Семейства х51 микроконтроллеров фирмы Cygnal Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Компоненты и технологии, № 1'2002

Семейства х51микроконтроллеров

фирмы Cygnal

Читатель журнала, интересующийся микропроцессорной и микроконтроллерной техникой, наверняка знает, как динамично развивается современная элементная база. Еще совсем недавно пресса восхищалась новыми микроконтроллерами фирм Atmel и Microchip. И вот на рынке появились новые мощные микроконтроллеры от фирмы Cygnal.

Олег Николайчук

info@atos.ru

Мощные микроконтроллеры от фирмы Cygnal продолжают развитие ставших промышленным стандартом de facto микроконтроллеров семейства х51. В то же время они содержат на кристалле много очень полезных подсистем, которые превращают старый добрый микроконтроллер серии х51 в мощную высокоинтег-рированную систему обработки сигналов. Но об этом немного позже. Прежде следует сказать несколько слов о фирме-производителе.

Полное название компании — Cygnal Integrated Products, Inc. Это молодая компания, которая была основана в марте 1999 года. Ее стартовый капитал составил 16 млн долларов, и организована она была на инвестиции ряда известных компаний: Austin Ventures, Jato Tech, Sanyo Semiconductor, Cirrus Logic. Фирма расположена в столице штата Техас, городе Austin. Направлением деятельности является разработка, производство и распространение однокристальных высокоинтегрированных систем обработки данных, состоящих из эффективных аналого-цифровых узлов, высокопроизводительного ядра х51 и Flash-памяти.

Организовали фирму Cygnal три известных и опытных личности:

Derrell C. Coker — президент и руководитель исполнительного офиса компании. До марта 1999 г. он девять лет работал в Benchmarq Microelectronics, а также был вице-президентом Dallas Semiconductor и главным менеджером в Mostek Corporation;

Donald E. Alfan — вице-президент по маркетингу продаж. До этого был директором по маркетингу на TelCom Semiconductor и Dallas Semiconductor;

Douglas R. Holberg — доктор наук, вице-президент по инженерии и руководитель технического руководства. Он является видным специалистом в области создания смешанных аналого-цифровых узлов на CMOS. До начала своей деятельности в фирме Cygnal он был директором по изображениям и видеопродуктам на Crystal Semiconductor — Cirrus Logic.

Такой опытный и известный состав руководства позволил за неполные три года существования фирмы разработать и выпустить на рынок четыре

новых семейства х51-совместимых микроконтроллеров [1].

Первое семейство микроконтроллеров C8051F00x - C8051F01x

Первое семейство насчитывает 12 типов микроконтроллеров, отличающихся производительностью, объемом встроенной оперативной памяти IRAM, типом корпуса и некоторыми другими параметрами. Все характеристики этого семейства микроконтроллеров приведены в таблице 1.

Рассмотрим основные особенности этого семейства.

Все микроконтроллеры этого семейства имеют развитые узлы аналогового ввода-вывода.

На кристалле имеется аналого-цифровой преобразователь ADC с разрядностью 12 или 10 бит, оснащенный программно-управляемыми входным усилителем и аналоговым мультиплексором. Для входного усилителя может быть программно установлен коэффициент усиления, равный 16, 8, 4, 2, 1 или 0,5. Аналоговый мультиплексор на 8 или 4 входа может быть настроен как однополярный или с дифференциальным входом. Аналого-цифровой преобразователь не имеет «пропущенных» кодов и имеет погрешность ±1 младший разряд. Имеется возможность генерации прерываний при изменении значения аналогового сигнала. Кроме этого, имеется интегрированный датчик температуры, позволяющий измерять температуру кристалла с точностью ±3 °С.

Все микроконтроллеры этого семейства имеют два быстродействующих (время установления 10 мкс) цифро-аналоговых 12-разрядных преобразователя DAC с выходом по напряжению.

Имеется также 2 или 1 аналоговый компаратор с 16 значениями программно устанавливаемого гистерезиса. Они могут быть настроены на формирование сигнала сброса или прерывания.

Кроме того, имеется встроенный источник опорного напряжения на 2,4 В.

