8位單片機(jī)寶刀未老在SoC中大有作為

1、8位單片機(jī)寶刀未老，在soc中大有作為過去15 年來，許多人都曾預(yù)測(cè)8 位微控制器即將退出舞臺(tái)，然而這卻是產(chǎn)業(yè)失誤最大的預(yù)測(cè)之一；實(shí)際上，雖然16 和32 位產(chǎn)品已極為常見，8 位微控制器的需求仍繼續(xù)成長，總值約達(dá)到今天100 億美元全球微控制器市場的一半。推進(jìn)8 位市場迅速進(jìn)展及成長的動(dòng)力主要來自于8 位產(chǎn)品效能的大幅提升，特殊是以8051 系列為基礎(chǔ)的產(chǎn)品，其它緣由還包括芯片內(nèi)建功能的加強(qiáng)以及不斷縮小的封裝體積。今日，這類組件已能提供高達(dá)100 的產(chǎn)出，這是8 位微控制器在短短幾年前還無法想象的事情。然而重要的不僅是原始運(yùn)算效能，真切世界是個(gè)模擬世界，因此系統(tǒng)也需要模擬和混合訊號(hào)功能，而且

2、最好內(nèi)建于芯片中。與外在世界的通訊也是問題，核心處理效能需要與其相稱的通訊能力，使它能夠很有效的聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)其它組件，這樣才干將強(qiáng)大效能化為實(shí)際優(yōu)點(diǎn)。8051 如何跟上今天的效能需求最早的8051 是由英特爾在1980 年推出，它讓每一個(gè)命令的執(zhí)行跨越12 個(gè)頻率周期，使得硬件資源的需求減至最少。10 年后，dallas semiconductor (今日的) 利用新設(shè)計(jì)來充實(shí)這套架構(gòu)，它移除了冗余的動(dòng)作，讓典型命令只需要4 個(gè)頻率周期；他們還推出可挺直取代8051 的兼容微控制器，可將既有系統(tǒng)的效能立即提高三倍。silicon laboratories 的8 位微控制器系列采納了新的專屬設(shè)計(jì)來實(shí)

3、作8051 命令集架構(gòu)，它能提供最大的命令產(chǎn)出，同時(shí)維持完整的目的碼 (object code) 兼容能力，以進(jìn)展出采納硬件銜接(hard wired) 實(shí)作方式的c8051f 中心處理器，而不是本來采納微碼(micro-coded) 的設(shè)計(jì)。新設(shè)計(jì)會(huì)將命令集映像到兩級(jí)式基本處理管線，以便提高產(chǎn)出，同時(shí)維持8 位的程序內(nèi)存寬度。這種辦法帶來了一系列新組件，它們能在1 或2 個(gè)頻率周期內(nèi)執(zhí)行絕大多數(shù)的命令，效能超過原始8051 設(shè)計(jì)的20 至25 倍。有了這樣的效能，工程師只要利用成本更低的8 位產(chǎn)品，就能支持原本需要較昂貴的16 或32 位微控制器才干執(zhí)行的應(yīng)用。微控制器現(xiàn)能整合那些功能而不會(huì)

4、犧牲其效能？在幾乎全部的電子系統(tǒng)中，工程師都想將最多功能整合至最小空間，這種做法有許多廣為人知的優(yōu)點(diǎn)，包括零件數(shù)目降低、庫存組件削減、創(chuàng)造成本下降、以及可能帶來的更高效能與牢靠性。因此，針對(duì)特定應(yīng)用評(píng)估所挑選的微控制器時(shí)，重要的是從解決計(jì)劃總成本的角度來考慮這些優(yōu)點(diǎn)，而不僅是單顆零件的價(jià)格。近幾年來，隨著價(jià)格不斷下滑，芯片內(nèi)建閃存已變得日益流行；除了對(duì)于價(jià)格最敏感的高產(chǎn)量型應(yīng)用之外，其它應(yīng)用現(xiàn)都認(rèn)為值得付出少許的代價(jià)，來換取超越可程序一次(one-time-programmable) 組件的更大彈性。在線除錯(cuò) (in-system debug) 也是所想要的功能，因?yàn)樗鼈兡苊獬人璧陌嘿F器

