4 CPU單元
　　CPU單元的任務(wù)比較多，主要要完成對(duì)由DSP單元送來(lái)的信號(hào)再處理分析。 CPU單元還分別控制鍵盤單元、時(shí)鐘單元、LCD單元、LED單元等輔助單元和GSM單元工作。對(duì)CPU單元的要求是高速和低功耗。這里選用美國(guó) Cygnal公司的C8051F020。C8051F020單片機(jī)[8]是集成在一塊芯片上的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)單片機(jī)（圖4），芯片上有8個(gè)8位數(shù)字I/O 端口，其中四個(gè)與標(biāo)準(zhǔn)的8051的端口（P0、P1、P2、P3）相同，與5V兼容。I/O端口在功能上有所增強(qiáng)，每個(gè)I/O端口都可獨(dú)立地設(shè)置為推挽輸出或開漏輸出和弱上拉，這為一些低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了節(jié)省電源的手段。C8051F020單片機(jī)除了具有51系列單片機(jī)的特點(diǎn)外還有如下的特點(diǎn)：
(1) 25MPIS高速流水線式8051微控制器內(nèi)核；
(2) 12位、100KSPS、8通道帶可編程增益放大器的ADC，雙12位可程控更新的DAC；
(3) 雙模擬比較器，片內(nèi)基準(zhǔn)電源；
(4) 64KB系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH存儲(chǔ)器，4352（4096+256）片內(nèi)RAM；
(5) 各自獨(dú)立的SPI、SMBUS/I2C和兩個(gè)UART串行接口；
(6) 5個(gè)16位通用定時(shí)器；
(7) 片內(nèi)看門狗定時(shí)器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器；
(8) 工作電壓：2.7-3.6V，工作電流：10mA@20MHz。
?　　C8051F020使用采用了流水線式結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)的8051相比它的指令執(zhí)行速度有極大的提高。在標(biāo)準(zhǔn)的8051中，除了MUL和DIV所有的指令都需要12或24個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，最大的時(shí)鐘頻率12-24MHZ。相比較而言，C8051F020內(nèi)核70%的指令執(zhí)行時(shí)間為1或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，只有4 條指令的執(zhí)行 時(shí)間超過4個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。C8051F020的MCU 在CIP-51內(nèi)核的內(nèi)部和外部有幾項(xiàng)關(guān)鍵性的改進(jìn)，提高了整體性能，更易于在實(shí)際應(yīng)用中使用。擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)為CIP-51提供22個(gè)中斷源，而標(biāo)準(zhǔn)的8051只有7個(gè)中斷源。C8051F020允許大量的模擬和數(shù)字外設(shè)中斷微控制器。由中斷驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)需要較少的CPU干預(yù)，從而極大地提高系統(tǒng)的執(zhí)行速度。特別是在多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，這些增加的中斷源非常有用。MCU內(nèi)部有一個(gè)能獨(dú)立工作的時(shí)鐘發(fā)生器。另外，MCU可以關(guān)閉單個(gè)或全部外設(shè)以節(jié)省功耗。由于C8051F020單片機(jī)自身帶有64K+128B的 FLASH 程序存儲(chǔ)器，故不需再擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器。

圖4 C8051F020單片機(jī)
　　C8051F020的MCU具有4KB的RAM可映射在片內(nèi)，也可映射在64KB外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間，還可同時(shí)映射到片內(nèi)和片外三種方式。對(duì)于后兩種存儲(chǔ)器工作模式需通過外部存儲(chǔ)器接口使用MOVX和DPTR或MOVX和R0（R1）指令訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器映像的I/O設(shè)備。但是對(duì)于高8位地址必須由外部存儲(chǔ)器接口寄存器（EMI0CN）提供。而EMIF控制寄存器可將外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口映射到低端口（P0-P3）或高端口（P4-P7），以及配置為復(fù)用模式或非復(fù)用模式等。
