Silicon Labs芯科/Cygnal新华龙单片机解密

C8051F1/F2xx 系列:

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C8051Fxx 系列:

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C8051F4/F5/F9xx 系列:

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C8051F3xx 系列:

C8051F300 C8051F301 C8051F302 C8051F303 C8051F304 C8051F305 C8051F310 C8051F311 C8051F312 C8051F313 C8051F314 C8051F315 C8051F316 C8051F317 C8051F320 C8051F321 C8051F326 C8051F327 C8051F330 C8051F331 C8051F332 C8051F333 C8051F334 C8051F335 C8051F336 C8051F337 C8051F338 C8051F339 C8051F340 C8051F341 C8051F342 C8051F343 C8051F344 C8051F345 C8051F346 C8051F347 C8051F350 C8051F351 C8051F352 C8051F353 C8051F360 C8051F361 C8051F362 C8051F363 C8051F364 C8051F365 C8051F366 C8051F367 C8051F368 C8051F369 ...

C8051Txx 系列:

C8051T600 C8051T601 C8051T602 C8051T603 C8051T604 C8051T605 C8051T610 C8051T611 C8051T612 C8051T613 C8051T614 C8051T615 C8051T616 C8051T617 C8051T630 C8051T631 C8051T632 C8051T633 C8051T634 C8051T635 ...

Silabs Fxx 系列:

SIL F000 SIL F001 SIL F002 SIL F005 SIL F006 SIL F007 SIL F010 SIL F011 SIL F012 SIL F015 SIL F016 SIL F017 SIL F018 SIL F019 SIL F020 SIL F021 SIL F022 SIL F023 SIL F040 SIL F041 SIL F042 SIL F043 SIL F044 SIL F045 SIL F046 SIL F047 SIL F060 SIL F061 SIL F062 SIL F063 SIL F064 SIL F065 SIL F066 SIL F067 SIL F120 SIL F121 SIL F122 SIL F123 SIL F124 SIL F125 SIL F126 SIL F127 SIL F130 SIL F131 SIL F132 SIL F133 SIL F206 SIL F220 SIL F221 SIL F226 SIL F230 SIL F231 SIL F236 SIL F410 SIL F411 SIL F412 SIL F413 SIL F520 SIL F521 SIL F523 SIL F524 SIL F526 SIL F527 SIL F530 SIL F531 SIL F533 SIL F534 SIL F536 SIL F537 SIL F920 SIL F921 SIL F930 SIL F931 SIL F300 SIL F301 SIL F302 SIL F303 SIL F304 SIL F305 SIL F310 SIL F311 SIL F312 SIL F313 SIL F314 SIL F315 SIL F316 SIL F317 SIL F320 SIL F321 SIL F326 SIL F327 SIL F330 SIL F331 SIL F332 SIL F333 SIL F334 SIL F335 SIL F336 SIL F337 SIL F338 SIL F339 SIL F340 SIL F341 SIL F342 SIL F343 SIL F344 SIL F345 SIL F346 SIL F347 SIL F350 SIL F351 SIL F352 SIL F353 SIL F360 SIL F361 SIL F362 SIL F363 SIL F364 SIL F365 SIL F366 SIL F367 SIL F368 SIL F369 SIL T600 SIL T601 SIL T602 SIL T603 SIL T604 SIL T605 SIL T610 SIL T611 SIL T612 SIL T613 SIL T614 SIL T615 SIL T616 SIL T617 SIL T630 SIL T631 SIL T632 SIL T633 SIL T634 SIL T635 ...

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关于Silicon Labs芯科/Cygnal新华龙:

Silicon Labs 芯科科技是由 Nav Sooch 、 Dave Welland 和 Jeff Scott 在 1996 年于美国德州奥斯汀 (Austin, Texas) 成立,专门开发世界级的混合信号器件。今天,公司已成为营运、销售和设计活动遍及世界各地资本额约 5 亿美元的上市跨国公司,并且在各种混合信号产品领域居于领先地位 . Silicon Laboratories 首款产品是个人计算机的模拟调制解调器;十年后,公司已成为营运、销售和设计活动遍及世界各地的跨国企业。 Silicon Laboratories 成立仅两年就转亏为盈,随后又在 2000 年顺利完成公司股票的首次公开发行 (IPO) 。今天, Silicon Laboratories 已经是一家资本额约 5 亿美元的上市公司,并且在各种混合信号产品领域居于领先地位。 “ 只有极少数公司能像 Silicon Labs 一样保持稳定的成长与获利。我们努力为所做的每一件事情追求卓越,这不仅让我们创造出一家拥有强大产品阵容和财务绩效的公司,还有永续发展的价值导向文化和对社会的回馈。 ”Silicon Laboratories 共同创始人暨董事长 Nav Sooch 表示, “ 我们对过去十年的员工成就备感骄傲,对未来的业务潜力更感乐观。在下个十年里,我们将运用更丰沛的资源、世界一流的混合信号工程师团队和学习循环能力把我们的技术领先优势扩大到更多新市场。” 备受肯定的混合信号领导者 Silicon Laboratories 产品广获业界重要刊物的认可,迄今已赢得 20 多项设计奖。公司还在许多半导体市场迅速取得领导地位,并且销售将近 20 亿颗 CMOS 混合信号器件,包括:

* 10 亿颗模拟调制解调器芯片,获得全球超过一半的个人计算机与卫星机顶盒采用

* 6 亿颗 Aero GSM/GPRS 收发器,用于数百款不同的移动电话

* 8,000 万颗 VoIP 器件,用于多数 VoIP 产品

* 将近 4,000 万颗微控制器和超过 5 万套微控制器开发套件 “ 随着我们所处的模拟世界与计算机所在的数字世界持续汇集,混合信号已处在下一代创新的最前线。未来十年里,我们将看到便携式装置的耗电更少和电池寿命更长,大幅强化这些产品的功能汇集。广播技术将具备高度便携性;电源供应、无线网络和远距监控将变得司空见惯,带宽需求也会越来越大。 ”Silicon Laboratories 总裁暨执行长 Necip Sayiner 表示, “ 这将带来一个适合创新的市场,使得技术的成本更低、耗电更少和更容易使用。我们在这个环境表现杰出,未来十年更将在所处的竞争领域里开发更多创新产品。” 财务优势 Silicon Laboratories 一直是德州公认成长最快的企业之一,以最佳实务为基础所建立的财务结构确保公司拥有最健全的财务绩效和不断增加的资金可供运用,目前的结余现金已超过 4 亿美元,而且完全没有负债。这种稳健的财务管理让公司持续投资于研发,进一步扩大公司专利的混合信号产品阵容。 赢家文化 Silicon Laboratories 曾获员工票选为德州中部最佳工作地点之一,赢家文化 (Winning Culture) 让公司在成长过程专心一致。 Silicon Laboratories 员工对于他们所致力的核心价质备感自豪,这包括开放透明的沟通方式、持续创新、坚持质量、合作工作环境以及对于争取胜利和商业成功的强烈企图心。 Silicon Laboratories 致力将其营收成果与社会分享,同时捐赠资金和主动支持超过 40 个当地社团,这使得奥斯汀的生活质量有了非常明显的进步。

Silicon Laboratories (芯科实验室)成立于 1996 年,位于美国德州奥斯汀市,是一家专业研发设计类比电路及混合信号 IC 的公司,为成长快速的通信产业设计等提供广大应用。

Silicon Laboratories 8051 混合信号微处理器 C8051Fxxx 系列,经过严格的调测,与全球领先的模拟器件、高速传输 8051 CPU 、 ISP Flash 存储器、 JTAG 结合为一体。通过高品质模拟器件、 100 MIPS 8051 中心以及内置可编程系统,可以为客户提供完全的设计弹性、更短的产品开发周期、可靠的系统品质、卓越的终端产品特性。

 

 

C8051Fxxx 系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片,具有与 8051 兼容的微控制器内核,与 MCS-51 指令集完全兼容。除了具有标准 8052 的数字外设部件之外,片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件。 MCU 中的外设或功能部件包括模拟多路选择器、可编程增益放大器、 ADC 、 DAC 、电压比较器、电压基准、温度传感器、 SMBus/I2C 、 UART 、 SPI 、可编程计数器 / 定时器阵列( PCA )、定时器、数字 I/O 端口、电源监视器、看门狗定时器( WDT )和时钟振荡器等。所有器件都有内置的 FLASH 程序存储器和 256 字节的内部 RAM ,有些器件内部还有位于外部数据存储器空间的 RAM ,即 XRAM 。

