智能处理器选择之8051微控制器技术应用

如今，嵌入式处理器被用于复杂的SoC或不太复杂的ASIC中，用于各种各样的任务。这种类型的嵌入式处理器通常体积小、功耗低，因为在许多情况下，它们是在功能更强、更耗电的处理元件闲置或进入睡眠状态以保持功率时运行的。

十多年来，ARM-Cortex M处理器一直非常受欢迎，这是因为它们具有低功耗的特点（即小的硅足迹和高代码密度），以及扩展的可用软件和硬件模块的生态系统。最近，ARM的统治地位受到了RISC-V嵌入式处理器浪潮的挑战。这些处理器具有类似的优点，并且在许可方面更具成本效益。

尽管这些ARM和RISC-V处理器得到了大量的宣传，但还有第三种处理器——比它们更历史悠久，功耗更低——已经被开发者广泛使用，但却显得有些默默无闻。它就是强大的8051，实现了近半个世纪前首次推出的8位CISC ISA......

在本文中，我们将首先快速回顾8051的历史，然后解释为什么8051仍然是一些应用的智能处理器选择。

过去的8051

英特尔在1980年推出了MCS-51单片机。它在一个紧凑的封装中集成了许多关键功能：核心CPU、接口、内存、中断和定时器。

在20世纪80年代和90年代，第三方供应商继续提供许多MCS-51兼容的变体。这些产品往往比原始芯片运行得更快或包含更多的功能，它们是各种成功产品的大脑。

如今，你仍然可以购买8051作为分立部件，但大多数设计者将它们作为IP核进行授权和使用。这些核心以软性高级语言源代码或FPGA网表格式提供，通常被集成在大型嵌入式系统中。

但为什么设计师们仍然选择8051进行现代ASIC或SoC设计？

如今的8051

8051相对容易使用，有成熟的可靠性记录，有蓬勃发展的生态系统支持，价格相当低廉，而且通常免收版税。

此外，现代8051内核的速度更快，而且有比你想象中更多的好处。(下面的例子中的详细信息基于CAST提供的8051 IP系列）。

高速性能。架构设计的改进显著提高了 8051 的性能，同时保留了与原始 MCS51 指令集的兼容性[ 8051 指令集手册，2011 年 1 月，由 ARM 在 Keil 支持文件区托管]。

最初的 Intel 8051 以每个机器周期 12 个时钟周期运行，大多数指令在一个到两个机器周期内执行。典型的最大时钟频率为12MHz，这意味着这些老式8051每秒可以执行一百万条单周期指令，或500000条双周期指令。

相比之下，今天的8051 IP核以每个机器周期一个时钟周期的速度运行，在现代技术中时钟频率接近或超过1GHz。这意味着8051现在可以每秒执行接近10亿条指令。

新的、灵活的8051核是非常强大的。32位处理器更适合许多系统元素——你当然不会把主系统总线、内存连接和其他高速接口限制在只有8位宽的数据路径上。但在先进的SoC中，有许多命令和控制功能，8位通道是绰绰有余的。

对原始8051的许多内置功能的补充也提高了控制器的能力，一个良好的可配置8051内核可以很轻松地包含你对特定用途的确切需要。参考图A，了解8051 IP核可用的许多功能和选项的一个示例。

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

显著的尺寸和功耗优势。即使是针对嵌入式控制器市场的精简的32位处理器——如CAST的BA20系列或ARM Cortex-M，当你检查它们的资源消耗时也不如8051。

考虑一下面积。图A所示的R8051XC2核心的CPU不到4000个门，而整个微控制器连同其外设大约是12000个门。相比之下，小型的32位内核开始于15,000个门！8051较小的尺寸意味着较小的泄漏功率，这在考虑具有长闲置时间的设备时有着极其重要的意义。

活动时的功耗在很大程度上取决于代码密度。从存储代码的存储单元（片外或片上闪存，或片上SRAM）获取指令所需的能量通常比CPU执行该指令所需的能量要多。另外，一般来说，传输和存储较少数量的代码需要较少的能量。此外，8051是一个CISC（复杂指令集计算机）引擎，在不涉及大量数据处理的应用时，内存到内存的复杂操作与任何RISC竞争对手相比有真正的代码大小优势。

非常有竞争力的成本。经过硅验证的优秀的8051 IP核的授权只需数万美元，而且没有任何专利费。没有任何32位处理器的授权能接近这种低成本或有吸引力的商业模式。此外，8051可以在非常小的FPGA设备中运行，或只占用片上系统ASIC的一小部分，而32位处理器需要更多的硅资源。

简单的开发。使用8051的最大好处之一是已建立的庞大的生态系统和编程遗产，这使得8051的开发比任何其他MCU都更容易。例如，ARM的Keil、IAR的8051嵌入式工作台，或开源的SDCC和Eclipse IDE，都是软件开发人员对编译器和IDE的一些选择。补充这些工具的是一些IP供应商提供的完整软件包和内置调试功能。例如，CAST 8051内核包括一个单线或JTAG调试接口，可与第三方IDE无缝操作。

总的来说，一系列的集成外设选项、独特的片上调试模块以及通过数百位先前成功的8051客户打磨出来的文档和支持服务，使得这样的8051封装成为一个安全的选择。现如今，8051被用于几乎所有可能应用的领域的各种产品（见下图），包括汽车、消费电子、机器人、工业控制、医疗设备以及军事和航空航天设备。

有充分的证据表明8051一直很受欢迎，只要看看入门的EE大学课程，最近在视频网站上发布的教程和解释，以及仍在出版的新书。偶尔也会有些案例研究文章和客户推荐的新闻稿，如 "SDIC Licenses 8051 Microcontroller IP Cores from CAST"。

8051的未来 —— 结论

8051微控制器不再是人们关注的焦点，但它们仍然被广泛用于各式各样的产品中。只要它们能完成手头的任务，它们就会被继续使用，因为它们结合了一系列难以被忽视的独特优势：体积小、代码密度高、功耗低、高度可靠和经过验证的IP核、丰富的生态系统和有竞争力的成本。

基本的32位处理器，如ARM的Cortex-M0或其RISC-V等价物是一种选择，但值得考虑的是，你的系统是否可能更小、功率更低，并且与当今任何优秀的8051 IP核解决方案配合使用都很好。

编辑：黄飞