當(dāng)代系統(tǒng)設(shè)計(jì)中MCU的主要選擇技巧

作者：貿(mào)澤電子Mark Patrick

設(shè)計(jì)師在查看任何電子元件目錄時(shí)，能夠很明顯地注意到，會(huì)有很多潛在的微控制器（MCU）選項(xiàng)?？晒┻x擇的產(chǎn)品種類(lèi)繁多，從另一側(cè)面也證明MCU已成為現(xiàn)代系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中必不可少的一部分，目前很難找到不包含MCU的電子產(chǎn)品。

考慮到設(shè)計(jì)師需要為設(shè)計(jì)找到最佳選項(xiàng)，而且要以一種更有條理的方式區(qū)面對(duì)快速的變化，這種廣泛的可能性也呈現(xiàn)出巨大的挑戰(zhàn)。在查看MCU選項(xiàng)時(shí)，需要考慮以下七個(gè)關(guān)鍵方面，這樣能夠有助于找出目錄中哪些產(chǎn)品最能滿足您的特定需求。

架構(gòu)

對(duì)于嵌入式設(shè)計(jì)，最重要的考慮因素是MCU核心處理器內(nèi)核性能是否可以充分滿足預(yù)期的工作要求。基本的8位流水線（pipeline）型MCU能夠處理涉及監(jiān)控I/O端口，并根據(jù)這些輸入更改狀態(tài)等控制任務(wù)。但是，如果任務(wù)中涉及算法（例如閉環(huán)控制）中輸入的算術(shù)操作，則系統(tǒng)可能需要更復(fù)雜的指令集，這需要轉(zhuǎn)移到16位甚至32位流水線型MCU。位數(shù)較高的流水線MCU具有將采樣和其他實(shí)際數(shù)據(jù)一并處理的優(yōu)勢(shì)。 而對(duì)于一個(gè)8位流水線MCU，除了最小數(shù)據(jù)值外，所有其他數(shù)據(jù)均需要分成子單元進(jìn)行處理，這會(huì)影響性能。對(duì)于閉環(huán)控制，能夠支持數(shù)字信號(hào)處理的16位架構(gòu)通常會(huì)在成本與算術(shù)性能之間具備最佳平衡。但是，對(duì)于需要支持控制、通信和管理等復(fù)合功能的系統(tǒng)，可能需要更高的32位流水線MCU能力。

I/O端口

使用MCU進(jìn)行設(shè)計(jì)的巨大優(yōu)勢(shì)是它們都具有多種集成的I/O端口。通過(guò)精心選擇I/O端口的組合，這些端口可以專(zhuān)門(mén)針對(duì)一些特定應(yīng)用量身定制，端口可以從寄存器可編程數(shù)字信號(hào)線到智能電機(jī)控制單元，再到用于IoT連接的整個(gè)無(wú)線子系統(tǒng)。首先確定應(yīng)用需要哪些功能，通常可以直接使用參數(shù)搜索來(lái)創(chuàng)建合適器件的候選清單。在理想的情況下，總有一個(gè)MCU具有應(yīng)用所需的全部I/O。但是，現(xiàn)實(shí)卻可能不是這樣，尤其是對(duì)于更多的細(xì)分市場(chǎng)設(shè)計(jì)。許多外圍設(shè)備都符合通用接口規(guī)范（例如I2C或SPI），或者可以采用并行接口，由此可以連接到存儲(chǔ)器總線，或者可以通過(guò)控制通用I/O線進(jìn)行訪問(wèn)。通過(guò)分析設(shè)計(jì)中所需的外部組件可確定除內(nèi)置外設(shè)之外，MCU是需要串行I/O還是并行I/O端口。

存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)器通常是在MCU系列中選擇特定部件的主要考慮標(biāo)準(zhǔn)。由于外部存儲(chǔ)器會(huì)增加總體成本，而且訪問(wèn)所需的額外周期常常會(huì)降低性能，因此，盡管通常在系統(tǒng)斷電時(shí)可使用外部串行存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)配置數(shù)據(jù)，確保目標(biāo)應(yīng)用與所選MCU的存儲(chǔ)器限制能夠匹配非常重要。至于性能評(píng)估，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要估計(jì)具體應(yīng)用和隨附的操作系統(tǒng)（如果只需要一個(gè)操作系統(tǒng)）會(huì)在程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面占用多少字節(jié)。通常，在選擇MCU之前，應(yīng)用無(wú)法完全確定。此外，即便使用函數(shù)點(diǎn)（function-point）分析之類(lèi)的估算技術(shù)，仍然很難確定實(shí)際存儲(chǔ)器使用情況的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。因此，建議選擇一個(gè)MCU系列，它能夠輕松調(diào)節(jié)包括閃存和SRAM等存儲(chǔ)器大小。由于MCU都具有配置多種存儲(chǔ)器大小的變型，因此通?？梢灾苯愚D(zhuǎn)換到下一個(gè)器件，而不會(huì)影響引腳布局或設(shè)計(jì)的其他方面。