 

C8051Fxxx 单片机采用流水线结构,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,处理能力大大提高,峰值性能可达 100MIPS 。

C8051Fxxx 单片机是真正能独立工作的片上系统 (SOC) 。每个 MCU 都能有效地管理模拟和数字外设,可以关闭单个或全部外设以节省功耗。 FLASH 存储器还具有在系统重新编程能力,可用于非易失性数据存储,并允许现场更新 8051 固件。应用程序可以使用 MOVC 和 MOVX 指令对 FLASH 进行读或改写,每次读或写一个字节。这一特性允许将程序存储器用于非易失性数据存储以及在软件控制下更新程序代码。

 

片内 JTAG 调试支持功能允许使用安装在最终应用系统上的产品 MCU 进行非侵入式(不占用片内资源)、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器,支持断点、单步、运行和停机命令。在使用 JTAG 调试时,所有的模拟和数字外设都可全功能运行。每个 MCU 都可在工业温度范围( -45℃ 到 +85℃ )内用 2.7V-3.6V ( F018/019 为 2.8V-3.6V )的电压工作。端口 I/O 、 /RST 和 JTAG 引脚都容许 5V 的输入信号电压。

 

在嵌入式系统低端的单片机领域,从 8 位单片机诞生至今,已近 30 年,在百花齐放的单片机家族中, 80C51 系列一直扮演着一个独特的角色。 Cygnal  推出 C8051F 更令业界人士刮目相看。回顾历史,在 Intel 公司推出了 MCS-51 不久便实施了最彻底的技术开放政策;在众多电器商、半导体商的积极参与下,将 MCS-51 发展成了众多型号系列的 80C51 MCU 家族。 MCS-51 经典的体系结构、极好的兼容性和 Intel 公司的开放政策不仅使众多厂家参与发展,也诱使半导体厂家对 MCS-51 实行为所欲为的改造。由于 MCS-51 提供的最佳兼容性,使 MCS-51 在被 " 肢解 " 式改造后,还能以不变的指令系统、基本单元的兼容性保持着 8051 内核的生命延续,并在未来 SoC 发展中,担任 8 位 CPU 内核的重任。回顾 80C51 系列从 MCS-51 、 80C51 到 C8051F 的过程,我们可以深刻领会到单片机发展的一些规律性东西。  

 

1  嵌入式应用中的 8 位机现象  

 

与从 8 位机迅速向 16 位、 32 位、 64 位过渡的通用计算机相比, 8 位单片机从 20 世纪 70 年代初期诞生至今,虽历经从单片微型计算机到微控制器、 MCU 和 SoC 的  

变迁, 8 位机始终是嵌入式低端应用的主要机型,而且在未来相当长的时间里,仍会保持这个势头。这是因为嵌入式系统和通用计算机系统有完全不同的应用特性,从而走向完全不同的技术发展道路。  

 

嵌入式系统嵌入到对象体系中,并在对象环境下运行。与对象领域相关的操作主要是对外界物理参数进行采集、处理,对外界对象实现控制,并与操作者进行人机交互等。而对象领域中的物理参数的采集与处理、外部对象的控制以及人机交互所要求的响应速度有限,而且不会随时间变化。在 8 位单片机能基本满足其响应速度要求后,数据宽度不成为技术发展的主要矛盾。因此 8 位单片机会稳定下来,其技术发展方向转为最大限度地满足对象的采集、控制、可靠性和低功耗等品质要求。  

 

随着现代通信技术的发展,智能化系统对 DSP 需求的增长要求单片机相应提高运算速度。当前 8 位单片机在不扩展数据总线的情况下,提高运行速度仍有潜力可挖。例如,采用 RISC 结构实现并行流水线作业, CISC 结构的 C8051F 采用 CIP-8051 结构,使单周期指令速度提高到原 8051 的 12 倍。  

 

鉴于嵌入式低端应用对象的有限响应要求、嵌入式系统低端应用的巨大市场以及 8 位机具有的速度潜力,可以预期在未来相当长的时间内, 8 位机仍然是嵌入式应用中的主流机型。  

