8位MCU架構的應用優(yōu)勢介紹

8位MCU架構的進化變化正在幫助他們在整個MCU市場的單位銷售方面保持領先地位。在許多應用中，8位MCU成功地抵御了來自32位MCU的競爭 - 而不僅僅是在設計需要非常小的外形尺寸，超低能耗，低引腳輸出和極低價格的情況下。在某些情況下，8位MCU實際上勝過其32位競爭對手。

市場分析公司IC Insights，亞利桑那州鳳凰城預測，8位MCU將繼續(xù)擁有微控制器業(yè)務中最大的單位出貨量，直到另一方面，32位MCU的出貨量增長率為9.5％ - 比8位設備的年度百分比高得多。

一些架構變化 - 例如使8位MCU變得更容易C代碼中的程序 - 屬于跟上不斷變化的世界的范疇。其他變化對它們有“回到未來”的感覺，例如回歸到閉環(huán)反饋控制的概念，MCU的外圍設備在沒有CPU干預的情況下執(zhí)行任務。

自主MCU外設已經存在了相當長的一段時間，但專門用于完全支持其8位產品線的MCU供應商不斷添加復雜的技術，將術語“自主外設”的含義轉變?yōu)樾碌念I域。

可配置邏輯單元

最新的創(chuàng)新產品來自于Microchip公司稱之為“功能支持”。它始于“獨立于核心的外設”的概念 - 專門設計用于在沒有CPU干預的情況下盡可能多地工作的外設 - 并在必要時有效地相互通信。 》使用可配置邏輯單元（CLC）實現(xiàn)增強的外設到外設通信。 Microchip的芯片架構師創(chuàng)造了這種通信靈活性，以便嵌入式系統(tǒng)設計人員可以使用與內核無關的外設在硬件中實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。除了減輕CPU的處理負荷之外，還有其他好處，包括：更快的響應時間，更少的應用代碼行，更低的能耗以及更低的MCU內存要求。

CLC模塊有8個信號可用作輸入可配置邏輯單元和每個輸入信號可以隨設備而變化。一次最多可以選擇四個輸入，這可以使用四個8輸入多路復用器將輸入信號傳遞到CLC的數據門控級。圖1顯示了使用CLCxSEL0和CLCxSEL1寄存器選擇輸入信號的CLC的初始配置步驟。使用配置工具的后續(xù)步驟創(chuàng)建了CLC的完整功能。

圖1：可配置邏輯在配置的第一階段的單元格。

閉環(huán)控制

功能啟用概念首先要確定可能存在于任何嵌入式應用程序中的常見功能組件。這些包括：電源轉換，定時，傳感器接口，電機控制，輸出和信號生成，通信，人機接口和安全（例如，遵守涉及軟件中斷的規(guī)定）。重要的是要注意Microchip的功能啟用將“自治外圍設備”一詞的含義移到新的領域。由于CLC以及在芯片上實現(xiàn)與內核無關的外設的方式，結果不僅僅是外圍設備或多或少獨立地執(zhí)行單個功能。相反，外設 - 或外設組合 - 可以根據設計人員的需要動態(tài)組合。

應用

用于不同目的的與內核無關的外設的一個例子是Microchip的數控振蕩器（NCO）。雖然它通常用于照明控制應用，但它也可以與設備上的其他現(xiàn)有外設結合使用，以實現(xiàn)某些類型的數據傳輸/接收應用，甚至可以實現(xiàn)更高分辨率的PWM。

傳統(tǒng)的PWM開始失去有效的分辨率相對較低的開關頻率。例如，具有16 MHz系統(tǒng)時鐘速度的傳統(tǒng)PWM可實現(xiàn)的脈沖寬度的最小增量變化為62.5 ns。如果最快的PWM時鐘是振蕩器頻率的四分之一（FOSC/4），則增加到250 ns。通過將數字控制振蕩器（NCO）與CLC結合使用，可以在具有獨立于內核的外設的MCU上構建PWM增量脈沖寬度變化小至15 ps的PWM。

簡化模塊圖2顯示了這種技術的示意圖。輸出控制器模塊基于CLC。雖然NCO本身無法產生PWM信號，但可以通過添加基于CLC的輸出控制器來改變其行為以產生所需的PWM輸出。 NCO確定脈沖寬度。傳統(tǒng)的片上PWM可以用作時鐘源來觸發(fā)PWM周期。

CLC中的控制邏輯用于在開關時鐘指示下一個脈沖的時間時設置輸出。一旦NCO溢出，CLC就會清除輸出以完成脈沖。

圖2：使用基于NCO和CLC的輸出控制器實現(xiàn)的高分辨率PWM。

任何數量的時鐘源都可以可以使用（例如，定時器或甚至外部信號），并且在一些應用中，外部觸發(fā)可能是啟動脈沖的最佳選擇。例如，零電流檢測電路在構建電源時是合適的。 PIC16F1509-I/SS是PIC16F1509-I/SS集成CLC，PWM和NCO模塊的工作在此類應用中的獨立于內核的MCU的一個例子。

