作者:Kenton Williston
對于電動工具、個人衛(wèi)生用品、玩具、電器和照明控制裝置等功耗和空間受限設(shè)備的設(shè)計人員來說,采用傳統(tǒng)上的 8 位微控制器單元 (MCU) 就足夠了。然而,隨著應(yīng)用的不斷發(fā)展,他們需要更高的速度、更強大的外設(shè)選項和軟件開發(fā)工具。遷移到 16 位或 32 位替代方案可能會有所幫助,但往往要以更大的封裝尺寸和更高的功耗為代價。
為了解決這些問題,設(shè)計人員可以利用基于 8051 架構(gòu) MCU,這些 MCU 將 16 位和 32 位處理器的許多優(yōu)點帶到了 8 位處理器領(lǐng)域。這些處理器的封裝小至 2 x 2 mm,同時提供現(xiàn)代開發(fā)環(huán)境。
本文簡要介紹 8051 架構(gòu)及其對資源受限應(yīng)用的適用性。然后介紹 [Silicon Labs]基于 8051 的 MCU 系列,描述主要子系統(tǒng)并說明每個子系統(tǒng)如何應(yīng)對關(guān)鍵設(shè)計挑戰(zhàn)。文章最后討論硬件和軟件支持。
為什么使用 8051 架構(gòu)?
為空間高度受限的應(yīng)用選擇 MCU 時,8 位處理器(如久負(fù)盛名的 8051)的優(yōu)勢眾多,如占用空間小、功耗低和設(shè)計簡單。然而,許多 8051 處理器的外設(shè)相對簡單,成為它們能否適用特定用的瓶頸。例如,低分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 無法滿足醫(yī)療設(shè)備等高精度應(yīng)用的需要。
相對較慢的時鐘也可能是一個問題。典型的 8051 MCU 工作時鐘頻率為 8 MHz 至 32 MHz,舊設(shè)計需要多個時鐘周期來處理指令。這種低速率會限制 8 位 MCU 支持實時操作的能力(如精確的電機控制)。
此外,8051 處理器的傳統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境也不符合現(xiàn)代軟件開發(fā)人員的期望。如果再加上 8 位架構(gòu)的固有限制,就會導(dǎo)致編碼過程緩慢而令人沮喪。
傳統(tǒng) 8 位處理器的局限性可能會導(dǎo)致開發(fā)人員考慮遷移到 16 位或 32 位 MCU。雖然這些 MCU 具有強大的計算能力、高性能外設(shè)以及現(xiàn)代軟件環(huán)境,但其體積也相對較大。這使得將這些器件集成到空間受限的設(shè)計中更具挑戰(zhàn)性,可能會延誤開發(fā)或增加設(shè)計規(guī)模。
與 16 位和 32 位微控制器相關(guān)的代碼量和功耗的增加也會導(dǎo)致設(shè)計達(dá)不到最優(yōu)。對于許多不涉及復(fù)雜數(shù)學(xué)的應(yīng)用來說,這些缺點尤其成問題,因為在此類應(yīng)用無法提現(xiàn)這些處理器的先進(jìn)功能優(yōu)勢。
這些權(quán)衡的理想點在項目開始時可能并不明顯,而在設(shè)計中期更換處理器可能會延誤開發(fā),或影響產(chǎn)品的尺寸或功能。因此,許多空間受限的設(shè)計可以采用功能更強大的 8051 架構(gòu) MCU,該器件將 16 位和 32 位處理器的許多優(yōu)勢帶到了外形緊湊的低功耗 8 位處理器領(lǐng)域。
EFM8BB50 為 8 位 MCU 帶來更多功能
Silicon Labs 在設(shè)計 [EFM8BB50]系列 8 位 MCU 時考慮了這些因素(圖 1)。這些 MCU 的性能更強,具有先進(jìn)的外設(shè)和現(xiàn)代軟件開發(fā)環(huán)境。
圖 1:所示為 EFM8BB50 MCU 的框圖。(圖片來源:Silicon Labs)
