MCU追求的是「五脏俱全、短小精悍」，因此在小小一颗封装中就完整具备了处理器、存储器、外围I/O等功效，所以初期才会被人称为「单芯片」，意指过去同样的电路系统需倚赖多颗芯片的搭组才能实现。

　在单芯片中，以8051最为经典，至今仍是最普及、广泛使用的8-bit MCU架构（另一则是PIC架构或68HC05/08/11架构），不仅成功取代它的前一款芯片：8048，而且还成为今日各校「集成电路控制应用」课程的首选标准教案。

     尽管8051是20年来的经典，至今未有衰退的迹象，然而今日的8051 MCU已经与过去的8051大不相同，虽然主轴架构大致维持（如：脚位排列兼容、指令集兼容等），但随著半导体工艺的进步，许多业者都运用自己的技术为8051兼容芯片进行更多的强化，如此的强化不仅在外围I/O层面，也包括核心的处理器、存储器层面。

　因此，本文以下将针对今日8051兼容芯片的诸多革新进行了解，以期控制应用的设计者能熟悉与善用这些新特点，而非仅止于原有的基本型8051。

附注：最初的8051是用NMOS制程制造，之后才换用CMOS制程，为了让前后不同制程的产品容易区分，将使用新（CMOS）制程的改命为80C51，多加插一个C字母于其中，C即CMOS制程之意，CMOS制程的一大优点是比NMOS制程省电。

■运作时脉的进步

　8051刚推出时的标准运作时脉为12MHz，若有使用内建的UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，泛用型非同步接收／传送器）外围功能则需改用11.059MHz。

　不过，更先进的半导体制程大幅加速了8051兼容MCU的运作时脉，例如Atmel的多款8051兼容MCU都有16/24/33/40MHz的时脉频率，其中最高更达60MHz，是过往的5倍速率。又如MAXIM/Dallas Semiconductor的DS80C320（亦是8051兼容芯片）可达33MHz。

　不仅如此，华邦电子（Winbond）的标准型8051兼容芯片皆有40MHz的水平，至于新进的8-bit MCU业者：Silicon Laboratories（简称：SiLabs）更是有达100MHz的8051兼容MCU（如C8051F120）。

　另外，Intel原厂也有高速型的MCS 51（即8051），时脉可达33MHz，或者鼓励替换成MCS 251（即80251，更早前还有80151），MCS 251能兼容执行8051程序指令，且比标准8051快上5倍，若能够以80251的新指令改写则更可快上15倍。

▲Atmel的AT89LP系列标榜Single Cycle（每个机器周期仅1个时脉）的执行特点，执行效能可达20 MIPS，并且具低功耗性的省电运作。（图片来源：Atmel.com）



■机器周期的缩短

　标准8051是以每12个时脉周期（Clock Cycle）为1个机器周期（Machine Cycle），且8051所有的机制运作皆以1个机器周期作为基础循环，多数的8051指令会在1或2个机器周期内执行完毕，少数会用及3个机器周期。

附注：对于80年代首次发表的8051，今日多称为Standard 8051、Traditional 8051，Intel原厂亦以「Classic，古典、经典、典型」称之。

▲Dallas Semiconductor的DS89C430/440/450在执行效能上可达33 MIPS（传统8051为1 MIPS），每个机器周期仅1个时脉（传统8051为12个时脉），以及2个UART、2个DPTR（可自动递增或递减指位值），相对的传统8051仅1个UART、1个DPTR，且DPTR无法自动递增或递减。（图片来源：Maxim-ic.com）



　同样的，「每12个时脉周期为1个机器周期」是80年代的设计，今日的逻辑技术早已能超越此规限，例如Philips的8051兼容芯片：LPC700族系，便将机器周期缩短成6个时脉周期，这意味著在相同运作时脉下能够比传统标准8051快上一倍的执行效能，更何况如前所述，多数的8051兼容MCU早已突破12MHz的时脉频率，如此两种加速方式产生加乘效益，效能变成倍速提升。

▲指拨开关（DIP Switch）能够储存简易的组态设定，即便应用系统断电也依旧可以保存组态资料，图中为典型的4组式指拨开关，等同于可储存4-bit的组态信息。（图片来源：tonh.net）