為了開始使用這種類型的設計方法，PIC10F32X開發(fā)板是一個有用的工具。它采用NCO和CLC演示軟件進行工廠編程，并包含用于應用開發(fā)的原型區(qū)域。雖然創(chuàng)建帶外圍設備的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的策略有許多優(yōu)點，但有時需要CPU干預 - 當系統(tǒng)是例如，體驗不典型的行為。硬件限制計時器解決了這種可能性。

大多數外圍設備都會啟動某種活動，但硬件限制計時器通常用于等待事件發(fā)生 - 并執(zhí)行某些操作以響應未發(fā)生的事件。保護MOSFET免受電源應用損壞是一個很好的例子.LED照明應用需要相當高分辨率的電源。使用Microchip的獨立于內核的外設，可以將PWM配置為在正常情況下驅動FET對而無需CPU干預。如果PWM無法關閉，可以使用硬件限制定時器，運算放大器和比較器來確保MOSFET不會損壞。

定時器的基本工作是監(jiān)控PWM是否關閉在正常操作之后的一定間隔之后。如果沒有，硬件限制定時器會觸發(fā)一個中斷，要求CPU檢查異常的原因，這可能是一個小故障或更嚴重的事情。

如果CPU確定條件是PWM的條件應該關閉，整個關閉操作大約需要80 ns，因為它是在硬件中執(zhí)行的：比較器可以在50 ns內翻轉;考慮到集成運算放大器的壓擺率又增加了30 ns。

軟件實現(xiàn)速度不會那么快，因為發(fā)出中斷所需的時間延遲為兩個或三個時鐘周期加上所需的時間發(fā)出指示。在某些情況下，也可能存在由更高優(yōu)先級中斷引起的延遲。

Microchip的8位PIC16F170X/171X系列是首批采用獨立于內核的外設之一。該系列的成員可用于許多應用，包括智能照明控制。典型的選擇可能是PIC16F1703-I/SL。

配套產品是DM330014 LED照明開發(fā)套件。

32位挑戰(zhàn)

在8位和32位MCU競爭的應用中， 32位倡導者的觀點是，他們的低端設備與8位MCU相比具有價格競爭力（而且在大批量采購中，它們的價格甚至可能更低）。然而，仔細研究與8位MCU相比具有成本競爭力的32位MCU，表明它們是僅集成基本外設的低端設備。然而，添加更多外設會增加成本，因此將低端32位器件與外設豐富的8位器件相匹配可能并不總是能夠實現(xiàn)比較。

低端32位MCU是留下一個替代方案：在軟件中執(zhí)行具有一系列外圍設備的8位設備在硬件中的效率更高。也就是說，更少的代碼行，更快的響應時間，更快的應用程序上市時間以及更低的能耗，因為更多的執(zhí)行指令需要更多的時鐘周期。在硬件中更快地執(zhí)行功能還允許MCU更快地進入睡眠模式 - 并保持更長的時間。

指令集和流水線技術雖然Microchip可以歸功于8位架構的最新創(chuàng)新，但它可以通過并非意味著唯一一家致力于使8位MCU能夠提供卓越性能的公司。

Silicon Labs將基本的8051 MCU架構重新構建為具有Fetch/Decode的流水線復雜指令集計算（CISC）設備/執(zhí)行管道階段。

指令集架構已經過修改，以最大化指令吞吐量，同時保持100％的目標代碼兼容性。這種“硬連線”實現(xiàn)提供了許多優(yōu)于原始微編碼版本的優(yōu)勢。

Silicon Labs的指令集本身也在不斷發(fā)展。它現(xiàn)在映射到兩級流水線增加的吞吐量并保持8位程序存儲器寬度。結果是MCU在1或2個時鐘周期內執(zhí)行大多數指令，并提供原始8051內核20至25倍的性能。

流水線架構提供的計算性能可以與更高級的CPU架構相媲美。例如，大多數基于RISC的MCU都是基于寄存器的，并且只允許對存儲在寄存器文件中的值進行算術邏輯單元（ALU）操作。這意味著為了將兩個值“和”在一起，必須先將這些值移動到寄存器文件中，然后才能對它們進行操作。另一方面，Silicon Labs的8051架構直接對存儲在外設寄存器中的值執(zhí)行此操作。這使得MCU能夠執(zhí)行快速控制功能。

除了主動支持其8位產品線外，Silicon Labs還在低功耗運營方面開辟了市場領域。其C8051F96x系列的成員，如C8501F969-A-GM，集成了片上DC-DC轉換器，可將有源模式功率降低40％，并提供比線性穩(wěn)壓器更高效的電壓轉換，從而延長移動應用和應用的電池壽命主電源不可用的地方。

結論

雖然8位MCU正在被32位MCU大量替換用于計算密集型應用，但它們仍然為系統(tǒng)設計人員提供了許多有吸引力的功能。擁有強大的8位產品線的IC公司已經成功地發(fā)展了架構和指令集，以保持8位MCU的競爭力。也許最重要的創(chuàng)新是在片上外設領域提供硬件執(zhí)行，而具有價格競爭力的32位MCU必須在軟件中執(zhí)行。外設和新型外設之間通信的增強技術使8位器件在需要低能耗的成本敏感型應用中具有更大的優(yōu)勢。