Все микроконтроллеры работают от источника питания 2,7-3,6 В. Потребляемый ток не превыша-

Компоненты и технологии, № 1'2002

Таблица 1

ХАРАКТЕРИСТИКА C8051F000 C8051F001 C8051F002 C8051F005 C8051F006 C8051F007 C8051F010 C8051F011 C8051F012 C8051F015 C8051F016 C8051F017

Производительность, MIPS 20 20 20 25 25 25 20 20 20 25 25 25

Flash Memory, K 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32

IRAM 256 256 256 2,25 K 2,25 K 2,25 K 256 256 256 2,25 K 2,25 K 2,25 K

Разрядность ADC (100ksps) 12 12 12 12 12 12 10 10 10 10 10 10

Количество входных каналов ADC 8 8 4 8 8 4 8 8 4 8 8 4

Коэффициент усиления входов 16; 8; 4; 2; 1; 0,5

Встроенный датчик температуры + + + + + + + + + + + +

Количество DAC 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

Разрядность DAC 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12

Количество компараторов 2 2 1 2 2 1 2 2 1 2 2 1

Наличие встроенной системы JTAG + + + + + + + + + + + +

Количество линий ввода/вывода 32 16 8 32 16 8 32 16 8 32 16 8

Наличие интерфейсов I2C, SPI, UART

16-разрядный таймер-счетчик + + + + + + + + + + + +

Количество 16-разрядных таймеров 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4

Наличие охранного таймера WDT + + + + + + + + + + + +

Встроенный монитор питания + + + + + + + + + + + +

Встроенный прогр. генератор 2-16 MHz

Температурный диапазон, °С -40°С :+85°С

Тип корпуса TQFP TQFP LQFP TQFP TQFP LQFP TQFP TQFP LQFP TQFP TQFP LQFP

Количество выводов 64 48 32 64 48 32 64 48 32 64 48 32

Диапазон напряжений питания, В 2,7 В- 3,6 В

Рабочий ток потребления, мА 10 10 10 12 12 12 10 10 10 12 12 12

ет 10 мА при частоте 20 МГц (12 мА при частоте 25 МГц). Все микроконтроллеры имеют встроенный монитор контроля питания (супервизор).

Важным преимуществом этого семейства является развитая встроенная система отладки программного обеспечения, так называемая JTAG. При наличии фирменного программно-аппаратного обеспечения (стоимостью 99$) система обеспечивает отладку программ по точкам останова, в пошаговом режиме, в режиме останова по истечении заданного времени. При этом имеется возможность проверки и модификации значений памяти и регистров.

Все микроконтроллеры имеют высокопроизводительное х8051-совместимое ядро, 70 % инструкций выполняются за 1 или 2 системных такта. Ядро оснащено развитой системой прерываний (до 22 источников).

Характеристики памяти и портов ввода/вывода приведены в таблице. ИазЬ-па-мять всех микроконтроллеров программируется внутрисхемно. Следует подчеркнуть, что все входы и выводы совместимы с внешними 5-вольтовыми микросхемами. Набор периферии (таймеры, интерфейсы) также приведен в таблице. Примечательно, что в набор входит охранный таймер WDT. На кристалле имеется программируемый встроенный генератор 2-16 МГц. Микросхема может программироваться на работу с кварце-

вым резонатором, времязадающей ИС-це-почкой, только конденсатором или внешним генератором — причем переключение между режимами возможно в ходе выполнения программы. Все микросхемы имеют режимы энергосбережения.

Подробно с параметрами и режимами работы микроконтроллеров этого семейства можно ознакомиться в документе [2], кратких справочных листах (имена которых образуются добавлением к типу микроконтроллера short.pdf, например C8051F002_short.pdf) и на многочисленных примерах на сайте производителя [1].

На рис. 1 в качестве примера приведена структура микроконтроллера С805^000 [3].