MCU 的核心是 CIP-51 8051 內(nèi)核,它是 Silicon Labs 實現(xiàn)的 8051 架構(gòu),經(jīng)過優(yōu)化,可提高性能、降低功耗并增強功能。其表現(xiàn)尤其值得一提。EFM8BB50 的內(nèi)核速度高達(dá) 50 MHz,70% 的指令可在一個或兩個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行。這使得該 MCU 的性能大大高于傳統(tǒng)的 8 位處理器,為從而開發(fā)人員開發(fā)更復(fù)雜的應(yīng)用提供了更大的發(fā)揮空間。
體積小也是這些MCU 的顯著特點之一。該系列的16 引腳變體(如[EFM8BB50F16G-A-QFN16])采用小至2.5 mm x 2.5 mm 的封裝。 12 引腳版本(如[EFM8BB50F16G-A-QFN12] )甚至更小,封裝尺寸可小至2 mm x 2 mm。
盡管 EFM8BB50 MCU 的尺寸很小,卻擁有一系列令人印象深刻的功能,具體包括
- 12 位 ADC,這對于需要精確傳感器數(shù)據(jù)的應(yīng)用來說至關(guān)重要
- 集成溫度傳感器,可使 MCU 無需外部元件即可監(jiān)控其內(nèi)部溫度或環(huán)境溫度
- 具有脈寬調(diào)制 (PWM) 功能的三通道可編程計數(shù)器陣列 (PCA),可產(chǎn)生 PWM 信號,用于電機控制和 LED 調(diào)光等應(yīng)用中的可變輸出控制
- 具有死區(qū)時間插入 (DTI) 功能的三通道 PWM 引擎,可增加對電機驅(qū)動器或電源轉(zhuǎn)換器等電力電子設(shè)備的控制功能
其他輸入/輸出 (I/O) 包括各種串行通信接口、一組 8 位和 16 位定時器以及四個可配置邏輯單元。該 MCU 系列的所有引腳都支持 5 V 電壓,數(shù)字 I/O 可靈活分配,以充分利用有限的引腳。
高級電源管理
EFM8BB50 集成了多項能源管理功能,可優(yōu)化功耗并延長電池壽命。首先是多種功耗模式,包括閑置模式,這種模式可降低內(nèi)核時鐘速度,同時保持外設(shè)運行。停止模式則更進(jìn)一步,在保留 RAM 和寄存器內(nèi)容的同時,停止內(nèi)核和大多數(shù)外設(shè)。某些外設(shè)可以設(shè)置為從停止模式喚醒內(nèi)核,這有利于主要地保持低功耗狀態(tài)的事件驅(qū)動型應(yīng)用。
靈活的時鐘選項會進(jìn)一步幫助節(jié)能。具有精密的內(nèi)部振蕩器,在許多情況下無需外部晶體振蕩器,從而降低了總功耗。MCU 還支持時鐘門控,可選擇性地禁用各種外設(shè)時鐘,使開發(fā)人員能夠關(guān)閉不使用的外設(shè)。
外設(shè)設(shè)計還考慮到了能效。最值得注意的是,可配置邏輯單元 (CLU) 可以獨立執(zhí)行簡單的邏輯功能,從而減少了將內(nèi)核從低功耗模式喚醒以執(zhí)行簡單任務(wù)的需要。此外,低能耗 UART(LEUART)可在禁用主振蕩器的電源模式下運行,允許在低功耗狀態(tài)下進(jìn)行串行通信。
支持直觀的軟件開發(fā)
開發(fā)人員可以在 Silicon Labs 的 [Simplicity Studio Suite] 環(huán)境下為 EFM8BB50 系列構(gòu)建軟件。該環(huán)境用于 8 位 EFM8BB50、公司的 32 位 MCU 及其無線片上系統(tǒng) (SoC)。因此,開發(fā)人員擁有了一個現(xiàn)代軟件環(huán)境,可獲得他們所期望的更強大的處理器功能。例如,該環(huán)境提供了能耗分析器,可實時對代碼進(jìn)行能耗分析器(圖 2)。
圖 2:Simplicity Studio 包含一個能耗分析器,可實時分析代碼能耗。(圖片來源:Silicon Labs)
這些工具在一個集成開發(fā)環(huán)境 (IDE) 內(nèi)構(gòu)建,該環(huán)境包含行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的代碼編輯器、編譯器、調(diào)試器和一個用戶界面(UI)引擎,可用于開發(fā)現(xiàn)代響應(yīng)式界面。通過該開發(fā)環(huán)境,可訪問具體設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)和 SDK 資源,以及專門的軟件和硬件配置工具。
