8位微控制器的應(yīng)用及需求分析

　　微控制器的討論焦點(diǎn)常常是最新的 32 位器件。它是最快的嗎？它帶有最多的內(nèi)存嗎？它是否具有最大的外圍設(shè)備集？它的功率最低嗎？

　　然而，對(duì)于這些新設(shè)備找到歸宿的每一個(gè)應(yīng)用，8 位微控制器可以滿足更多需求。

　　傳統(tǒng)的 8 位應(yīng)用程序曾經(jīng)受內(nèi)存限制，并通過簡(jiǎn)單的串行接口進(jìn)行通信。軟件通常是手工制作的匯編代碼，旨在以最少的內(nèi)存壓縮代碼的最大處理量。今天，仍然有幾種 8 位架構(gòu)，包括經(jīng)典的通用 8051 設(shè)計(jì)。對(duì)于每個(gè)架構(gòu)，通常有多個(gè)實(shí)現(xiàn)。每種實(shí)現(xiàn)都可以有大量的變體，具有不同的處理器速度、不同的功耗、不同的內(nèi)存配置、不同的外圍設(shè)備選擇以及不同的封裝選項(xiàng)。將這些結(jié)合起來，通常會(huì)在一個(gè)系列中獲得數(shù)百個(gè)不同的部分，并為特定架構(gòu)獲得數(shù)千個(gè)不同的部分。

　　為特定應(yīng)用程序選擇最佳配置很快就會(huì)成為一個(gè)問題。幸運(yùn)的是，除了定義需求的傳統(tǒng)“紙筆”方式外，還有一些板允許開發(fā)原型以探索配置，提供更好的信息來幫助決定最適合該應(yīng)用的設(shè)備。

　　在致力于特定架構(gòu)之前探索應(yīng)用程序的一種方法是通過Arduino。阿杜諾是一個(gè)開源項(xiàng)目，正如 Arduino 網(wǎng)站所說，“制造比臺(tái)式計(jì)算機(jī)能夠感知和控制更多物理世界的計(jì)算機(jī)”。這也許是嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)定義。它圍繞著 Arduino 板展開，這是一個(gè)小型開發(fā)板系列，每個(gè)都帶有一個(gè) Arduino 處理器——來自 AVR 系列的 Atmel ATMega 8 位處理器。該處理器使用 Arduino 編程語言在 Windows、Macintosh OSX 和 Linux 操作系統(tǒng)下運(yùn)行的 Arduino 開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行編程。開發(fā)板可作為完全填充板、裸板或設(shè)計(jì)文件提供。支持這一點(diǎn)的是許多接口板（再次填充或構(gòu)建您自己的）和教育套件。鼓勵(lì) Arduino 用戶在項(xiàng)目網(wǎng)站上分享設(shè)計(jì)和代碼。

　　Parallax采用BASIC Stamp微控制器/模塊提供了 一種表面上相似的方法。這些模塊采用大型雙列直插式封裝，由 9 V 電池供電。它們通過串行端口與 PC 通信——第一個(gè)設(shè)計(jì)是在 1990 年。該模塊包含自己的 BASIC 解釋器來執(zhí)行 pBASIC——一種 BASIC 方言，具有一系列面向微控制器的命令和功能。與 Arduino 一樣，有來自 Parallax 和第三方的支持板和開發(fā)套件，還有一個(gè)社區(qū)網(wǎng)站。然而，與 Arduino 不同的是，Parallax 是一個(gè)商業(yè)組織。

　　最近進(jìn)入開發(fā)市場(chǎng)的是mbed。雖然 Arduino 和 Stamp 面向教育/業(yè)余愛好者，與專業(yè)領(lǐng)域略有重疊，但 mbed 相當(dāng)于半專業(yè)數(shù)碼相機(jī)市場(chǎng)的高端，強(qiáng)烈傾向于專業(yè)人士。該網(wǎng)站稱“mbed 是一種使用微控制器進(jìn)行快速原型設(shè)計(jì)的工具”，后來清楚地闡明了 mbed 的用途：

