8位微控制器用有许多实用的小功能

忘掉关于32位和64位处理器的营销炒作; 8位微控制器规则。根据Cahners的In-Stat Group的数据，今年8位微控制器的销售收入将达到48亿美元，远高于预期的36亿美元和16和32亿美元的销售收入4.52亿美元比特处理器。当您将这些美元转换为出货单位时，由于8位设备的平均售价较低，这些数字会更加夸大。 (In-Stat报告还指出，到2001年，16位器件的出货量将超过8位。)但不仅仅是较低的器件成本使得8位微处理器受欢迎;它们的相关开发工具也更便宜，而且8位设备更易于使用。半导体供应商正致力于为其8位产品注入新的活力。此步骤提供了扩展空间性能，并允许设计工程师发现使用8位微控制器的新方法。

我通过向每个微控制器供应商展示调查开始研究本文。本次调查的目的是在您使用8位微控制器规划下一个嵌入式应用程序的设计时为您提供一些弹药。在收到调查结果后，我淘汰了营销宣传，为您提供有用的信息和有用的提示。

调查中的第一个也许是最重要的问题涉及价格问题。我向15位微控制器供应商询问了有关其成本最低的8位器件的信息(表1)。首先要注意的是，当你谈价格，特别是大量销售的单位的价格时，它就变成了游戏。

正如一位供应商所说：“为什么我要发布我的最优惠价格，以便让我的小批量客户疯狂地试图获得它?这会让那些没有理由在下次与我们讨价还价的买家我们在。“本声明解释了为什么表1中的单位数量在10,000到100万之间。

另一个值得注意的有趣点是你可以得到你付出的代价。 Zilog的Z8E000(表中成本最低的设备)的功能与外围封装的飞利浦'P87LPC762BN或摩托罗拉的MC68HC908GP32(图1)无法比较。虽然飞利浦设备的成本是Zilog的三倍，但请记住，当您坐在谈判桌旁时价格会发生变化。

Flash不会在闪存中发生

内存是任何嵌入式系统设计中最重要的方面之一。许多使用8位微控制器的嵌入式系统依赖于不断改进的工艺技术，以更低的成本增加片上存储器的数量。

对于半导体制造商而言，ROM工艺的复杂性最低，硅加工成本最低。尽管ROM对于大批量的稳定应用非常有用，但是一次性可编程(OTP)存储器有利于更小批量的应用，因为系统制造商可以将这些存储器作为标准产品购买。 OTP允许您通过使用未使用的内存位置来执行最少量的现场升级。除了更昂贵的EEPROM之外，闪存提供了最大的灵活性，但它有其局限性，例如成本和编程缓慢。由于系统内重新编程所需的系统复杂性增加，闪存的灵活性也带来了挑战。例如，您必须设计系统以适应异常情况，例如在现场升级期间丢失调制解调器连接或电源。

调查中的第二个问题询问了微控制器供应商他们的内存选项和策略。从调查结果可以清楚地看出，闪存已成为大多数供应商的焦点，因为他们决定如何降低成本和增加密度。

日立声称其闪存技术已经成熟，可以赶上其嵌入式产品。 -EPROM价格。因此，该公司正在用基于闪存的设备取代其旧的基于EPROM的微控制器，为8位微控制器提供高达60千字节的闪存。此外，日立已经用闪存取代了OTP控制器。 NEC采取了同样的措施，尽管它表明掩模ROM将是几年来最具成本效益的选择。该公司还在其8位器件中提供高达60千字节的ROM。 Atmel是闪存的另一个坚定支持者，声称其基于闪存的8051和AVR微控制器以掩模ROM价格提供。

摩托罗拉也意识到闪存是许多8位系统设计人员不断增长的需求并与AMD的研究和开发合作，以降低技术成本。除制造成本外，另一个关键闪存问题是编程成本。摩托罗拉基于闪存的HC08包括Flashwire，这是一种单线通信方法，允许您在没有特殊模式或高电压的情况下快速编程生产线，只需V DD 。摩托罗拉68HC908GP32上的第二代闪存程序至少为2毫秒，为64字节。此外，该工艺技术支持多达10,000个擦除周期。

虽然东芝相信闪存的价值，但它是少数几家缺乏基于闪存的产品的8位供应商之一。该公司计划在2000年前提供片上闪存，并将使用单片或“批量可擦除”方法来减小芯片尺寸。但是，东芝认为其掩模ROM器件将成为支持96千字节和更大ROM的主要存储器类型。英飞凌还得出结论，掩模ROM将主导其基于8051的微控制器。该公司承认闪存工艺(包括良率问题)的成本远高于相同数量的ROM。

Microchip宣称其可迁移内存技术可提供其等效ROM，OTP之间的插槽和软件兼容性，和闪存微控制器。可移植存储器技术意味着Microchip在公司的0.7μm工艺中使用与ROM，OTP和闪存中的逻辑晶体管相同的电气规范。