　Philips只是其一，Winbond也相同，Winbond的Turbo-51系列及Enhanced-51系列等8051兼容MPU，皆是采「每4个时脉为1个机器周期，4clocks/machine cycle」，如此理论上可以比传统8051快上3倍，不过实际上的总体效能仍会低些，约2.5倍。然而Turbo-51系列的运作时脉可达25MHz，是传统8051的2倍有余，所以加乘效益将可达56倍的加速。

　再举一例，TI的MSC1210也是4clocks/machine cycle的设计，加上33MHz时脉频率，如此等同于让一颗8051以82.5MHz的速率在执行。此外，Dallas Semiconductor（今已属MAXIM）的DS80C320也相同，亦是4clocks/machine cycle、33MHz。

　更进一步的，Mentor Graphics的软式IP（矽智财）：M8051 E-Warp可缩减至2clocks/machine cycle，Infineon的语音应用芯片：SDA80D51 UniSpeech就使用此一快速的8051核心并搭配一个16-bit DSP（称为Oak核心，技术来自DSP Group公司）。

　不过，缩至每周期2时脉并非已至极致，如今也能够达一时脉一周期的境界，如Atmel的AT89LP族系、SiLabs的所有8051兼容MCU、Dallas Semiconductor的DS89C430/440/450等，都已是一时脉一周期。

■指令时间的缩短

　除了提升时脉频率、缩短每机器周期的时脉数之外，业者也从「缩短指令执行的时间」着手，将原本要耗用2个机器周期的指令缩短成1个，或将3个机器周期缩短成2个，甚或1个，最理想是将8051的111个指令统统整齐划一，皆在1个机器周期内执行完成。

　也因为缩短了指令的执行时间，使之前以简单整数倍换算的加乘加速效益不再全然适用，进而有另一个效能指标作为补充，即MIPS（Million Instructions Per Second，每秒能执行几个「百万次指令」），且有时会搭配运作时脉频率一起表示，如：5 MIPS with a 40MHz，或如：40 MIPS using an 80 MHz clock。

■增加内部存储器资源

　传统8051的程序存储器（Program Memory，泛指ROM）有4KB，而传统8052（8051推出后的接续强化版）则有8KB。另外资料存储器（Data Memory，泛指RAM）方面8051有128Bytes，而8052一样加倍：256Bytes。

▲Winbond的W77LE532时序图，其每个机器周期为4个时脉，如此在相同的工作频率下也能比传统8051快上3倍效率。（图片来源：Winbond.com）

　无论是4KB或8KB，也无论是128B或256B，从今日撰写控制应用程序的角度观之，都是相当拘限的容量，因此各业者也积极强化8051的资料存储器资源。

　先拿Intel原厂来说，Intel提出了具有Expanded RAM的8xC51RA/RB/RC，RA具有8KB程序存储器，RB有16KB，RC则是32KB，比过去扩增了2、4倍容量，同时三者都有512B的资料存储器，也比过去再增一倍。

　接著来是Atmel，Atmel的AT83C51RD2、TS83C51RD2等在程序存储器上可至8051定址的满档极限：64KB，并具有1024Bytes的资料存储器，此外也有多款8051兼容MCU在资料存储器上大幅扩充，如AT89C51AC2可至1280Bytes（1KB＋256B），AT89C51ED2可至2048Bytes，AT89C51AC3更可至2304Bytes（2KB＋256B）。

　更有甚者，SiLabs的C8051F12x在ROM部份达到128KB，RAM部份达到8448B（8KB＋256B），其它如Philips、Winbond的兼容8051 MCU亦都有所扩增。

　说明至此，有8051基础者必然疑惑？8051在RAM的定址上最高8-bit（256B），在ROM的定址上最高16-bit（64KB），何以有8KB RAM、128KB ROM的可能？

　其实这不难理解，先说明RAM的部份，由于8051也能使用外部资料存储器（类似MPU般的并列位址解码存取），但须使用MOVX的指令，且经常搭配DPTR（Data Pointer，资料指位器）暂存器一同运作，更明白的说，过去需透过外部定址、解码、存取的资料存储器，如今直接内建到MCU内，如此而已。事实上更详细的技术文件中就会注明此属On-Chip的XRAM（eXternal RAM），即在存取行为上属外部，但实体配置上却是在内。

