2.1 MCS-51和CC2530微处理器_面向物联网的嵌入式系统开发：基于CC2530和STM32微处理器-QQ阅读男生轻小说网

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2.1 MCS-51和CC2530微处理器

MCS-51 微处理器（也称为单片机）是最早的且开始运用于工业的 8 位微处理器，当今的许多微处理器都借鉴了 MCS-51 微处理器的设计思路。随着技术的发展，许多高性能微处理器出现以后，具有不同特殊功能的微处理器运用在每个不同行业，这其中就有集成有物联网ZigBee网络单元的具有广泛使用的CC2530微处理器。

2.1.1 MCS-51微处理器

1.MCS-51微处理器系列

MCS-51指由Intel公司生产的一系列51内核的微处理器总称，这一系列微处理器的产品众多，包括了如8031、8051、8751、8032、8052、8752等多个种类，其中8051是最早、最典型的产品，该系列其他微处理器都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的，因此MCS-51微处理器又通称为8051微处理器。后来Intel公司将MCS-51的核心技术进行了技术授权，因此很多公司都推出了8051核心相关的微处理器产品。

早期Intel公司在51内核下开发的微处理器中主要有两个微处理器系列，这两个系列分别是51系列和52系列。

51系列是基本型，包括8051、8751、8031、8951，这四个机型的区别仅在于片内程序储存器。8051为4 KB的ROM，8751为4 KB的EPROM，8031片内无程序储存器，8951为4 KB的EEPROM。其他性能结构一样，有片内128 B的RAM，2个16位定时器/计数器，5个中断源。其中8051性价比较高又易于开发所以应用面较为广泛。

52系列是增强型，有8032、8052、8752、8952四个机型。8052的ROM为8 KB，RAM为256 B；8032的RAM也是256 B，但没有ROM，这两种微处理器比8051和8031多了一个定时器/计数器，增加了一个中断源。

2.MCS-51微处理器的基本组成

MCS-51 微处理器由中央处理器（CPU）、振荡器和时序电路、程序存储器（ROM/EEPROM）、数据存储器（RAM）、并行I/O接口（P0～P3接口）、串行通信接口、定时器/计数器，以及内外中断系统等多个部件组成。这些部件通过总线连接，并集成在一块半导体芯片上，即可构成单片微型计算机（Single-Chip Microcomputer）。8051功能框图如图2.1所示。

图2.1 8051功能框图

MCS-51处理器包含微机硬件系统所必需的各种功能部件，几个重要功能部件如下。

（1）1个8位的中央处理器（CPU，具有微处理器功能）和1个全双工的异步串行口。

（2）2个16位定时器/计数器。

（3）3 个逻辑存储空间：64 KB 的程序存储器空间（包括 4 KB 的片内程序存储器ROM）；128 B的内部数据存储器（RAM）；64 KB的数据存储器空间。

（4）4个双向并可按位寻址的I/O口。

（5）5个中断源，具有两个优先级。

（6）片内还有振荡器和时钟电路。

1）中央处理器

MCS-51内部有一个8位CPU（8位是CPU的字长，指CPU对数据的处理是按一个字节进行的），它像通常的微处理器一样，也是由算术逻辑运算单元（ALU）、定时控制部件（即控制器）和各种专用寄存器等组成的。

（1）运算器。运算器是计算机的运算部件，用于实现算术逻辑运算、位变量处理、移位和数据传送等操作。它是以ALU为核心，加上累加器（ACC）、寄存器群B、程序状态字（PSW）以及十进制调整电路和专门用于位操作的布尔处理器等组成的。

（2）控制器。控制器是计算机的控制部件，它包括程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器（ID）、数据指针（DPTR）、堆栈指针（SP）以及定时控制与条件转移逻辑电路等。它对来自存储器中的指令进行译码，并通过定时和控制电路在规定的时刻发出各种操作所需要的控制信号，使各部件协调工作，完成指令所规定的操作。