 

随着半导体技术的发展, 8 位单片机在 CPU 结构、 CPU 外围、功能外围、外围接口和集成开发环境方面都会迅速地发展;因此,可以说 8 位单片机虽然 " 古老 " ,但又会是一个十分活跃而新兴的嵌入式领域。 80C51 系列从 Intel 公司的 MCS-51 发展到 Cygnel 公司的 C8051F 的过程充分地说明了这一点。  

 

2 8 位单片机中的 80C51 现象  

 

在 8 位单片机中, 80C51 系列形成了一道独特的风景线。历史最长,长盛不衰,众星捧月,不断更新,形成了既具有经典性,又不乏生命力的一个单片机系列。当前, Cygnal 公司推出的 C8051F 又将 8051 兼容单片机推上了 8 位机的先进行列。总结 80C51 系列的发展历史,可以看出单片机的 3 次技术飞跃。  

 

2.1  从 MCS-51 到 MCU 的第 1 次飞跃  

 

Intel 公司于 1980 年推出的 MCS-51 奠定了嵌入式应用的单片微型计算机的经典体系结构,但不久就放弃了进一步发展计划,并实施了 8051 的技术开放政策。无论从主观因素还是客观因素,都是明智之举。因为在创建一个完善的嵌入式计算机体系结构后,面临的是不断满足嵌入式对象要求的各种控制功能。在 8051 实现开放后, PHILIPS 公司作为全球著名的电器商以其在电子应用系统的优势,着力发展 80C51 的控制功能及外围单元。将 MCS-51 的单片微型计算机迅速地推进到 80C51 的 MCU 时代,形成了可满足大量嵌入式应用的单片机系列产品。  

 

2.2  引领 Flash ROM 潮流的第 2 次飞跃  

 

当前,嵌入式系统普遍采用 Flash ROM 技术。 Flash ROM 的使用加速了单片机技术的发展。基于 Flash ROM 的 ISP/IAP 技术,极大地改变了单片机应用系统的结构模式以及开发和运行条件;而在单片机中最早实现 Flash ROM 技术的是 ATMEL 公司的 AT89Cxx 系列。  

 

2.3  内核化 SoC 的第 3 次飞跃  

 

MCS-51 典型的体系结构以及极好的兼容性,对于 MCU 不断扩展的外围来说,形成了一个良好的嵌入式处理器内核的结构模式。当前嵌入式系统应用进入 SoC 模式,从各个角度,以不同方式向 SoC 进军,形成了嵌入式系统应用热潮。在这个技术潮流中, 8051 又扮演了嵌入式系统内核的重要角色。在 MCU 向 SoC 过渡的数、模混合集成的过程中, ADI 公司推出了 ADμC8xx 系列,而 Cygnal 公司则实现了向 SoC 的 C8051F 过渡;在 PLD 向 SoC 发展过程中, Triscend 公司在可配置系统芯片 CSoC 的 E5 系列中便以 8052 作为处理器内核。  

 

3 Cygnal C8051F 对 80C51 的技术突破 我们习惯于将各厂家生产的与 51 兼容的形形色色的单片机系列称之为 80C51 系列。它们都采用 CMOS 工艺,并与 MCS-51 兼容。

 

与 MCS-51 相比较, 80C51 已有很大发展。然而,当前 Cygnal 公司发展的 C8051F 系列,在许多方面已超出当前 8 位单片机水平,有许多新的技术概念需要学习与更新。

 

3.1 采用 CIP-51 内核大力提升 CISC 结构运行速度

 

迄今为止, MCS-51 已成为 8 位机中运行最慢的系列。为了提升速度, DALLAS 公司和 PHILIPS 公司采用传统的改变总线速度的办法,将机器周期从 12 个缩短到 4 个和 6 个,速度提升有限。

 

Cygnal 公司在提升 8051 速度上采取了新的途径,即设法在保持 CISC 结构及指令系统不变的情况下,对指令运行实行流水作业,推出了 CIP-

 

 

 

51 的 CPU 模式。在这种模式中,废除了机器周期的概念,指令以时钟周期为运行单位。平均每个时钟可以执行完 1 条单周期指令,从而大大提高了指令运行速度。即与 8051 相比,在相同时钟下单周期指令运行速度为原来的 12 倍;整个指令集平均运行速度为原来 8051 的 9.5 倍,使 8051 兼容机系列进入了 8 位高速单片机行列。 3.2 I/O 从固定方式到交叉开关配置

