在8位MCU架構(gòu)的進(jìn)化變化正在幫助他們留在包的頭部在整個MCU市場部銷售​​方面。在許多應(yīng)用中，8位MCU成功抵御來自32位MCU的競爭 - 而不僅僅是在設(shè)計需要非常小的外形尺寸，超低能耗，低引腳和非常低的價格情況。在一些情況下，8位MCU實際上優(yōu)于其32位的競爭對手。市場研究公司IC Insights的，亞利桑那州鳳凰城，預(yù)測，8位MCU將繼續(xù)在微控制器業(yè)務(wù)最大的單位出貨量至少到2018年。另一方面，32位MCU的出貨量增長速度為9.5% - 一個更高的年利率超過8位器件。一些架構(gòu)的改變 - 比如做8位MCU更容易在C代碼編程 - 落入跟上不斷變化的世界的范疇。其他的變化有一個“回到未來”對他們的感覺，如返回與MCU的外設(shè)執(zhí)行任務(wù)，而無需CPU干預(yù)的閉環(huán)反饋控制的概念。自治區(qū)MCU外設(shè)已經(jīng)存在了相當(dāng)長的一段時間，但MCU供應(yīng)商，致力于全力支持他們的8位產(chǎn)品線不斷增加的移動術(shù)語“自主外圍”的含義到一個新的境界復(fù)雜的技術(shù)。

可配置邏輯單元

最近一系列創(chuàng)新技術(shù)來自Microchip的技術(shù)公司稱之為“功能啟用”它開始與“核心獨立外設(shè)”的概念 - 外圍設(shè)備專門設(shè)計的盡可能在無需CPU干預(yù) - 并有效溝通彼此在必要時。增強外設(shè)至外圍通信是利用可配置邏輯單元(CLCS)實現(xiàn)的。 Microchip的芯片設(shè)計師創(chuàng)造了這個通信的靈活性，使嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員可以使用核心獨立外設(shè)硬件來實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。除了減輕處理負(fù)荷的CPU，這有其他好處包括：更快的響應(yīng)時間，應(yīng)用程序代碼更少，降低能源消耗，并減少對MCU的內(nèi)存需求。 CLC模塊具有八個信號可作為輸入到可配置邏輯單元和每個輸入信號可變化從設(shè)備到設(shè)備。多達(dá)四個輸入可以同時被選擇，這是使用4個8輸入多路傳遞到CLC的數(shù)據(jù)選通階段對輸入信號進(jìn)行。圖1示出了具有與CLCxSEL0和CLCxSEL1寄存器選擇的輸入信號的CLC的初始配置步驟。用配置工具后續(xù)步驟創(chuàng)建CLC的完整功能。

圖1：在配置的第一階段可配置邏輯單元。

閉環(huán)控制

該功能啟用的概念開始，查明可能存在的任何嵌入式應(yīng)用通用功能組件。這些包括：電力轉(zhuǎn)換，定時，傳感器接口，電機(jī)控制，輸出和信號生成，通信，人機(jī)接口，以及安全(遵守涉及軟件中斷的規(guī)定，例如)。要注意的是Microchip的功能啟用移動術(shù)語“自主周”的含義到一個新的領(lǐng)域是很重要的。作為CLC，并且其中核 - 獨立外設(shè)芯片上實施的方式的結(jié)果，結(jié)果是不單純的外圍，其作用或多或少獨立地不時執(zhí)行一個單一的功能。相反，外圍 - 外圍設(shè)備的組合，或 - 可以根據(jù)需要動態(tài)由設(shè)計者組合。