功率

能耗已成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員考慮的一個(gè)主要問(wèn)題。當(dāng)今的許多物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目都會(huì)依靠單節(jié)電池運(yùn)行數(shù)年，即使對(duì)于采用市電供電的系統(tǒng)，能效目前也已成為工程師的核心考慮標(biāo)準(zhǔn)之一。通過(guò)精心選擇MCU可以有多種方式來(lái)提高能效。一種是繼續(xù)轉(zhuǎn)向更密集的處理，以便利用擴(kuò)展的優(yōu)勢(shì)（不僅局限在邏輯和存儲(chǔ)容量上，而且在功耗方面）。然而，當(dāng)MCU必須運(yùn)行的工作載荷較輕時(shí)，通?？梢圆呗孕缘夭捎玫突顒?dòng)性和睡眠模式來(lái)提高能效。將活動(dòng)分解成短脈沖，設(shè)計(jì)人員可以利用睡眠模式將電流消耗降低到僅為nA級(jí)。此外，越來(lái)越多的MCU可提供智能外圍控制器，使得無(wú)需喚醒處理器內(nèi)核即可執(zhí)行常規(guī)功能。這樣可以使睡眠時(shí)間最大化，因而減少了運(yùn)行該應(yīng)用所需的功率。

工具

工具支持是許多領(lǐng)先MCU架構(gòu)的關(guān)鍵差異化因素。盡管通過(guò)參數(shù)搜索會(huì)得到來(lái)自不同處理器體系結(jié)構(gòu)的多個(gè)候選者，但是工具支持在多大程度上能夠適合開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)的需求，這是決定選擇哪種MCU的重要考慮因素，同時(shí)要強(qiáng)調(diào)的是需要考慮開(kāi)發(fā)人員的技能和經(jīng)驗(yàn)。擁有大型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)所需高級(jí)語(yǔ)言深度知識(shí)的工程師自然會(huì)傾向于使用ARM等32位架構(gòu)，因?yàn)樗鼈兡軌蛱峁┳顝V泛的編譯器選擇。而如果存儲(chǔ)器和成本限制是主要的考慮因素，或許更應(yīng)該采用8位或16位體系結(jié)構(gòu)，并考慮它們對(duì)C代碼可能施加的某些限制。在許多情況下，可以使用各種各樣的工具。編譯器、調(diào)試器和鏈接器（linkers）的完整工具鏈支持主要的8位和16位MCU架構(gòu)，這些工具鏈通常包含在集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）中，并且價(jià)格非常合理。

封裝

在許多設(shè)計(jì)中，容納MCU所需的空間是一個(gè)重要的考慮因素。用戶(hù)經(jīng)常傾向于選擇采用高集成度MCU解決方案，因?yàn)檫@種方案可以實(shí)現(xiàn)緊湊的外形尺寸。但是，核心封裝設(shè)計(jì)和板級(jí)設(shè)計(jì)可以支持的功能之間需要進(jìn)行折衷權(quán)衡。例如，越來(lái)越多的MCU以芯片級(jí)封裝提供，以便盡可能減少這些器件所占用的空間。封裝下方的互連密度可能會(huì)對(duì)PCB設(shè)計(jì)造成很大挑戰(zhàn)，需要采用成本更高的堆疊和組裝工藝。電路板空間還會(huì)受到所需支持組件數(shù)量以及目標(biāo)PCB上可用的布線選擇等影響。在較少層數(shù)或靈活的PCB方案中，如果需要大量連接，則MCU周?chē)季€到I/O、時(shí)鐘、接地和電源所需的空間會(huì)迅速增大。工程師還需要根據(jù)設(shè)計(jì)的目標(biāo)用途來(lái)考慮將器件安裝在PCB上時(shí)的可靠性，高振動(dòng)和沖擊等工作環(huán)境可能會(huì)需要采用專(zhuān)用封裝，進(jìn)而可能需要轉(zhuǎn)向其他MCU系列。

套件

由于MCU能夠極大地簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，因而在上市時(shí)間非常重要的情況下，它是一個(gè)理想的設(shè)計(jì)平臺(tái)。供應(yīng)商現(xiàn)在提供的綜合軟件工具可確保最終應(yīng)用能夠快速整合在一起。即使有了一些項(xiàng)目加速器，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)也可以通過(guò)選擇帶有評(píng)估板和開(kāi)發(fā)套件的MCU來(lái)獲得更大的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。這些所選MCU具備現(xiàn)成的開(kāi)發(fā)板，以及典型應(yīng)用所需的所有附加I/O。此外，許多開(kāi)發(fā)板現(xiàn)在都提供能夠插入主板的I/O板系列，以便工程師可以用比分銷(xiāo)商交付包裹更少的時(shí)間組裝定制的硬件解決方案。團(tuán)隊(duì)可以通過(guò)簡(jiǎn)單地將原型軟件下載到評(píng)估系統(tǒng)中來(lái)構(gòu)建概念設(shè)計(jì)，并可隨時(shí)向客戶(hù)展示。非常有潛力的是，這些評(píng)估套件有可能為產(chǎn)品盡早入市打好堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，而硬件設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)同時(shí)開(kāi)發(fā)成本優(yōu)化的解決方案，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這種解決方案將更具吸引力。

審核編輯：湯梓紅