Microchip抱怨闪存编程时间为10毫秒每个细胞的EPROM为10?sec。制造商必须具有远大于OTP设备所需功能的批量编程能力。此外，在小型闪存阵列中，设计无法分摊行和列解码所需的额外逻辑。

如果您需要的内存超过计划使用的微控制器上的可用内存，则可以扩展微控制器使用扩展芯片的能力。例如，Waferscale基于闪存的PSD8XXF IC提供各种外部存储器和逻辑组合。这些IC提供256千字节的闪存，可选的第二个32千字节的闪存或EEPROM阵列，多达8千字的SRAM，一个3000门的CPLD和额外的I/O. PSD8XXF具有内置接口，您可以将其配置为与任何8位CISC微控制器配合使用，包括具有突发和页面架构的微控制器。 JTAG端口提供首次编程和后续的现场更新。

周边视觉增强了8位设备

在8位微控制器的世界中，供应商提供的集成外设类型可以在成功设计和不成功设计之间产生重大影响。虽然某些外设(如定时器和基本串行端口)是大多数设备的标准配置，但每个供应商通常都会提供具有特殊功能的微控制器。许多供应商推荐他们的模拟/数字转换器，许多应用需要。例如，Atmel，Infineon，Toshiba和其他公司提供快速10位ADC。英飞凌声称转换时间低至6?sec，在0至5V工作时精度在5至10 mV之间。 Microchip声称是唯一一家在8位微控制器上提供12位分辨率ADC的供应商;其PIC16C770和PIC16C771器件采用20引脚封装，提供此功能。

另一种流行的外设是控制器局域网(CAN)接口。 Dallas Semiconductor为其基于8051的微控制器提供双CAN接口。此功能允许芯片充当大型CAN网络中的桥接器。它的接口还支持DeviceNet，一种高级CAN协议。英飞凌的CAN接口提供了CAN 2.0B规范的所有功能。许多其他供应商，包括Microchip，摩托罗拉和意法半导体，也提供CAN控制器。

赛普拉斯半导体的8位产品以通用串行总线(USB)接口为中心。该公司提供低端CY7CXXXX和EZ-USB(该公司收购AnchorChips的结果)。对于1.5 Mbps USB应用，CY7CXXXX采用赛普拉斯开发的8位架构，为人机接口设备(HID)市场提供服务，包括鼠标，键盘和操纵杆。对于需要完整12 Mbps的USB应用，赛普拉斯将此接口与24-MHz 8051内核(基于RAM的EZ-USB)相结合。该系列包含一个智能USB内核，可从8051中卸载90%的USB任务。该公司已设计出三种加载8051固件的方法。一种有趣且独特的方式允许您在上电或计算期间通过USB端口下载8051固件。英飞凌，意法半导体等公司也拥有USB外设。与赛普拉斯的产品类似，英飞凌的USB接口支持全速和低速USB通信。

另一个有趣的转折涉及8位设备，允许您动态创建自己的外围设备。一个例子是来自Triscend的基于8051的FastChip，它允许您将其库中的外围模块放置在专用处理器内核周围，并将新设计安装在Triscend的FPGA类芯片中。 Scenix Semiconductor还允许您动态创建外设，并提供虚拟外设方法，以便在软件而非硬件中实现外设功能。 Scenix提供虚拟外设模块，包括UART，多功能I 2 C功能，以及双音多频检测。 Scenix还提供虚拟外围网络连接协议栈，可直接访问互联网。

行业分析公司Forward Concepts总裁Will Strauss表示，Scenix微控制器“似乎有能力做所有的Net协议功能，提供物理接口，并且仍然运行一个应用程序，“虽然施特劳斯说他没有证实这个事实。 SX堆栈可以与任何Web浏览器通信，并允许您接收和传输电子邮件。该堆栈包括带有传输控制协议/Internet协议的物理接口层，使系统设计人员无需外部物理访问芯片或网关PC即可生成嵌入式Internet设备。

真正的SOC

虽然今年的“嗡嗡声”是“芯片系统”(SOC)，但半导体营销人员却设法误解了这个术语的含义。对某些人来说，将一些功能抛到与处理器内核相同的芯片上构成SOC。在8位世界中，成本几乎占据了一切，“片上系统”是一个字面的术语。除了降低成本外，SOC的其他副产品还包括降低电路板空间，降低功耗和EMI，以及提高可靠性。为了利用这些特性，供应商通常会在芯片上放置整个系统，除了少量电阻器和电容器，电源和连接器。一些半导体供应商提出了他们对SOC是什么以及他们的产品如何帮助您降低系统成本和提供其他好处的观点。

系统成本取决于很多因素。您可以通过在I/O引脚上放置可编程上拉电阻来最小化或消除外部元件，以帮助消除外部电阻，这也消除了将它们焊接到电路板上的成本。摩托罗拉，意法半导体等公司在I/O引脚上提供高电流吸收和源功能，可帮助您消除对外部驱动器的需求。一个8位器件还应具有相邻的V DD 和V SS 引脚更容易连接旁路电容器。