　除了增加RAM容量外，依据过往的程序撰写经验，标准8051仅一组DRTR暂存器在实际运用时经常有不敷使用的情形，使撰写需要更多的资料搬移、暂存控制，所以新的8051兼容MCU多会再增一组DPTR，达2组DPTR。

▲ST的串行型EEPROM：M24512（I2C界面）、M95512（SPI界面），容量皆为512KB，工作电压1.8V，串行型EEPROM普遍用于各种嵌入式控制应用中。（图片来源：ST.com）


　同样的，ROM为何可以到128KB？其实是用8051本有的相同技巧，8051在通用暂存器（General Purpose Register，指R0R7）的使用上可以透过RS0、RS1的选择位元操控，而在4组暂存器库（Register Bank）间切换，相同的概念也可运用在ROM上，在特殊功能暂存器（Special Function Register；SFR）的区域中增设了一个PSBNK暂存器，并操控暂存器中的COBANK位元，就可以达到128KB的程序切换（在两组64KB间切换）。

■内建EEPROM

　标准8051本身并没有内建EEPROM，但由于大多数的控制应用都需要储存一些组态资料，且在断电后仍要持留。关于此，如果只是少许的组态资料还可以用指拨关开（DIP Switch）解决，但资料一多时就需要用上EEPROM（并列型EEPROM逐渐减少，由Flash所替，今日多数的EEPROM皆属串行型）。

　所以，8051经常会再以外连方式来扩增EEPROM的储存资源，如此不仅要耗占8051的GPIO接脚，而且也要额外的程序撰写才能与EEPROM进行存取、操控。既然8051（或说8-bit MCU）的控制应用会经常用到EEPROM，也因此有业者改采内建方式提供，不仅内建，甚至也让存取更加方便，只要运用一般的8051指令即可读写EEPROM，并且在写入完成后发出中断通知，让控制程序师省去不少撰写心力。

　在此一样举实例，Atmel的AT89C5115、AT89C51AC2、AT89C51AC3、AT89C51ED2等兼容8051 MCU即有内建2KB的EEPROM，又如Philips的P89LPC938、P89LPC936、P89LPC935等亦内建512B，Winbond的W78E858也有128B，至于MAXIM/Dallas Semiconductor与SiLabs则尚无此种设计。

　至于ROM存储器的本质方面，过去标准8051用的是Mask ROM（8051）或EPROM（8751），如今Mask ROM依旧存在，但愈来愈多应用是改采OTP ROM（只可烧写一次的EPROM），以求取量产成本及修改弹性的均衡，此外也用Flash Memory（此时当称Flash ROM）的8951取代EPROM的8751，并追加在线烧录（In-System Programming；ISP）的机制，如此不仅设计开发时更加方便，且应用产品出货后仍可修补、更新程序，尤其ISP可让产品不需后送搬运，而是在应用现场直接更新。

附注：可重复烧写型的MCU不仅从EPROM换成Flash Memory，同时也不断强化可重复烧写的次数，以及烧写之后的资料保存年限。

■结论

　最后，先进的8051兼容MCU还有个共同趋势，但却不是在芯片本身，而是在应用开发层面，那就是用高阶语言撰写控制程序，由于新的8051兼容MCU在效能与资源上都大幅充沛，为讲究撰写开发效率，多数的逻辑、判断程序可用高阶语言来撰写，仅少数部份的低阶操控、快速反应等程序依然维持原有的8051汇编语言（原生指令集）撰写法。

　至于有哪里些高阶语言可用于8051？答案是BASIC、C、Forth、Modular 2、Pascal、PL/M等，然实际上以C语言最被普遍使用。

▲SiLabs的C8051F12x、13x系列，执行效能50100 MIPS，并内建诸多外围功能，如Vref参考电压、Voltage Comparator电压比较器、Temp Sensor温度传感器、ADC类比数码转换器，运算核心甚至有16x16乘加运算器。（图片来源：SiLabs.com）