Второе семейство микроконтроллеров С8051Р02х

Второе семейство насчитывает всего 4 типа микроконтроллеров, отличающихся от первого семейства наличием второго быстродействующего аналого-цифрового преобразователя, большим объемом встроенной оперативной памяти ШАМ и Flash-памяти программ, наличием двух последовательных интерфейсов иАИТ, типом корпуса и некоторыми другими параметрами. Все характеристики этого семейства микроконтроллеров приведены в таблице 2.

Второе семейство микроконтроллеров более мощное, чем первое.

Как и в первом семействе, на кристалле имеется аналого-цифровой преобразователь ADC с разрядностью 12 или 10 бит, оснащенный программно-управляемыми входным усилителем и аналоговым мультиплексором. Его параметры и возможности такие же, как и у первого семейства.

Кроме того, на кристалле имеется второй высокопроизводительный восьмиразрядный ADC, оснащенный программно-управляемыми входным усилителем и аналоговым мультиплексором. Для входного усилителя может быть программно установлен коэффициент усиления, равный 4, 2, 1 или 0,5. Аналоговый мультиплексор имеет 8 входов.

Как и в первом семействе, все микроконтроллеры имеют два быстродействующих 12-разрядных DAC и 2 аналоговых компаратора, а также встроенный источник опорного напряжения на 2,4 В. Все микроконтроллеры работают от источника питания 2,7-3,6 В. Потребляемый ток не превышает 10 мА при частоте 25 МГц. Все микроконтроллеры имеют встроенный монитор контроля питания (супервизор). Важным преимуществом этого семейства является более развитая встроенная система отладки программного обеспечения, так называемая «JTAG DEBUG & BOUNDRY SCAN». При наличии фирменного программно-аппаратного обеспечения (стоимостью

Компоненты и технологии, № 1'2002

е

VDD Е

VDD Е

VDD Е

DGND Е

DGND Е

DGND IS

AV+ Е-

AV+ Е-

AGND Е"

AGND Е-

Port I/O Config.

Digital Power

, Analog Powgr

JTAG Boundry Scan

Logic Emulation HW

32kbyte FLASH

UART

SMBus

SPI Bus

PCA

Timer 0

Timer 1

Timer 2

С

■ R. O

. S

s в

A

• R«

PO.O P0.1 P0.2 P0.3 PCU P0.5 P0.6 P0.7

«H—»s

Timer 3

/RST g

XTAL1 E XTAL2 E

Рис. 1. Структура микроконтроллера первого семейства C8051F000

е

$129) система обеспечивает отладку программ по точкам останова, в пошаговом режиме, в режиме останова по истечении заданного времени. При этом имеется возможность проверки и модификации значений памяти и регистров.

Все микроконтроллеры имеют высокопроизводительное х8051-совместимое ядро, 70 % инструкций выполняются за 1 или 2 системных такта. Ядро оснащено развитой системой прерываний (до 22 источников).

Характеристики памяти и портов ввода-вывода приведены в таблице. БЫЬ-память всех микроконтроллеров программируется внут-рисхемно. Следует подчеркнуть, что все входы и выводы совместимы с внешними пяти-вольтовыми микросхемами. Кроме того, имеется высокопроизводительный параллельный интерфейс с внешней памятью (до 5 Мб/с). Набор периферии (таймеры, интерфейсы) также приведен в таблице. В отличие от предыдущего семейства имеется два универсальных последовательных порта иЛИТ. В состав входит также охранный таймер WDT. На кристалле имеется программируемый встроенный генератора 2-16 МГц. Микросхема может программироваться на работу с кварцевым резонатором, времязадающей ИС-цепочкой, только конденсатором или внешним генера-

тором — причем переключение между режимами возможно в ходе выполнения программы. Все микросхемы имеют режимы энергосбережения.

Подробно с параметрами и режимами работы микроконтроллеров этого семейства можно ознакомиться в документе [4], кратких справочных листах и примерах по примене-нию[1].

На рис. 2 приведена структура микроконтроллера C8051F020 [5].

Третье семейство микроконтроллеров C8051F2xx

Третье семейство насчитывает 7 типов микроконтроллеров, основные характеристики которых приведены в таблице 3.