2）定时器/计数器

8051内有两个16位的定时器/计数器：定时器/计数器0和定时器/计数器1。它们分别由两个8位寄存器组成，即T0由TH0（高8位）和TL0（低8位）构成，同样T1由TH1 （高8位）和TL1（低8位）构成，地址依次是8AH～8DH。这些寄存器用来存放定时或计数的初值。

3）串行通信口

8051内部有一个串行数据缓冲寄存器（SBUF），它是可直接寻址的特殊功能寄存器，地址为 99H。在机器内部，SBUF 实际是由两个 8 位寄存器组成的，一个作为发送缓冲寄存器，另一个作为接收缓冲寄存器，二者由读写信号区分，但都是使用同一个地址 99H。8051内部还有串行口控制寄存器（SCON）、电源控制及波特率选择寄存器（PCON），它们分别用于在串行数据通信中控制和监视串行口工作状态，以及串行口波特率的倍增控制。

4）中断系统

8051共有五个中断源，分别是外部中断0、定时器中断0、外部中断1、定时器中断1和串口中断，每个中断分为高级和低级两个优先级别，常用于实时控制、故障自动处理、计算机与外设间传送数据及人机对话等。

5）并行I/O接口

接口电路是微机应用系统中必不可少的组成部分，其中并行I/O接口是CPU与外部进行信息交换的主要通道。

MCS-51单片机内部有4个并行的I/O接口电路，分别是P0、P1、P2、P3，它们都是双向口，既可以输入又可以输出。P0、P2口经常用于外部扩展存储器时的数据、地址总线，P3口除了可用于I/O口，每一根都有第二功能。通过这些I/O接口，单片机可以外接键盘、显示器等外围设备，还可以进行系统扩展，以解决片内硬件资源不足问题，P0口结构内部如图2.2所示。

图2.2 P0口内部结构图

2.1.2 CC2530微处理器

1.CC2530基本知识

CC2530是一款性能强大和被深度定制的微处理器，其硬件设计和部件均由相关的缩写来表示，后文中也将大量使用硬件的缩写对 CC2530 的硬件进行描述，因此了解 CC2530相关硬件结构的缩写有利于对后文的阅读和理解，英文缩写与具体含义对应如表2.1所示。

表2.1 CC2530的英文缩写与具体含义

续表

2.CC2530微处理器

CC2530 微处理器是 TI 公司生产的一种系统级 SoC 芯片，适用于 2.4 GHz 的 IEEE 802.15.4、ZigBee 和 RF4CE 应用。CC2530 包括性能极好的 RF 收发器、工业标准增强型8051 MCU、可编程的闪存、8 KB的RAM，以及许多其他功能强大的特性，具有不同的运行模式，使得它特别适合超低功耗要求的系统，结合TI公司的业界领先的ZigBee协议栈（Z-Stack），提供了一个强大和完整的ZigBee解决方案。

CC2530可广泛应用在2.4 GHz的IEEE 802.15.4系统、家庭/建筑物自动化、照明系统、工业控制和监视、农业养殖、远程控制、消费型电子、家庭控制、计量和智能能源、楼宇自动化、医疗等领域，在物联网中有着极为广泛的应用，具有以下特性。

（1）功能强大的无线前端。具有2.4 GHz的IEEE 802.15.4标准射频收发器，接收器具有出色的灵敏度和较强的抗干扰能力，可编程输出功率为+4.5 dBm，总体无线连接为102 dBm，仅需极少量的外部元件，支持运行网状网络系统，适合系统配置，符合世界范围的无线电频率法规，如欧洲电信标准协会ETSI EN 300 328和EN 300 440（欧洲）、FCC的CFR47第15部分（美国）和ARIB STD-T-66（日本）。

（2）功耗低，接收模式为24 mA，发送模式（1 dBm）为29 mA，功耗模式1（4μs唤醒）为0.2 mA，功耗模式2（睡眠计时器运行）为1μA，功耗模式3（外部中断）为0.4μA，宽电源电压范围为2～3.6 V。

