(xué)生須將理論知識同實(shí)際計(jì)算機(jī)、集成電路芯片等聯(lián)系起來，進(jìn)行實(shí)際的設(shè)計(jì)和制作，才能加深理解，融會(huì)貫通。由于各方面限制，學(xué)生獨(dú)立運(yùn)用所學(xué)理論去解決硬件實(shí)際設(shè)計(jì)問題這一重要環(huán)節(jié)較薄弱，僅局限在有限的幾節(jié)實(shí)驗(yàn)課。又由于學(xué)生學(xué)習(xí)能力參差不齊，使計(jì)算機(jī)硬件這樣一種“看得見，摸得著”的東西反而被不少學(xué)生看作“抽象”的理論。不僅學(xué)習(xí)效果不佳，而且對計(jì)算機(jī)硬件產(chǎn)生畏懼心理，使得計(jì)算機(jī)硬件知識成為學(xué)生知識體系中的一個(gè)“瓶頸”。

“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”是實(shí)施探究式教學(xué)的一種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，其顯著特征是：教師的教學(xué)與學(xué)生的學(xué)習(xí)都是基于幾項(xiàng)任務(wù)，圍繞一個(gè)進(jìn)行。培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和分析問題、解決問題的能力。將“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”思想與計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)結(jié)合，構(gòu)造全新課題式教學(xué)內(nèi)容，把所要教授的各項(xiàng)理論知識和實(shí)踐技能按由淺入深的原則分解到幾個(gè)具有明確應(yīng)用目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)課題中，讓學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)獨(dú)立完成這些課題，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

4.3 量化考核

傳統(tǒng)的課程考核都是課程結(jié)束后的閉卷考試決定最終成績。但是C8051F系列單片機(jī)種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、內(nèi)部資源豐富，采用閉卷考試難以客觀反映學(xué)生的動(dòng)手能力和科研創(chuàng)新能力。因此，提出了一種新型課堂考核的量化考評機(jī)制。根據(jù)考勤、考試、科技創(chuàng)新等指標(biāo)綜合評定學(xué)生成績，如表10所示。

表10 課程考核的量化表

續(xù)表

該量化考核辦法已在實(shí)踐教學(xué)中實(shí)施5年時(shí)間，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的實(shí)際工作能力，引導(dǎo)學(xué)生積極參與科研項(xiàng)目的開發(fā)研究，提高科研創(chuàng)新水平，收到良好的的教學(xué)效果。

5 結(jié)論

本文以C8051F為主講機(jī)型，根據(jù)學(xué)生的不同興趣和不同的就業(yè)方向，針對性地開設(shè)《單片機(jī)原理》的教學(xué)實(shí)驗(yàn)課程。在授課環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)上，緊緊圍繞“以學(xué)生為本、培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力”的教學(xué)目標(biāo)，以“能否抓住學(xué)生的心”作為設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，采用“深入淺出”、“突出重點(diǎn)”、“講透難點(diǎn)”、“引導(dǎo)自學(xué)”的啟發(fā)式教學(xué)方法，有助于教學(xué)效果的提高。同時(shí)，提出了一種新型課堂考核的量化考評機(jī)制，根據(jù)考勤、考試、科技創(chuàng)新等指標(biāo)綜合評定學(xué)生成績。對提升學(xué)生的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)認(rèn)識水平、認(rèn)知能力，鍛煉學(xué)生系統(tǒng)集成、計(jì)算機(jī)應(yīng)用及工程實(shí)踐能力，培養(yǎng)適應(yīng)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需要的高素質(zhì)應(yīng)用性、職業(yè)型人才具有具較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。