Как видно из таблицы 3, это семейство микроконтроллеров менее мощное, чем первое. Только в четырех микросхемах имеется ADC, зато с большим числом входов мультиплексора. Только в одной модели имеется программно-управляемый входной усилитель и разрядность ADC равна 12 битам. Остальные ADC — восьмиразрядные. Во всех моделях, имеющих аналоговый мультиплексор, переопределение входов можно производить в ходе выполнения программы.

Все микроконтроллеры работают от источника питания 2,7-3,6 В. Потребляемый ток не превышает 9 мА при частоте 25 МГц. Все микроконтроллеры имеют встроенный монитор контроля питания (супервизор).

Микроконтроллеры этого семейства имеют обычный JTAG (как у первого семейства). При наличии фирменного программно-аппаратного обеспечения (стоимостью 99$) система обеспечивает отладку программ по точкам останова, в пошаговом режиме, в режиме останова по истечении заданного времени. При этом имеется возможность проверки и модификации значений памяти и регистров.

Все микроконтроллеры имеют высокопроизводительное х8051-совместимое ядро, 70 % инструкций выполняются за 1 или 2 системных такта. Ядро оснащено развитой системой прерываний (до 21 источников).

Характеристики памяти и портов ввода-вывода приведены в таблице. ИазЬ-память всех микроконтроллеров программируется внутрисхемно. Все входы и выводы совместимы с внешними пяти-вольтовыми микросхемами. Набор периферии (таймеры, интерфейсы) также приведен в таблице (в состав входит охранный таймер WDT). На кристалле имеется программируемый встроенный генератор 2-16 МГц. Микросхема

Компоненты и технологии, № 1'2002

Таблица 2

ХАРАКТЕРИСТИКА C8051F020 C8051F021 C8051F022 C8051F023

Производительность, MIPS 25 25 25 25

Flash Memory, K 64 64 64 64

IRAM, К 4.25 4.25 4.25 4.25

Разрядность первого ADC (100 ksps) 12 12 10 10

Количество входных каналов первого ADC 8 8 8 8

Коэффициент усиления входов первого ADC 16; 8; 4; 2; 1; 0,5

Встроенный датчик температуры + + + +

Количество DAC 2 2 2 2

Разрядность второго ADC (500 ksps) 8 8 8 8

Количество входных каналов второго ADC 8 8 8 8

Коэффициент усиления входов второго ADC 4; 2; 1; 0,5

Разрядность DAC 12 12 12 12

Количество компараторов 2 2 2 2

Наличие встроенной расширенной системы JTAG + + + +

Количество линий ввода/вывода 64 32 64 32

Наличие интерфейсов I2C, SPI, 2 x UART

16-разрядный таймер-счетчик + + + +

Количество 16-разрядных таймеров 5 5 5 5

Наличие охранного таймера WDT + + + +

Встроенный монитор питания + + + +

Встроенный программируемый генератор 2-16 МГц

Температурный диапазон, °С -40°С ... +85°С

Тип корпуса TQFP TQFP TQFP TQFP

Количество выводов 100 64 100 64

64 100 64 100

Диапазон напряжений питания, В 2,7 В-3,6 В

Рабочий ток потребления, мА 10 10 10 10

VDD VDD VDD IS-DGND H" DGND DGND

AV+ H-AV+ H-AGND _ AGND H"

TCK IS— TMS g— TDI IS— TDO SI-

MONEN

Digital Power

Analog Power

JTAG Boundry Scan

Logic Debug HW

SFR Bus

64kbyte FLASH

256 byte RAM

4kbyte RAM

Рис. 2. Структура микроконтроллера второго семейства C8051F020

Port I/O Config.

UARTO

UART1

SMBus

SPI Bus

PCA

Timer 0,

Timer 3/ RTC

P0, PI, P2, P3 Latches

Crossbar Config.