（3）采用高性能和低功耗8051微处理器内核，具有32/64/128/256 KB的系统可编程闪存，8 KB的内存保持在所有功率模式，支持硬件调试。

（4）具有丰富的外设接口。例如，强大的5通道DMA，IEEE 802.15.4标准的MAC定时器，通用定时器（1个16位、2个8位），红外线发生电路，32 kHz的睡眠计时器和定时捕获，CSMA/CA 硬件支持，精确的数字接收信号强度指示/LQI 支持，电池监视器和温度传感器，8通道12位ADC（可配置分辨率），AES加密安全协处理器，2个强大的通用同步串口，21个通用I/O引脚，看门狗定时器。

（5）应用领域广泛，例如，2.4 GHz的IEEE 802.15.4标准系统、RF4CE遥控控制系统（需要大于64 KB）、ZigBee系统、楼宇自动化、照明系统、工业控制和监测、低功率无线传感器网络、消费电子、健康照顾和医疗保健。

3.CC2530与8051

CC2530采用增强型8051内核，该内核使用标准的8051指令集。因为以下原因，其指令执行比标准的8051更快。

 每个指令周期是1个时钟周期，而标准的8051内核每个指令周期是12个时钟周期；

 消除了总线状态的浪费。

因为一个指令周期与可能的内存存取是一致的，所以大多数单字节指令可以在1个时钟周期内完成执行。除了提高了速度，增强型8051内核还在结构上进行了改善，例如：

 第二个数据指针；

 一个扩展的18个中断单元。

8051内核的对象代码兼容业界标准的8051微处理器，即对象代码使用业界标准的8051编译器或汇编器进行编译，在功能上是相同的。但是，因为8051内核使用了不同于许多其他8051类型的一个指令时序，带有时序循环的代码可能需要修改，而且由于定时器和串行接口等外设单元不同于其他的8051内核，使用外设单元SFR的指令的代码可能会无法正确运行。

CC2530 的内核在计算能力、执行效率、内存空间、片上资源等方面，相较于传统的8051微处理器有了较大的提升。

4.CC2530资源

CC2530具有丰富的片上外设和内存资源，除了使用增强型8051内核，还有众多的总线结构上的优化。CC2530结构框图如图2.3所示。

根据图2.3可知，CC2530硬件结构大致可以分为三个部分：CPU和内存相关的模块；片上外设、时钟和电源管理相关的模块；无线电相关的模块。下面对 CC2530 的硬件结构进行介绍。

1）CPU与内存

CC2530使用的内核是一个单时钟周期的、与8051兼容的内核，它有三个不同的存储器访问总线（SFR、DATA和CODE/XDATA），能够以单时钟周期的形式访问SFR、DATA和主SRAM，还包括一个调试接口和一个18位输入的扩展中断单元。

中断控制器提供了18个中断源，分为6个中断组，每组都与4个中断优先级相关。当设备从空闲模式回到活动模式时，也会发出一个中断服务请求；一些中断还可以从睡眠模式唤醒设备（供电模式1、2、3）。

图2.3 CC2530结构框图

内存仲裁器位于系统中心，它通过SFR总线把CPU和DMA控制器、物理存储器、所有外设连接在一起；内存仲裁器有4个存取访问点，可以映射到3个物理存储器之一，即1个8 KB的SRAM、1个闪存存储器和1个XREG/SFR寄存器；还负责执行仲裁，并确定同时到达同一个物理存储器的内存访问的顺序。8 KB的SRAM映射到DATA存储空间和XDATA存储空间的一部分。8 KB SRAM是一个超低功耗的SRAM，当数字电路部分掉电时（供电模式2和3）能够保留自己的内容，这对于低功耗应用是一个很重要的功能。

32/64/128/256 KB 的闪存为设备提供了可编程的非易失性程序存储器，可以映射到CODE 和 XDATA 存储空间。除了可以保存程序代码和常量，非易失性程序存储器还允许应用程序保存必须保留的数据，这样在设备重新启动之后就可以使用这些数据。使用这个功能（如利用已经保存的网络数据）就不需要经过完整的启动、网络寻找和加入过程。

