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C8051F02X外部存儲器接口和I/O端口配置
摘要：介紹美國Cygnal公司生產的C8051F02X系列單片機的外部存儲器接口、I/O端口配置方法和有關注意的問題；在此基礎上列舉兩個關于EMIF、I/O的配置應用。關鍵詞：C8051F02X EMIF I/O 交叉開關
美國Cygnal公司C8051F02X系列單片機是集成在一起芯片上的混合信號系統級單片機。該單片機具有32/64位數字I/O端口（引腳）、25MIPS高速流水線式8051微控制器內核、64KB在系統可編程Flash存儲器、64KB地址的外部存儲器接口、4352（4096+256）B片內RAM、各自獨立的SPI、SMBUS/I2C和兩個UART串行接口等特點。其最突出的優點就是，通過設置交叉開關寄存器控制片內數字資源映射到外部I/O引腳，這就允許用戶根據自己的特定應用，選擇通用I/O端口和所需要數字資源。當然，在設置數字交叉開關寄存器時，應該首先考慮EMIF的配置問題。其配置不同，將導致單片機通過不同的端口（低或高）訪問片外存儲器和存儲器映像的I/O部件，以及數字交叉開關是否分配外部設備給P0.7(WR)、P0.6（RD）、P0.5（ALE）引腳。（如圖EMIF設置為多路器模式。）
1 EMIF和I/O配置方法
1.1 外部存儲器接口（EMIF）配置
C8051F02X系列MCU有4KB的RAM可以只映射在片內，也可以映射在64KB外部數據存儲器地址空間，還可以同時映射到片內和片外（4KB地址以內在片內存儲器空間訪問，4KB以上經過EMIF訪問）三種方式。對于后兩種存儲器工作模式，需通過外部存儲器接口使用MOVX和DPTR或MOVX和R0（R1）指令訪問外部數據存儲器和存儲器映像的I/O設備。但是對于高8位地址，必須由外部存儲器接口寄存器（EMI0CN）提供；而EMIF可將外部數據存儲器接口映射到低端口（P0～P3）（F020/2/3系列）或高端口（P4～P7）（F020/2系列），以及配置為復用模式或非復用模式等。配置外部存儲器接口的步驟下：
*設置EMIF為低端口或高端口；
*設置EMIF為復用模式或非復用模式；
*選擇存儲器模式（片內方式、無塊選擇分片方式、帶塊選擇分片方式、片外方式）；
*設置片外存儲器或片外設備時基；
*選擇相關I/O端口（寄存器PnMOUT、P74OUT）的輸出模式。
外部存儲器接口（EMI）映射為低端口（P0～P3）即PRTSEL位（EMIOCH.5）置為0，如PRTSEL位置為1，EMI映射為高端口（P4～P7）（適用于P020/2系列）。此時如果EMIFLE位（XBR2.5）被設置為邏輯1，那么，數字交叉開關將不分配外部設備給P0.7（WR）、P0.6（RD）、P0.5（ALE）引腳（如果EMI設置為多中模式）；如果EMIFLE位設為0，那么P0.7、P0.6、P0.5引腳的功能將由交叉開關寄存器或端口鎖存器來決定。外部存儲器接口只有執行片外MOVX指令期間使用相關的端口引腳，一旦MOVX指令執行完畢，端口鎖存器或交叉開關寄存器又重新恢復對端口引腳的控制。
1.2 I/O端口配置
數字交叉開關譯碼器按照被使用設備的優先權順序將端口P0～P7的引腳分配給外部數字外設。端口引腳的分配是從P0.0開始，沒有被使用的引腳可作為一般通用的I/O引腳，通過讀寫相應的端口數據寄存器訪問。在數字交叉開關寄存器XBR0、XBR1、XBR2中將相應的內部數字資源使能位置1，數字資源就映射到I/O端口引腳。例如：將UART0EN位（XBR0.2）置為1，那么，TX0和RX0引腳被分別映射到P0.0和P0.1。因為UART0具有最高的優先權，故在它的使能位置1時，TX0和RX0引腳總是被映射到P0.0和P0.1。如果一個數字外設的使能位沒有置1，它的端口的I/O引腳上是不能被訪問的。數字交叉開關寄存器被正確配置以后，通過置XBARE（XBR2.4）位1來使能交叉開關。在交叉開關使能后。P0～P3（F020/1/2/3系列）或P0～P7（F020/2系列）輸出驅動自動被禁止，從而避免了交叉開關寄存器和其它寄存器寫入時在端口引腳上產生的沖突。注意：對于由交叉開關分配的輸入引腳（如T0、INT0、RX0等），其輸出驅動自動被禁止，因此，端口數據寄存器和PnMDOUT寄存器的值對這些引腳的狀態沒有影響。
在給單片機內部數字資源分配了相應的I/O引腳后，還應設置其輸出方式：推挽和漏極開路。PnMDOUT寄存器各位決定P0～P7端口引腳的輸出方式，某一位置1，則該位為推挽輸出方式；置0，為漏極開路輸出方式。PnMDOUT寄存器控制端口引腳的輸出方式，而與交叉開關是否把端口引腳分配給數字外設無關。注意：對于由交叉開關分配的輸入引腳（如：SDA、SCL、RX0、RX1等）自動配置為漏極開路方式，而與相應的端口配置寄存器的設置無關。但對于一般的I/O引腳配置為輸入時，與這一引腳相關的PnMDOUT設置為漏極開路，同時端口配置寄存器位必須清0。
盡管在C8051F021/3中P4、P5、P6和P7沒有對應的引腳，但端口數據寄存器仍然存在，并可為軟件所用。由于數字輸入通路保持活動狀態，所以建議不要將這些引腳處于“懸空”狀態，避免因輸入浮空為無效邏輯電平而導致不必要的功率消耗。下面的三種方法可以防止這種情況的發生：