PO Drv

PI Drv

P2 Drv

P3 Drv

8:1

PO.O PO .7

I P1.0/AIN1.0 I P1.7/AIN1.7

I P2.Û I P2.7

I P3.0 I P3.7

] VRE Fl

External Data Memory Bus

Bus Control

Address Bus

Data Bus

P4 Latch

to-

P4

DRV

«И P4.0

■¿Я P4.4

P4.5/ALE P4.6/RD ~ P4.7/WR

P5 Latch

УН

P5

♦-ЧЕ1

P5.0/A0

P6 Latch

ЧН

DRVJWH P5.7/A7 P6.0/A8

P6

DRVLVlXI P6.7/A15

P 7 Latch

P7.0/D0 P7.7/D7

P 7

DRVUVH

Компоненты и технологии, № 1'2002

Таблица 3

ХАРАКТЕРИСТИКА C8051F206 C8051F220 C8051F221 C8051F226 C8051F230 C8051F231 C8051F236

Производительность, MIPS 25 25 25 25 25 25 25

Flash Memory, K 8 8 8 8 8 8 8

IRAM 1,25 Кк 256 256 1,25 K

Разрядность ADC (100ksps) 12 8 8 8

Количество входных каналов ADC 32 32 22 32

Коэффициент усиления входов 16, 8, 4, 2, 1, 0.5 +

Количество компараторов 2 2 2 2 2 2 2

Наличие встроенной системы JTAG + + + +

Количество линий ввода/вывода 32 32 22 32 32 22 32

Наличие интерфейсов SPI, UART

Количество 16-разрядных таймеров 3 3 3 3 3 3 3

Наличие охранного таймера WDT + + + + + + +

Встроенный монитор питания + + + +

Встроенный прогр. генератор 2-16 MHz

Температурный диапазон, °С -40°С...+85°С

Тип корпуса TQFP TQFP LQFP TQFP TQFP LQFP TQFP

Количество выводов 48 48 32 48 48 32 48

Диапазон напряжений питания, В 2,7 В-3,6 В (9 мА)

может программироваться на работу с кварцевым резонатором, времязадающей ИС-це-почкой, только конденсатором или внешним генератором, причем переключение между режимами возможно в ходе выполнения программы. Все микросхемы имеют режимы энергосбережения.

Подробно с параметрами и режимами работы микроконтроллеров этого семейства можно ознакомиться в документе [6], кратких справочных листах и примерах по применению [1].

На рис. 3 приведена структура микроконтроллера С8051Б220 [7].

Четвертое семейство микроконтроллеров С8051Р3хх

Четвертое семейство насчитывает всего 4 типа микроконтроллеров, зато это, пожалуй, самые маленькие из х51-совместимых микроконтроллеров. Эти микроконтроллеры имеют оригинальный корпус с размерами всего 3 3 мм и 11 выводами (рис. 5). Основные характеристики этого семейства приведены в таблице 4.

Четвертое семейство содержит уникальные малогабаритные микроконтроллеры. Два ми-

кроконтроллера имеют восьмиканальные восьмиразрядные ADC.

Все микроконтроллеры работают от источников питания 2,7-3,6 В. Потребляемый ток не превышает 5,8 мА при частоте 25/20 МГц.

Все микроконтроллеры имеют высокопроизводительное х8051 — совместимое ядро, 70 % инструкций выполняются за 1 или 2 системных такта. Ядро оснащено системой прерываний.

Микроконтроллеры этого семейства имеют встроенную систему отладки.

Характеристики памяти и портов ввода-вывода приведены в таблице. ИазЬ-память всех

VDD VDD

Analog/ Digital Power

ТСК й-TMS g-TDI й-TDO 13«

JTAG Logic

Debug HW

/RST EH-

Reset

MONEN

XTAL1 H-XTAL2 EH

VDD Monitor

WDT

External Oscillator Circuit

Internal Oscillator

System Clock

FLA!