應(yīng)用

芯 - 獨立外設(shè)被用于不同的用途的一個例子是Microchip的數(shù)控振蕩器(NCO)。雖然通常用在照明控制應(yīng)用，它也可用于與設(shè)備上的其它現(xiàn)有的外圍​​設(shè)備一起使用，以實現(xiàn)某些類型的數(shù)據(jù)發(fā)送/接收的應(yīng)用或甚至促進(jìn)更高高分辨率PWM。常規(guī)的PWM開始在相對低的開關(guān)頻率失去有效分辨率。在脈沖的最小增量變化寬度可實現(xiàn)通過與16 MHz的系統(tǒng)時鐘速度的傳統(tǒng)的PWM，例如是62.5毫微秒。如果最快的PWM時鐘為四分之一的振蕩器頻率(FOSC / 4)，那么這將增加至250納秒。用盡可能少的15 PS的增量脈沖寬度的變化而PWM可以與核心獨立外設(shè)的MCU然而，建造，通過與CLC結(jié)合使用數(shù)控振蕩器(NCO)。的簡化框圖，示出該技術(shù)示出在圖2中輸出控制器塊是基于CLC。雖然NCO本身不能產(chǎn)生一個PWM信號，其行為可以通過添加CLC-基于輸出控制器以產(chǎn)生所需的PWM輸出被改變。的NCO確定脈沖寬度。常規(guī)的片上PWM可以用作一個時鐘源來觸發(fā)PWM周期。在CLC控制邏輯用于當(dāng)切換時鐘指示其是時間的下一個脈沖來設(shè)置一個輸出。該CLC清除輸出完成脈沖一旦NCO溢出。

圖2：使用NCO和CLC-基于輸出控制器實現(xiàn)高分辨率PWM。任何數(shù)量的時鐘源的可使用(例如，定時器或甚至外部信號)，并且在一些應(yīng)用中的外部觸發(fā)可以是啟動脈沖的最佳選擇。一個零電流檢測電路，例如，將建立一個電源時是適當(dāng)?shù)?。?- 獨立外設(shè)的MCU，在這種類型的應(yīng)用程序的工作，因為它集成CLC，PWM和NCO塊的一個例子是PIC16F1509-I / SS。要開始使用這種類型的設(shè)計方式，在PIC10F32X開發(fā)板是一個非常有用的工具。這是工廠NCO和CLC演示軟件編程，包括原型領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)。雖然與外圍設(shè)備創(chuàng)建的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的策略有很多優(yōu)點，有時候CPU干預(yù)是真正需要 - 當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常行為，例如。硬件限制定時器這種可能性。大多數(shù)外設(shè)啟動某種形式的活動，但硬件限制定時器通常用于等待一個事件的發(fā)生 - 做一些針對這一情況不會發(fā)生的事件。從電源的應(yīng)用程序損壞保護(hù)的MOSFET是一個很好的例子。 LED照明應(yīng)用要求非常高的分辨率電源。用Microchip的核心獨立外設(shè)，一個PWM可被配置為驅(qū)動一對FET無需CPU干預(yù)在正常情況下。在PWM未關(guān)閉時，它應(yīng)該，硬件限制定時器，運算放大器和比較器可以用來確保MOSFET不被損壞的情況。計時器的基本任務(wù)是監(jiān)視一定的時間間隔后，PWM是否關(guān)閉，因為它會在正常運行。如果沒有，硬件限制定時器觸發(fā)中斷，要求CPU檢查出異常，這可能是一個小故障或更嚴(yán)重的原因。如果CPU確定該條件是其中將PWM應(yīng)關(guān)閉，​​則整個關(guān)機(jī)操作需要大約80納秒，因為它是在硬件中執(zhí)行：比較器可以在50納秒翻轉(zhuǎn);占綜合運算放大器的壓擺率又增加了30納秒。軟件實現(xiàn)幾乎不會那么快，因為會有延遲的兩個或三個時鐘周期涉及發(fā)出中斷加發(fā)出指令所需要的時間。在某些情況下，有可能也造成較高優(yōu)先級的中斷的延遲。 Microchip的8位PIC16F170X / 171X系列是最早擁有核心獨立外設(shè)。這個家庭的成員，可用于多種應(yīng)用，包括智能照明控制。一個典型的選擇可能是PIC16F1703-I / SL。伴隨產(chǎn)品是DM330014 LED照明開發(fā)工具包。