 

迄今为止, I/O 端口大都是固定为某个特殊功能的输入 / 输出口,可以是单功能或多功能, I/O 端口可编程选择为单向 / 双向以及上拉、开漏等。固定方式的 I/O 端口,既占用引脚多,配置又不够灵活。为此, Scenix 公司在推出的 8 位 SX 单片机系列中,采取虚拟外设的方法将 I/O 的固定方式转变为软件设定方式。而在 Cygnal 公司的 C8051F 中,则采用开关网络以硬件方式实现 I/O 端口的灵活配置,如图 1 所示。在这种通过交叉开关配置的 I/O 端口系统中,单片机外部为通用 I/O 口,如 P0 口、 P1 口和 P2 口。内有输入 / 输出的电路单元通过相应的配置寄存器控制的交叉开关配置到所选择的端口上。

 

3.3 从系统时钟到时钟系统

 

早期单片机都是用 1 个时钟控制片内所有时序。进入 CMOS 时代后,由于低功耗设计的要求,出现了在一个主时钟下 CPU 运行速度可选择在不同的时钟频率下操作;或设置成高、低两个主时钟,按系统操作要求选择合适的时钟速度,或关闭时钟。而 Cygnal 公司的 C8051F 则提供了一个完整而先进的时钟系统,如图 2 所示。在这个系统中,片内设置有一个可编程的时钟振荡器(无需外部器件),可提供 2 、 4 、 8 和 16 MHz 时钟的编程设定。外部振荡器可选择 4 种方式。当程序运行时,可实现内外时钟的动态切换。编程选择的时钟输出 CYSCLK 除供片内使用外,还可从随意选择的 I/O 端口输出。

 

 

3.4 从传统的仿真调试到基于 JTAG 接口的在系统调试

 

C8051F 在 8 位单片机中率先配置了标准的 JTAG 接口( IEEE1149.1 )。引入 JTAG 接口将使 8 位单片机传统的仿真调试产生彻底的变革。在上位机软件支持下,通过串行的 JTAG 接口直接对产品系统进行仿真调试。 C8051F 的 JTAG 接口不仅支持 Flash ROM 的读 / 写操作及非侵入式在系统调试,它的 JTAG 逻辑还为在系统测试提供边界扫描功能。通过边界寄存器的编程控制,可对所有器件引脚、 SFR 总线和 I/O 口弱上拉功能实现观察和控制。

 

3.5 从引脚复位到多源复位

 

在非 CMOS 单片机中,通常只提供引脚复位的 1 种方法。迄今为止的 80C51 系列单片机仍然停留在这一水平上。为了系统的安全和 CMOS 单片机的功耗管理,对系统的复位功能提出了越来越高的要求。 Cygnal 公司的 C8051F 把 80C51 单一的外部复位发展成多源复位,如图 3 所示。 C8051 的多复位源提供了上电复位、掉电复位、外部引脚复位、软件复位、时钟检测复位、比较器 0 复位、 WDT 复位和引脚配置复位。众多的复位源为保障系统的安全、操作的灵活性以及零功耗系统设计带来极大的好处。

 

3.6 最小功耗系统的最佳支持

 

在 CMOS 系统中,按照 CMOS 电路的特点,其系统功耗 WS 为

 

式中: C 为负载电容, V 为电源电压, f 为时钟频率。

 

C8051F 是 8 位机中首先摆脱 5 V 供电的单片机,实现了片内模拟与数字电路的 3 V 供电(电压范围 2.7~3.6 V ),大大降低了系统功耗;完善的时钟系统可以保证系统在满足响应速度要求下,使系统的平均时钟频率最低;众多的复位源使系统在掉电方式下,可随意唤醒,从而可灵活地实现零功耗系统设计。因此, C8051F 具有极佳的最小功耗系统设计环境。

 

C8051F 虽然摆脱了 5 V 供电,但仍可与 5 V 电路方便地连接。所有 I/O 端口可以接收 5 V 逻辑电平的输入,在选择开漏加上拉电阻到 5 V 后,也可驱动 5 V 的逻辑器件。  