2）时钟与电源管理

数字内核和外设由一个1.8 V的低差稳压器供电，另外CC2530具有电源管理功能，可以使用不同供电模式实现长电池寿命的低功耗应用运行；CC2530共有5种不同的复位源可以用来复位设备。

3）片上外设

CC2530包括许多不同的外设，可以开发先进的应用。

（1）I/O控制器。I/O控制器负责所有通用I/O引脚，CPU可以配置外设模块是否由某个引脚控制或软件控制，如果是，则每个引脚均可配置为输入或输出，并连接衬垫里的上拉电阻或下拉电阻。CPU中断可以分别在每个引脚上使能，每个连接到I/O引脚的外设可以在两个不同的I/O引脚位置之间选择，以确保在不同应用程序中的灵活性。

（2）DMA控制器。系统可以使用一个多功能的五通道DMA控制器，使用XDATA存储空间访问存储器，因此能够访问所有物理存储器。每个通道（触发器、优先级、传输模式、寻址模式、源和目标指针及传输计数）可用 DMA 描述符并在存储器任何地方进行配置，许多硬件外设（如AES内核、闪存控制器、USART、定时器、ADC接口）均通过使用DMA控制器在SFR、XREG地址，以及闪存/SRAM之间进行数据传输，以获得高效率操作。

（3）定时器。定时器1是一个16位定时器，具有定时器、计数器、PWM功能。它有1个可编程的分频器，1个16位周期值和5个各自可编程的计数器/捕获通道，每个都有1个 16 位比较值。每个计数器/捕获通道可以用于 PWM 输出或捕获输入信号边沿的时序，还可以配置IR产生模式、计算定时器3周期、使输出和定时器3的输出进行相与、用最小的CPU产生调制的IR信号。

定时器2（MAC定时器）是专门为支持IEEE 802.15.4 MAC或软件中其他时钟的协议设计的，有1个可配置的定时器周期和1个8位溢出计数器，可以用于保持跟踪周期数；1个 16 位捕获寄存器，用于记录收到/发送一个帧开始界定符的精确时间或传输结束的精确时间；还有1个16位输出比较寄存器，可以在具体时间产生不同的选通命令（RX或TX等）到无线模块。

定时器3和定时器4是8位定时器，具有定时器/计数器/PWM功能，它们有1个可编程的分频器，1个8位的周期值，1个可编程的计数器通道，1个8位的比较值，每个计数器通道均可以当成一个PWM输出。

睡眠定时器是一个超低功耗的定时器，用于计算32 kHz晶体振荡器或32 kHz的RC振荡器的周期。睡眠定时器可以在除供电模式3外的所有工作模式下不间断运行。该定时器的典型应用是作为实时计数器，或作为一个唤醒定时器跳出供电模式1或2。

（4）ADC外设。ADC支持7～12位的分辨率，分别为30 kHz或4 kHz的带宽，DC和音频转换可以使用高达8个输入通道（端口0），输入可以作为单端输入或差分输入，参考电压可以是内部电压、AVDD或者1个单端或差分的外部信号；ADC还有1个温度传感输入通道，可以自动执行定期抽样或转换通道序列的程序。

（5）随机数发生器。随机数发生器使用一个 16 位 LFSR 来产生伪随机数，它可以被CPU读取或由选通命令处理器直接使用。例如，随机数可以用于产生随机密钥。

（6）AES协处理器。AES协处理器允许用户使用带有128位密钥的AES算法加密和解密数据，能够支持IEEE 802.15.4 MAC安全、ZigBee网络层和应用层要求的AES操作。

（7）看门狗。CC2530具有1个内置的看门狗定时器，允许设备在固件挂起的情况下复位。当看门狗定时器由软件使能时，则必须定期清除，当它超时时就会复位设备；也可以配置成1个通用的32 kHz定时器。

（8）串口（USART）。USART0和USART1可被配置为主/从SPI或USART，它们为RX和TX提供了双缓冲以及硬件流控制，非常适合高吞吐量的全双工应用。每个USART都有自己的高精度波特率发生器，因此可以使普通定时器空闲出来用于其他用途。