32位挑戰(zhàn)

在應(yīng)用中，8位和32位MCU競爭，32位的倡導(dǎo)者的說法一直是他們的低端設(shè)備的價格競爭力的8位MCU(與在大批量購買，他們甚至有可能定價更低)。仔細(xì)檢查那些具有成本競爭力的8位MCU 32位MCU，然而，表明它們是只集成基本的外設(shè)低端設(shè)備。然而，增加更多的外圍設(shè)備增加了成本，所以配套的低端32位器件外設(shè)豐富的8位設(shè)備可能不會總是產(chǎn)生一個蘋果對蘋果的比較。低端32位MCU只剩下一個選擇：在軟件運行的硬件是什么與外圍設(shè)備的隊列8位器件做更有效率。即，更少的行的代碼，更快的響應(yīng)時間，更快地向市場推出的應(yīng)用，和更低的能量消耗，因為更多的執(zhí)行指令需要更多的時鐘周期。執(zhí)行功能在硬件上更快也允許微控制器進(jìn)入休眠模式更快 - 并停留的時間長一些。

指令集和流水線

雖然Microchip的可以采取信貸的最新創(chuàng)新的8位架構(gòu)，它絕不是唯一一家具有強烈的承諾，使8位MCU能夠提供卓越的性能。 Silicon Labs公司已經(jīng)重新設(shè)計了基本的8051 MCU架構(gòu)成一個流水線復(fù)雜指令集(CISC)設(shè)備，獲取/解碼/執(zhí)行管階段。指令集體系結(jié)構(gòu)已被修改以最大化指令吞吐量，同時保持100%的對象的代碼兼容。這種“硬連接”的實現(xiàn)提供了原始的微碼版本的許多好處。 Silicon Labs的指令集本身也發(fā)生了變化。它現(xiàn)在被映射到兩級流水線增加的吞吐量，并保持一個8位的程序存儲器寬度。其結(jié)果是，在1或2個時鐘周期執(zhí)行大多數(shù)指令，并提供原始8051芯的20至25倍的性能的MCU。流水線結(jié)構(gòu)提供了計算性能，能夠提供更先進(jìn)的CPU架構(gòu)來毫不遜色。大多數(shù)基于RISC的微控制器，例如，是基于寄存器的，并允許對存儲在寄存器文件中的值只算術(shù)邏輯單元(ALU)操作。這意味著以“與”兩個值相加，值必須移到寄存器文件它們可被操作上之前。 Silicon Labs的8051架構(gòu)，在另一方面，直接執(zhí)行此操作存儲在外設(shè)寄存器的值。這使得MCU進(jìn)行快速控制功能。除了積極支持其8位產(chǎn)品線，Silicon Labs公司還雕刻出一個利基市場在低功耗運行。其C8051F96x系列的成員，如C8501F969-A-GM集成片上DC-DC轉(zhuǎn)換器，它由40%降低工作模式功耗，并提供比電池壽命的移動應(yīng)用程序和應(yīng)用程序增加了線性穩(wěn)壓器更高的效率電壓轉(zhuǎn)換其中，主電源不可用。

結(jié)論

雖然8位MCU正在取代大量32位MCU的計算密集型應(yīng)用，他們還是提供了很多有吸引力的功能，系統(tǒng)設(shè)計師。 IC公司具有強大的8位產(chǎn)品線已經(jīng)成功地發(fā)展架構(gòu)和指令集保留8位MCU的競爭力。也許最重要的創(chuàng)新是在片上外設(shè)，提供了硬件執(zhí)行的地區(qū)時，32位MCU是價格競爭力，必須在軟件上執(zhí)行。增強型技術(shù)與外圍設(shè)備和新型的外圍設(shè)備之間的通信是給8位器件更大的優(yōu)勢，在需要低能量消耗成本敏感的應(yīng)用。