　　“……mbed 專為快速實(shí)驗(yàn)和迭代而設(shè)計(jì)……專業(yè)的嵌入式工具就像一個(gè)復(fù)雜的 CAD 程序，有利于完善每一個(gè)細(xì)節(jié)。相比之下，mbed 更像是鉛筆和紙，非常適合在資源、庫(kù)和開發(fā)人員社區(qū)的支持下快速草擬設(shè)計(jì)?！?/p>

　　電路板的核心處理器是基于 ARM? Cortex?-M0 的 NXP LCP11U24和基于 ARM? Cortex?-M3 的 NXP LPC1768。最初的 mbed 板使用 NXP LPC2368 和 ARM7 架構(gòu)。這些都是 32 位架構(gòu)，可以利用廣泛的 C 和 C++ 庫(kù)以及 ARM 生態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)位。該項(xiàng)目最初是 ARM 內(nèi)部的一個(gè) skunk-works 項(xiàng)目，現(xiàn)在得到了公司的正式支持。這些板通過 USB 與主機(jī)通信，并具有 SPI、I2C 和 CAN 等接口與其他設(shè)備通信，以及 PWM 和模擬接口。

　　正如 mbed 人所說，這些開發(fā)環(huán)境通常是勾勒出一個(gè)想法或調(diào)查應(yīng)用程序可能配置的一種方式。在開發(fā)真實(shí)系統(tǒng)時(shí)，開發(fā)人員可能需要更重量級(jí)的工具集。許多 8 位處理器的內(nèi)存大小和處理速度表明，在應(yīng)用程序開發(fā)中擺脫匯編程序而使用高級(jí)語言（通常是 C）已經(jīng)成為可能。反過來，這需要更詳細(xì)的調(diào)試工具。大多數(shù)芯片制造商將這些作為其通用資源的一部分提供。

　　一個(gè)重要的趨勢(shì)是將通用 8 位處理器擴(kuò)展到使用 8 位控制器作為特殊應(yīng)用的可編程基礎(chǔ)。例如，小微型器件的增長(zhǎng)領(lǐng)域是電容感應(yīng)。當(dāng)應(yīng)用程序使用觸摸屏、滑塊或滾輪時(shí)，解析輸入并將其傳遞給適當(dāng)?shù)膽?yīng)用程序軟件需要處理能力。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的一個(gè)有吸引力的方法是將處理卸載到一個(gè) 8 位處理器上，通常通過一個(gè)簡(jiǎn)單的串行接口與主處理器通信。例如，意法半導(dǎo)體開發(fā)了 STM8-TOUCH-LIB 免費(fèi)軟件庫(kù)，可將任何 8 位 STM8 微控制器轉(zhuǎn)換為電容式觸摸感應(yīng)控制器。Microchip有一個(gè)類似的mTouch? 庫(kù)適用于 PIC16 8 位控制器。

　　在汽車中，雖然安全關(guān)鍵型應(yīng)用程序通常在 32 位設(shè)備上實(shí)現(xiàn)，但在一系列接口和控制應(yīng)用程序中，8 位處理器是最佳解決方案。示例包括門窗電機(jī)控制、儀表板顯示器以及音頻和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等信息娛樂應(yīng)用。總線控制器（例如 CAN 或 LIN）通常是 8 位設(shè)計(jì)的變體。

　　用于汽車應(yīng)用的處理器必須滿足汽車中的極端環(huán)境條件，從低至 -40 到至少 +105 攝氏度，有時(shí)甚至高達(dá) +125 攝氏度。滿足汽車溫度的通用設(shè)備的一個(gè)示例是 Atmel Mega168-15AD。