 

4 8051 内核在 SoC 中再做贡献  

 

SoC 是嵌入式应用系统的最终形态。嵌入式系统应用中除了最底层最广泛应用的单片机外,基于 PLD 、硬件描述语言的 EDA 模式,基于 IP 库的微电子 ASIC 模式等,形成了众多的 SoC 解决方法。无论是微电子集成,还是 PLD 的可编程设计,或是单片机的模拟混合集成,目的都是 SoC ,手段也会逐渐形成基于处理器内核加上外围 IP 单元的模式。作为 8 位经典结构的 8051 已开始为众多厂家承认,并广泛用于 SoC 的处理器内核。  

 

4.1  从单片机向 SoC 发展的 8051 内核  

 

单片机从单片微型计算机向微控制器( MCU )发展,体现了单片机向 SoC 的发展方向,按系统要求不断扩展外围功能、外围接口以及系统要求的模拟、数字混合集成。在向 SoC 发展过程中,许多厂家引入 8051 内核构  

成 SoC 单片机。例如, ADI 公司引入 8051 内核后配置自己的优势产品 -- 信号调理电路,构成了用于数据采集的 SoC ; Cygnal 公司则为 8051 配置了全面的系统驱动控制、前向 / 后向通道接口,构成了较全面的通用型 SoC 。  

 

4.2 80C51 内核在 PLD 中的 SoC 应用  

 

基于 PLD ,采用硬件描述语言设计的电子系统是近年来十分流行的方法。在解决较大规模的智能化系统时,要求可编程逻辑门数量很大。这导致设计工作量大,资源很难充分利用,出错概率也大。随着 IP 核及处理器技术的发展,从事可编程逻辑器件的公司,在向 SoC 进军时,几乎都会将微处理器、存储单元、通用 IP 模块集成到 PLD 中构成可配置的 SoC 芯片( CSoC )。当设计人员使用这样的芯片开发产品时,由于系统设计所需部件已有 80% 集成在 CSoC 上,设计者可以节省许多精力。 Triscend 公司推出的 E5 系列 SoC 就是由以 8051 为处理器核,加上 40 KB RAM 、 WDT 、 DMA 和 4 万门带 SoC 总线的 PLD 组成,形成了一个以 8051 为内核的可编程的半定制 SoC 器件。  

 

4.3 8051 内核在可编程选择 SoC ( PSOC )器件中的应用  

 

完全基于通用 IP 模块,由可编程选择来构成产品 SoC 的设想是由 Cypress 公司倡导并推出的。这种可编程选择的 SoC 取名为 PSoC ,由基本的 CPU 内核和预设外围部件组成。 Cypress 将多种数字和模拟器件、微处理器、处理器外围单元、外围接口电路集成到 PSoC 上,用户只需按产品的功能构建自己的产品系统即可。 Cypress 公司在构建 PSoC 中的 8 位处理器时,选择了 8051 。  

 

结束语  

 

①   嵌入式应用中,由于应用对象及环境的特点, 8 位机一直占据低端应用的主流地位。  

 

②   在单片机家族中, MCS-51 是一个独特的系列。 Intel 公司创建了 8 位机的经典系列结构,并实施技术开发政策,使这个系列历经沧桑而不老。  

 

③  PHILIPS 等著名大电器商以自己在电子应用技术方面的优势,与 Intel 公司技术互补,发展了 MCS-51 ,并迅速将单片微型计算机带入了微控制器( MCU )时代,创造了许多优异的单片机产品,形成了独特的、包含许多公司兼容产品的 80C51 系列。  

 

④  Cygnal 公司推出 C8051F 系列,把 80C51 系列推上了一个崭新高度,将单片机从 MCU 带入了 SoC 时代。 C8051F 中的一些新技术定会在 8 位机中进一步普及与推广。  

 

⑤  MCS-51 从单片微型计算机( SCMC )到微控制器( MCU )再到片上系统( SoC )内核,显示了嵌入式系统硬件体系典型的变化过程。在嵌入式系统 SoC 的最终体系中, MCS-51 以 8051 处理器内核的形式延续下去。这对于国内外从事 80C51 教学和科研的广大人士来说,无论是过去、现在和未来都能感受它带来的好处。