5、，新組件的應(yīng)用成本將會(huì)下降，設(shè)計(jì)人員也能更自由的為特定應(yīng)用挑選最合適的組件。雖然32 位的微控制器和數(shù)字訊號(hào)處理器已廣泛提供在線除錯(cuò)功能，但是在silicon laboratories 推出c8051f 組件系列之前，8 位產(chǎn)品卻極少提供在線除錯(cuò)功能。精準(zhǔn)、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器是系統(tǒng)最常需要的模擬零件，溫度量測(cè)功能、參考和也很常用；在數(shù)字外圍方面，外部通訊最常用法的標(biāo)準(zhǔn)包括uart 以及spi、i2c、 和can 界面，另外還會(huì)加入功能包括定時(shí)器和可程序計(jì)數(shù)器數(shù)組。 相較于采納離散零件的解決計(jì)劃，把模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器整合至微控制器常會(huì)導(dǎo)致效能下降，特殊是模擬功能的線性特性

6、和訊號(hào)雜波比；即便如此，仍有些新組件的效能已不輸給用法最佳零件的解決計(jì)劃或內(nèi)建16 位、1 msps 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的其它產(chǎn)品。如前所述，8 位微控制器現(xiàn)已能提供高達(dá)100 mips 的峰值產(chǎn)出，圖1 就是這類組件的功能線路圖，它是由silicon laboratories 所提供的c8051f120，內(nèi)建128 kbytes 閃存、 8.25 kbytes ram 、12 位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、12 位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器以及各種數(shù)字外圍，包括uart、spi 總線、i2c 總線、定時(shí)器模塊和外部內(nèi)存界面。這顆組件特地支持運(yùn)算量浩大、又需要高效能模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器及數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的混合訊號(hào)應(yīng)用，它還提供在

7、線除錯(cuò)功能。圖1：模擬及數(shù)字功能的整合讓8 位微控制器得以提供臨近系統(tǒng)單芯片的功能典型應(yīng)用：高速電池充電器 考慮過現(xiàn)有產(chǎn)品后，我們將介紹一項(xiàng)應(yīng)用，其中的混合訊號(hào)微控制器就能提供我們?cè)阡囯x子電池高速充電中所研究的優(yōu)點(diǎn)。 電池必需能快速、平安而有效的舉行充電，最佳充電方式通常包含三個(gè)階段：低調(diào)整階段，用來將早期的自我復(fù)原-(early self healing) 減至最少，同時(shí)避開充電過程太早結(jié)束；定電流充電階段，用來提供大部份電力；以及定電壓階段充電結(jié)束通常也是時(shí)光最長的階段。充電過程中，部份電能會(huì)改變?yōu)闊崃浚?dāng)電池達(dá)到滿電力后，全部送給它的能量都會(huì)變成熱量，這可能造成危急和損害，因此必需監(jiān)視電

8、池溫度以避開傷害。要推斷電池是否已彌漫電力，絕大多數(shù)的鋰離子充電器會(huì)將電池電壓保持固定，然后監(jiān)測(cè)最小的電流值，圖2 即為充電曲線，它是利用降壓轉(zhuǎn)換器實(shí)作所得到的最有效曲線，這個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器是一種交換式穩(wěn)壓器，它會(huì)用法或是做為儲(chǔ)能裝置，然后以個(gè)別封包的形式把能量從輸入端送到輸出端。回授回路則會(huì)透過晶體管來調(diào)整能量傳送，以便在電路的負(fù)載范圍內(nèi)維持定電壓或定電流。圖2：鋰離子電池的充電曲線利用8 位微控制器c8051f300 和它內(nèi)建的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、閃存、脈沖寬度調(diào)變器、溫度以及精及時(shí)鐘電路，即可設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)某潆婋娐?。圖3 所示即為這類充電器的方塊圖，芯片內(nèi)建高速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器提供精確的充電電壓監(jiān)測(cè)功能，用來避開過度充電，并提供最大的充電有效性和電池壽命。芯片內(nèi)建比較器和 則為高速降壓轉(zhuǎn)換器的實(shí)作提供須要功能，使它們只需要一顆很小的外接電感。芯片內(nèi)建提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電壓，可用來推斷電池溫度；若有須要，它也能用法外接的性溫度感測(cè)組件。最后，這顆微控制器還提供組態(tài)配置及程序設(shè)定功能，這使它能支持不同類型的電池，幫助客戶削減零件庫存，加快新產(chǎn)品上市時(shí)光。圖3：鋰離子電池充