①通過將WEAKPUD（XBR2.7）設置為邏輯0來使能弱上拉部件；
②通過寫P74OUT=0xFF，將P4、P5、P6和P7的輸出方式配置為推挽方式；
③通過向端口數據寄存器寫0，將P4、P5、P6和P7的輸出狀態強制為邏輯0，即P4=0x00、P5=0x00、P6=0x00、P7=0x00。
2 EMIF和I/O端口配置應用
下面應用基于C8051F021/3單片機，也適應于C8051F020/2單片機。
*假設有一應用需要配置UART0、SMBus、UART1、INT0和INT1（8位），存儲器的工作模式為片內方式；另外，P1端口作為4×4鍵盤的接口，P2、P3口作為通用的I/O端口。該應用的EMIF和I/O端口配置如下：
①設EMI的配置寄存器FMI0CF=0x00，因為本應用無擴展存儲器和存儲器映像的I/O設備，即存儲器工作模式為片內方式；同時，將EMIFLE（XBR2.5）設置為0，這樣P0.7、P0.5的引腳將由交叉開關寄存器或端口鎖存器來決定，不被交叉開關跳過。
②按UART0EN=1、UART1EN=1、SMB0EN=1、INT0E=1、INT1E=1和EMIFLE=0，設置XBR0、XBR1、XBR2為XBR0=0x05、XBR1=0x14、XBR2=0x04。
③配置P1端口為數字輸入模式，即P1MDIN=0xFF；P1端口低四位為鍵盤輸出，高四位為輸入，即P1MDOUT=0x0FH（P1.0～P1.3為推挽方式，P1.4～P1.7為漏極開路方式），P1|=0xF0。
④使能交叉開關，即XBARE=1、XBR2=0x44。
因為EMIFLE=0，交叉開關譯碼器將不跳過P0.7、P0.6、P0.5引腳，所以按優先極交叉開關譯碼表進行分配。UART0具有最高優先極，故P0.0分配給TX0，P0.1分配給RX0；SMBus的SDA、SCL分別分配在P0.2、P0.3引腳；UART1的TX1、RX1分別分配在P0.4、P0.5引腳；INT0分配在P0.6引腳；INT1分配在P0.7引腳。
⑤設置UART0的TX0引腳（TX0、P0.0）、UART1的TX1引腳（TX1，P0.4）為推挽輸出方式，即P0MDOUT=0x11。RX0、SDA、SCL、RX1、INT0和INT1是由交叉開關分配輸入的，因此與其端口配置寄存器的值無關。
⑥P2、P3作為一般I/O端口初始化為輸入狀態，即P2MDOUT=0x00、P2=0xFF和P3MDOUT=0x00、P3=0xFF。
引腳功能如表1所列。
表1
*設現有一應用需要UART0、SMBus、UART1、INT0和INT1共8位。另外，存儲器工作方式為帶塊選擇的分片方式，EMIF為復用模式、低端口，并配置P1.2、P1.3、P1.4為模擬輸入模式，通過這三個引腳利用ADC1來測量輸入電壓。具體配置步驟如下：
①配置EMI為復用模式和工作在低端口，即PRTSEL=0，EMD2=0；存儲器模式為帶塊選擇的分片方式，即EMD1～0=10；ALE時基設為2個SYSCLK周期，即EALE1～0=01。
②按UART0EN=1、UART1EN=1、SYB0EN=1、INT0E=1、INT1E和EMIFLE=1，設置XBR0、XBR1、XBR2為XBR0=0x05、XBR1=0x14、XBR2=0x42。
③配置P1端口的P1.2、P1.3、P1.4為模擬輸入模式，這些引腳對應的位在P1MDIN寄存器中置為0，即P1MDIN=0xE3。
④使能交叉開關，即XBARE=1、XBR2=0x46。
UART0具有最高優先權，故P0.0分配給TX0，P0.1分配給RX0；依次按照優先極分配表，SMBus的SDA、SCL分配在P0.2、P0.3引腳；UART1的TX1、RX1分配在P0.4、P1.0引腳。因為EMI工作在低端口且為復用模式，交叉開關譯碼器將不分配內部數字資源給P0.7(WR)、P0.6(RD)、P0.5(ALE)，所以，RX1按次序分配在P1.0引腳，INT0分配在P1.1引腳。由于P1.2、P1.3、P1.4被配置為模擬輸入，交叉開關跳過這些引腳，故INT1分配在P1.5引腳。在執行片外MOVX指令時，EMI將驅動P2和P3端口。
⑤配置UART0的TX0引腳（TX0，P0.0）、UART1的TX1引腳（TX1，P0.4）、P0.7(WR)、P03.6(RD)、P0.5(ALE)為推挽輸出方式，即P0MDOUT=0xF1。
⑥配置EMIF的端口（P2、P3）輸出為推挽方式，即P2MDOUT=0xFF和P3MDOUT=0xFF。
⑦通過設置P1MDOUT=0x00(輸出為開漏極)和P1=0xFF(P1為高阻狀態)來禁止P1.2、P1.3、P1.4三個模擬輸入引腳的輸出驅動器。
引腳功能如表2所列。
表2
3 總結
C8051F02X具有低功耗（3V工作電壓）、大容量存儲器、高速度、高集成度等特點，廣泛應用于工業控制、測量系統、報警系統。該單片機具有雙串行口，更適合于定位和報警系統的前端，從而提高移動終端集成度和降低功耗。
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