Simplicity Studio 還支持 Silicon Labs Secure Vault。Secure Vault 是一款非常先進(jìn)的安全套件,具有 PSA 3 級認(rèn)證,有助于設(shè)計人員加固物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備,保護(hù)其攻擊面免受不斷升級的網(wǎng)絡(luò)威脅,同時符合不斷發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)安全法規(guī)。
快速開始使用評估套件
有興趣嘗試 EFM8BB50 的開發(fā)人員可以考慮圖 3 所示的 [BB50-EK2702A]探索者套件。該套件外形小巧,與試驗板大小一致,便于安裝到原型系統(tǒng)和實驗室硬件上。該器件有一個 USB 接口、一個板載 SEGGER J-Link 調(diào)試器、一個 LED 指示燈和一個用戶交互按鈕。該套件完全受 Simplicity Studio Suite 支持,并可與 [能耗分析器] 實用程序一起使用。為每個外設(shè)提供了軟件示例,并演示了 LED、按鈕和 UART。
圖 3:所示為 BB50-EK2702A 探索者套件。(圖片來源:Silicon Labs)
該套件包括一個 mikroBUS 插座和一個 Qwiic 連接器。這種硬件擴展板支持能夠讓開發(fā)人員使用不同供應(yīng)商的現(xiàn)成電路板快速創(chuàng)建應(yīng)用并制作原型。
對更全面的入門知識感興趣的開發(fā)人員,可以使用圖 4 所示的 [BB50-PK5208A]專業(yè)套件。該套件專為深入評估和測試而設(shè)計,包含傳感器和外設(shè),可展示 MCU 的多種功能。
圖 4:所示為用于深入評估和測試的 BB50-PK5208A 專業(yè)套件。(圖片來源:Silicon Labs)
專業(yè)套件包括 USB 連接、超低功耗 128 x 128 像素存儲器 LCD、八向模擬操縱桿、LED 和用戶按鈕。該套件還配備了 Silicon Labs 的 [Si7021]相對濕度和溫度傳感器以及多種電源,包括 USB 和鈕扣電池。
為便于擴展,該電路板提供了一個 20 針 2.54 mm 針座。該套件還提供用于直接訪問 I/O 引腳的分線焊盤。與探索者套件一樣,專業(yè)支持能耗分析器,并隨附每個外設(shè)的軟件示例。
選配 EFM8BB50 調(diào)試器
Silicon Labs 提供多種支持其 MCU 的調(diào)試器對于通用調(diào)試,該公司提供的 [DEBUGADPTR1-USB] 是一款 8 位 USB 調(diào)試適配器,帶有一個簡單的 10 針連接器。
[SI-DBG1015A]的 Simplicity Link 調(diào)試器可提供更多專業(yè)功能。該連接器與上述兩個套件中的小型 Simplicity Link 相連。除基本功能外,Simplicity Link 還提供了多種其他功能,包括 SEGGER J-Link 調(diào)試器、數(shù)據(jù)包跟蹤接口、虛擬 COM 端口和用于輕松探測單信號的分線板。
結(jié)束語
EFM8BB50 等現(xiàn)代 8051 MCU 能將通常與 16 位和 32 位器件相關(guān)的功能引入 8 位領(lǐng)域。憑借快速的時鐘速度、高性能外設(shè)和強大的軟件開發(fā)環(huán)境,該系列 MCU 為開發(fā)人員提供了合適的功能組合,可滿足越來越多空間和功耗均有限,但又需要更高性能和靈活性的應(yīng)用。
審核編輯 黃宇
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