　　外部存儲(chǔ)器接口（EMI）映射為低端口（P0～3）即PRTSEL位（EMIOCH.5）置為0，此時(shí)如果EMIFLE位（XBR2.5）被設(shè)置為邏輯1，那么數(shù)字交*開關(guān)將不分配外部設(shè)備給 P0.7(/WR)，P0.6(/RD)，P0.5（ALE）（如果EMI設(shè)置為復(fù)用模式）；如果EMIFLE位設(shè)為0，那么P0.7、P0.6、 P0.5的功能將由交*開關(guān)或端口鎖存器來(lái)決定。外部存儲(chǔ)器接口只在執(zhí)行片外MOVX指令期間使用相關(guān)的端口引腳，一旦MOVX指令執(zhí)行完畢，端口鎖存器或交*開關(guān)又重新恢復(fù)對(duì)端口引腳的控制（端口3、2、1、0）。對(duì)于外部存儲(chǔ)器接口的配置只有擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器或具有存儲(chǔ)器映像的I/O部件時(shí)，才配置 EMIF。
　　本數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)使用512k*8bit的SRAM作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，使用高端口、復(fù)用模式（即P7端口數(shù)據(jù)D0-D7和地址A0-A7復(fù)用，P6端口輸出地址A8-A15）、片外存儲(chǔ)器方式（不使用片內(nèi)存儲(chǔ)器）。DCM8512是512k*8bit自帶掉電保護(hù)的 SRAM，用于存放數(shù)據(jù)和VC5409用戶程序，需19條地址線（A0-A18），而C8051F020外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器只支持64k Byte（A0-A15），故使用P5端口來(lái)擴(kuò)充地址線（A16-A20）。
　　C8051F020最突出的優(yōu)點(diǎn)之一就是使用交*開關(guān)網(wǎng)絡(luò)。交*開關(guān)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)了可以控制片內(nèi)數(shù)字資源與外部I/O引腳相連的。通過設(shè)置交*開關(guān)控制寄存器，將片內(nèi)的數(shù)字資源如計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、串行總線、硬件中斷、 ADC轉(zhuǎn)換啟動(dòng)輸入、比較器輸出以及微控制器內(nèi)部其他數(shù)字資源配置為端口I/O引腳，這就允許用戶根據(jù)自己的特定應(yīng)用將通用I/O端口與所需要數(shù)字資源相結(jié)合。
　　CPU單元工作原理（見圖5）。C8051F020的工作頻率為11.0592MHz。模擬信號(hào)連接至C8051F020的 AIN0.0- AIN0.7腳，進(jìn)行12位A/D轉(zhuǎn)換。由C8051F020中的時(shí)鐘單元產(chǎn)生可以變動(dòng)的抽樣頻率。CPU單元通過HPI總線將A/D轉(zhuǎn)換后的心電信號(hào)送到DSP單元進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果再通過HPI總線送入CPU單元。HPI總線內(nèi)包括數(shù)據(jù)線D0-D7、地址線A0-A3、DSP片選線DSP- addr、讀寫線WR，RD、DSP復(fù)位線及中斷線INT0組成。地址線A0-A3選擇DSP的HPI寄存器；數(shù)據(jù)線D0-D7用于C8051F020和 DSP交換數(shù)據(jù)；當(dāng)C8051F020向DSP寫數(shù)據(jù)時(shí)，將在DSP內(nèi)部產(chǎn)生中斷，該中斷將DSP從IDLE狀態(tài)中喚醒，中斷服務(wù)程序還將從DSP特定地址的內(nèi)部存儲(chǔ)器中讀CPU寫的數(shù)據(jù)；當(dāng)DSP向C8051F020寫數(shù)據(jù)時(shí)，DSP置中斷線INT0=0，C8051F020的INT0中斷服務(wù)程序?qū)?DSP的HPI數(shù)據(jù)寄存器讀數(shù)據(jù)。

?　　CPU單元通過RS232接口線TX0和RX0與GSM模塊進(jìn)行硬件連接，用于通過無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)信息。C8051F020單片機(jī)和GSM引擎之間采用AT指令實(shí)現(xiàn)互相之間的通信，更詳細(xì)的資料可以參考GSM07.05和GSM07.07規(guī)范。例如使用短信方式時(shí)，CPU單元發(fā)出短信的過程大體如下：用預(yù)先設(shè)置好的短信息中心地址、短信息的接受地址和要發(fā)售的報(bào)警數(shù)據(jù)，形成PDU格式短信；然后發(fā)出指令"AT+CMGF=0r"設(shè)置GSM引擎為 PDU方式；再發(fā)出指令"AT+CMGS=r "，當(dāng)受到回答信號(hào)后，發(fā)送已形成PDU格式短信。
　　5 小結(jié)
　　本文設(shè)計(jì)了一種基于 Ti公司低功耗DSP芯片和Cygnal低功耗的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)單片機(jī)移動(dòng)數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)，它能夠采集、處理和通過無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)傳送和接收數(shù)據(jù)。