4）无线射频收发器

CC2530 提供了一个兼容 IEEE 802.15.4 的无线收发器，可控制模拟无线模块；另外CC2530还提供了MCU和无线设备之间的一个接口，可以用于发出命令、读取状态、自动操作，并确定无线设备事件的顺序；无线设备还包括一个数据包过滤和地址识别模块。

2.1.3 CC2530开发平台

本书采用的开发平台为xLab未来开发平台，提供两种类型的智能节点（经典型无线节点ZXBeeLite-B、增强型无线节点ZXBeePlus-B）集成锂电池供电接口、调试接口、外设控制电路、RJ45传感器接口等。

ZXBeeLite-B经典型无线节点采用CC2530作为主控制器，板载信号指示灯包括电源、电池、网络、数据，具有两路功能按键，集成锂电池接口和电源管理芯片，支持电池的充电管理和电量测量，集成USB串口、Ti仿真器接口和ARM仿真器接口，集成两路RJ45工业接口，提供主芯片P0_0～P0_7输出（包含I/O、DC 3.3 V、DC 5 V、UART、RS-485），提供两路继电器，提供两路3.3 V、5 V、12 V电源输出。xLab未来开发平台如图2.4所示。

图2.4 xLab未来开发平台

xLab未来开发平台按照传感器类别提供了丰富的传感设备，涉及采集类、控制类、安防类等开发平台。

1.采集类开发平台

采集类开发平台包括：温湿度传感器、光照度传感器、空气质量传感器、气压高度传感器、三轴传感器、距离传感器、继电器、语音识别传感器等，如图2.5所示。

图2.5 采集类开发平台

 两路RJ45工业接口，包含I/O、DC 3.3 V、DC 5 V、UART、RS-485、两路继电器输出等功能，提供两路3.3 V、5 V、12 V电源输出。

 采用磁吸附设计，可通过磁力吸附并通过 RJ45 工业接口接入到无线节点进行数据通信。

 温湿度传感器的型号为HTU21D，采用数字信号输出和I2C通信接口，测量范围为-40～125℃，以及5%RH～95%RH。

 光照度传感器的型号为BH1750，采用数字信号输出和I2C通信接口，对应广泛的输入光范围，相当于1～65535 lx。

 空气质量传感器的型号为MP503，采用模拟信号输出，可以检测气体酒精、烟雾、异丁烷、甲醛，检测浓度为10～1000 ppm（酒精）。

 气压高度传感器的型号为FBM320，采用数字信号输出和I2C通信接口，测量范围为300～1100 hPa。

 三轴传感器的型号为LIS3DH，采用数字信号输出和I2C通信接口，量程可设置为±2g、±4g、±8g、±16g（g为重力加速度），16位数据输出。

 距离传感器的型号为 GP2D12，采用模拟信号输出，测量范围为 10～80 cm，更新频率为40 ms。

 采用继电器控制，输出无线节点有两路继电器接口，支持5V电源开关控制。

 语音识别传感器的型号为LD3320，支持非特定人识别，具有50条识别容量，返回形式丰富，采用串口通信。

2.控制类开发平台

控制类开发平台包括风扇、步进电机、蜂鸣器、LED、RGB灯、继电器设备，如图2.6所示。

图2.6 控制类开发平台

 两路RJ45工业接口，包含I/O、DC 3.3 V、DC 5 V、UART、RS-485、两路继电器输出等功能，提供两路3.3 V、5 V、12 V电源输出。

 采用磁吸附设计，可通过磁力吸附并通过 RJ45 工业接口接入到无线节点进行数据通信。

 风扇为小型风扇，采用低电平驱动。

 步进电机为小型42步进电机，驱动芯片为A3967SLB，逻辑电源电压范围为3.0～5.5 V。

 使用小型蜂鸣器，采用低电平驱动。

 两路高亮度LED，采用低电平驱动。

 RGB灯采用低电平驱动，可组合出任何颜色。

 采用继电器控制，输出无线节点有两路继电器接口，支持5V电源开关控制。

3.安防类开发平台