　　在消費(fèi)類應(yīng)用中，小微型通常是白色家電（冰箱、洗衣機(jī)、洗碗機(jī)等）中的處理器。頂級(jí)機(jī)器可能有多個(gè)設(shè)備，包括中央處理器、接口控制器和電機(jī)控制器，而在較低級(jí)別的機(jī)器中，這些功能可以在單個(gè)處理器上共享。雖然到目前為止我們一直在研究基于 8 位處理器的特定技術(shù)，但具有 PIC 系列的 Microchip 采用了不同的方法。事實(shí)上，該公司過去曾表示，位數(shù)無關(guān)緊要，重要的是使處理器（速度和功率）、內(nèi)存和外圍設(shè)備的封裝與應(yīng)用程序相匹配。如果您有興趣，內(nèi)部結(jié)構(gòu)從 8 位到 16 位再到 32 位，但所有設(shè)備共享一個(gè)共同的開發(fā)平臺(tái)：MPLAB IDE。在這個(gè)保護(hù)傘下是一系列開發(fā)板、軟件開發(fā)工具和庫(kù)、調(diào)試器和探針，甚至是第三方 RTOS。近日，公司推出了Android? 附件框架，帶有一個(gè)開發(fā)板和一個(gè)軟件庫(kù)，用于創(chuàng)建在 PIC 系列的 Android? 下運(yùn)行的應(yīng)用程序，通過 USB 連接進(jìn)行通信。

　　德州儀器是少數(shù)仍在推出 16 位級(jí)別新產(chǎn)品的公司之一。這些產(chǎn)品專為低功耗應(yīng)用而設(shè)計(jì)，而且價(jià)格通常非常低。MSP430 架構(gòu)，由 Code Composer Studio IDE 和LaunchPad 開發(fā)支持和軟件庫(kù)，適用于開發(fā)電池供電產(chǎn)品的開發(fā)人員，例如個(gè)人健康和健身以及便攜式消費(fèi)設(shè)備。它們部署在各種基于傳感器的應(yīng)用程序中。尚未發(fā)布的是 Wolverine 平臺(tái)，該平臺(tái)使用 FRAM（鐵電 RAM），具有超低功耗要求，適用于由能量收集供電的應(yīng)用——無需電線或電池的遠(yuǎn)程和便攜式設(shè)備。

　　正如我們之前所討論的，當(dāng)您將處理器速度、內(nèi)存容量和外圍設(shè)備的不同選項(xiàng)組合在一起時(shí)，特定處理器系列的選項(xiàng)可能非常龐大。賽普拉斯半導(dǎo)體有另一種方法：PSoC或可編程片上系統(tǒng)。他們對(duì)它的介紹將其描述為微控制器、ASIC 和標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的結(jié)合，具有所有這些優(yōu)點(diǎn)和較少的缺點(diǎn)。

　　單個(gè)芯片上有一個(gè) 8 位微控制器，可以是久負(fù)盛名的 8051 或賽普拉斯 M8C 控制器（盡管正在推出 ARM? Cortex?-M3 32 位產(chǎn)品）。除此之外，還有可編程模擬和數(shù)字模塊；閃存和SRAM；和廣泛的 IO 功能。在設(shè)計(jì)時(shí)，工程師確定將需要的功能以及它們之間的連接。這些設(shè)置存儲(chǔ)在設(shè)備上的寄存器中。上電時(shí)，寄存器配置器件。然而，芯片可以動(dòng)態(tài)重新配置——也許一種配置用于設(shè)置系統(tǒng)，另一種配置用于正常系統(tǒng)執(zhí)行。如果應(yīng)用程序僅在特殊情況下需要特定功能，也許只有偶爾使用的特定任務(wù)需要特定通信接口時(shí)，

　　ARM? Cortex? 系列中的 32 位內(nèi)核，尤其是 Cortex-M0 和其他 32 位架構(gòu)，正在進(jìn)入傳統(tǒng)的 8 位應(yīng)用領(lǐng)域。然而，仍然存在廣泛的應(yīng)用，其中 8 位處理器的小尺寸和低功耗，通常與經(jīng)過驗(yàn)證的遺留軟件相結(jié)合，將繼續(xù)在成本、功耗和開發(fā)速度方面提供非常有吸引力的選擇。在未來很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，開發(fā)人員將盡可能地利用這些微型計(jì)算機(jī)。