ivte ,SH

256 byte RAM

SFR Bus

Clock & Reset Configutatin

Рис. 3. Структура микроконтроллера третьего семейства C8051F220

РО.О/ТХ

P0.1/RX

P0.2//INT0

P0.3//INT1

Р0.4/Т0

Р0.5/Т1

Р0.6/Т2

Р0.7/Т2ЕХ

Р1.0/СР0+ Р1.1/СР0-Р1.2/СР0 Р1.3/СР1 + Р1.4/СР1-Р1.5/СР1 PI .6/SY5CLK PI .7

P2.0/NSS

P2.1/MISO

P2 2/MOSI

P2.3/SCK

Р2.4

Р2.5

Р2.6

Р2.7

VREF

Компоненты и технологии, № 1'2002

Таблица 4

ХАРАКТЕРИСТИКА C8051F300 C8GS1F3G1 C8051F302 C8GS1F3G3

Производительность, MIPS 25 25 25 25

Flash Memory, K В В В В

IRAM 25ó 25ó 25ó 25ó

Разрядность ADC (500ksps) В В

Количество входных каналов ADC В В

Коэффициент усиления входов 4; 2; l; G,5

Встроенный датчик температуры

Количество компараторов 1 1 1 1

Наличие встроенной системы отладки t t t t

Количество линий ввода/вывода В В В В

Наличие интерфейсов SMBus, UART

16-разрядный таймер-счетчик

Количество 16-разрядных таймеров З З З З

Наличие охранного таймера WDT t t t t

Таймер реального времени t t t t

Встроенный монитор питания t t t t

Встроенный генератор, МГц 25 25 2G 2G

Температурный диапазон, °С -4G°C ...+В5°С

Тип корпуса 11-Pin Micro Lead

Диапазон напряжений питания, В 2,7 В-3,ó В (5,В мА)

микроконтроллеров программируется внут-рисхемно. Следует подчеркнуть, что все входы и выводы совместимы с внешними пяти-вольтовыми микросхемами. Набор периферии (таймеры, интерфейсы) также приведен в таблице (в состав входит также охранный таймер WDT).

На кристалле имеется непрограммируемый встроенный генератор на 25 (300, 301) или 20 (302, 303) МГц. Из-за этого работа UART для моделей 300, 301 (25 МГц) допускает вероятность 2 % ошибки.

Рис. 5. Корпус микроконтроллера четвертого семейства

Подробно с параметрами и режимами работы микроконтроллеров этого семейства можно ознакомиться в документе [8], кратких справочных листах и примерах по применению [1].

На рис. 4 приведена структура микроконтроллера C8051F300 [9].

Заключение

Описанные в данной статье микроконтроллеры компании Cygnal являются мощными интегрированными системами сбора и обработки аналоговых сигналов, в которых высокопроизводительное и «традиционное» ядро микроконтроллеров семейства х51 удачно сочетается с аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми узлами с входными мультиплексорами и программируемыми усилителями. Микросхемы оснащены достаточно большими объемами Flash-памяти с внутрисхемным программированием, а многие из них — еще

и достаточно большим объемом встроенной оперативной памяти. Пониженное напряжение питания обеспечивает малые токи потребления при достаточно высоких тактовых частотах, но это никак не сказывается на стыковке этих микросхем с традиционными пя-тивольтовыми микросхемами. Некоторые представители этих семейств являются практически завершенными микроконтроллерными системами с очень широким спектром применений.

Литература

1. http://www.cygnal.com

2. c8051fxxx.pdf

3. c8051f000_short.pdf

4. c8051f02x.pdf

5. c8051f020_short.pdf

6. c8051f2xx.pdf

7. c8051f220_short.pdf

8. c8051f3xx.pdf

9. c8051f300_short.pdf

Anqlog/Digitql

Power

GND Kb^L

C2D-«-

/RST/C2CK I

Debug HW

Reset

POR

BrownOut

XTAL1 -XTAL2 -

External \

Oscillator —►

Circuit System Clock r

2% e

Internal —►

Oscillator

8 kbyte FLASH

256 byte SRAM

SFR Bus 4-

Рис. 4. Структура микроконтроллера четвертого семейства C8051F300

PortO Latch

UART

Timer 0,

1,2/RTC

РСА/ WDT

SMBus

C2D-«-i

I Temp

8-bit 500ksps ADC

AIN0-AIN7

HE P0 O/VREF

HE po 1

HE po 2/XTAL1

HE po 3/XTAL2

HE po 4/TX

HE po 5/RX

HE po 6/CNVST

HE po 7/C2D