安防类开发平台包括：火焰传感器、光栅传感器、人体红外传感器、燃气传感器、触摸传感器、振动传感器、霍尔传感器、继电器、语音合成传感器等，如图2.7所示。

图2.7 安防类开发平台

 两路RJ45工业接口，包含IO、DC 3.3 V、DC 5 V、UART、RS-485、两路继电器输出等功能，提供两路3.3 V、5 V、12 V电源输出。

 采用磁吸附设计，可通过磁力吸附并通过 RJ45 工业接口接入到无线节点进行数据通信。

 火焰传感器采用5 mm的探头，可检测波长为760～1100 nm的火焰或光源，探测温度为60℃左右，采用数字开关量输出。

 光栅传感器的槽形光耦槽宽为10 mm，工作电压为5 V，采用数字开关量信号输出。

 人体红外传感器的型号为AS312，电源电压为3 V，感应距离为12 m，采用数字开关量信号输出。

 燃气传感器的型号为MP-4，采用模拟信号输出，传感器加热电压为5 V，供电电压为5 V，可测量天然气、甲烷、瓦斯气、沼气等。

 触摸传感器的型号为SOT23-6，采用数字开关量信号输出，当检测到触摸时，输出电平翻转。

 振动传感器，低电平有效，采用数字开关量信号输出。

 霍尔传感器的型号为AH3144，电源电压为5 V，采用数字开关量输出，工作频率宽（0～100 kHz）。

 采用继电器控制，输出无线节点有两路继电器接口，支持5V电源开关控制。

 语音合成传感器的芯片型号为 SYN6288，采用串口通信，支持 GB2312、GBK、UNICODE等编码，可设置音量、背景音乐等。

2.1.4 CC2530开发环境

1.集成开发环境

集成开发环境（Integrated Development Environment，IDE）是用于提供程序开发环境的应用程序，一般包括代码编辑器、编译器、调试器和图形用户界面等工具，集成了代码编写功能、分析功能、编译功能、调试功能等所有具备这一特性的软件或者软件套（组）都可以称为集成开发环境（简称开发环境）。IDE多用于多种开发场合，在可发项目时可自动生成多种组合文件和最终执行文件。目前常用的集成开发环境有 VC++、KEIL、IAR、Eclipse、WebStorm、VisualStudio、AndroidStudio等。集成开发环境相较于文本开发有众多优势，总结起来有以下三点。

（1）节省时间和精力。IDE 的目的就是要让开发更加快捷方便，通过提供工具和各种性能来帮助开发者组织资源，减少失误，提供捷径。

（2）建立统一标准。当一组开发人员使用同一个开发环境时，就建立了统一的工作标准，当IDE提供预设的模板，或者不同团队分享代码库时，这一效果就更加明显了。

（3）管理开发工作。首先，IDE 提供文档工具，可以自动输入开发者评论，或者迫使开发者在不同区域编写评论。其次，IDE 可以展示资源，更便于发现应用所处位置，无须在文件系统中搜索。

2.IAR开发环境

CC2530的代码开发环境使用的是IAR集成开发环境系列下的IAR for 8051，除了TI官方提供的ZStack协议栈为IAR支持，IAR集成开发环境还拥有诸多优点。

在众多的集成开发环境中针对微处理器程序开发的开发环境有三种，这三种分别是GCC系列、KEIL系列与IAR系列。相较于GCC与KEIL系列开发环境，IAR开发环境涵盖的芯片种类更加齐全，功能更加强大，适合于大型微处理器程序的综合开发和管理，IAR开发环境如图2.8所示。

图2.8 IAR开发环境

相对于其他两种开发环境，一套IAR开发环境可以胜任更多的微处理器开发任务，可以兼容20多种内核的微处理器的代码开发工作，如8051、ARM、STM8、AVR、MSP430等，拥有更加全面的微处理器开发条件和环境基础，同时在移植到其他微处理器时，能够尽快通过IAR开发环境进入到其他微处理器的工程开发状态。与IAR开发环境兼容微处理器型号如图2.9所示。