这些器件还应集成可编程低压复位电路，以消除使用外部监控电路的25美分或更高成本，并防止系统因线路而导致锁定 - 电压欠压条件。摩托罗拉的HC08具有双重可选低压接口，允许您在3或5V系统中使用它们。意法半导体提供三级低电源电压检测。 Microchip提供可编程低压检测，允许您通过软件在系统级选择低压检测范围。 Dallas Semiconductor实现了电源失效复位/中断功能，允许微控制器在电源故障期间执行受控关断;当微控制器检测到电源故障并采取适当措施时，它会中断所有处理器操作。

对于高速设计，PLL时钟电路允许您使用更具成本效益的振荡器。例如，Motorola 68HC908GP32上的低成本32 kHz晶振可以产生一个工作频率高达32 MHz的内部时钟;此功能还可以大大降低EMI。摩托罗拉的一些器件具有简单的RC振荡器，成本更低，而且它的一些新器件具有可编程内部振荡器，具有±2%精度的微调。 68HC908GP32的PLL还集成了一个可编程时基模块，允许器件在不使用外部电路的情况下从停止模式唤醒。将时基模块与晶体结合使用，您还可以以最小的软件开销实现实时时钟。每秒一个中断允许设备更新软件时钟和日历。此功能有助于在数据记录和用户界面应用程序中消除外部时钟芯片的使用。与此同时，Dallas Semiconductor以其内部实时时钟而闻名，可简化软件开销并释放专用端口引脚。

STMicroelectronics提供内部备用RC振荡器，可在外部振荡器发生故障时自动接管。该公司与Hitachi和NEC一起提供多个振荡器输入，允许您根据应用需求切换处理器速度。

许多设计的另一个重要组成部分是8位微控制器的内部延迟和支持上电排序的电路，无需外部监控电路。不要忘记许多8位微控制器支持的看门狗;在软件出现故障或发生杂散噪声条件后让系统恢复至关重要。您可以通过多种方式实现高抗噪性;例如，意法半导体使用片上钳位二极管来保护每个引脚。

8位系统设计的世界几乎没有留下邋and和铺张浪费的空间。片上存储器的每个字节都至关重要。关键任务外围设备的功能和可用性可以在成功的设计中发挥重要作用。将这些标准与提高性能和降低功耗的需求相结合，很容易看出8位处理器供应商为他们做了工作。

当尺寸(和性能)重要时

一些供应商会告诉您，在8位世界中，微控制器内核占据了外围设备的后座。其他人则认为性能更重要，因为这是阻碍设计人员跳转到16位或32位产品的因素之一。 (直到EDN嵌入式微处理器基准联盟提供基准测试，您无法公平地比较微控制器的性能。)各种供应商向EDN提供了有关处理器内核的意见和事实用于他们的8位微控制器。

摩托罗拉认为，大多数低端8位应用程序都需要几乎所有8位内核都能提供的性能。然而，要求更高的应用程序需要更高的性能，摩托罗拉希望EEMBC基准测试有助于分析“更强大”的8位控制器。 68HC05适用于更简单的功能，例如在I/O引脚上生成50 kHz波形用于远程控制，但您需要HC08或HC11的性能才能达到更高的频率。另一方面，当您以1.8V运行HC08以节省功率时，您必须降低控制器的性能。为了解决这个问题，摩托罗拉设计了一个遥控定时器作为其RC微控制器系列的一部分。

NEC的观点略有不同。其低端8位微处理器具有硬件乘法/除法，位/半字节操作，多个寄存器组和1字节调用指令。该核心工作频率为8 MHz，可提供256纳秒的指令时间，NEC声称可满足大多数性能需求。

日立认为CPU核心在器件选择中起着重要作用，因为它会影响功耗，代码大小，性能和编程能力。有趣的是，性能和架构效率在较低的工作频率下更为重要，因为每个时钟都很重要。换句话说，对于每个周期，CPU必须完成尽可能多的工作。日立公司的H8微控制器在两个时钟周期内执行超过50%的指令。

Microchip认为快速CPU通过提供对外设的更快响应，使外设更高效。例如，如果串行端口以1.2 Mbps运行，它将以8.3?秒的速率接收和发送8位数据。为了保持系统的吞吐量，CPU响应时间必须大约为8?sec，以产生25?sec的响应时间。东芝TLCS-870和TLCS-870/X架构的寄存器组体现了可加速CPU响应的微控制器。或者，在控制应用中，更快的CPU内核可以更快速地计算复杂的方程，并使外设(通常是PWM输出)能够更快地响应输出的变化。 Microchip的PICmicro架构支持单周期执行指令，该公司声称其性能优于68HC05的2.3倍。但是，该数字并未考虑指令效率。它需要的不仅仅是Dhrystone基准来证明这一事实。

性能高于功耗

为了满足实时应用的要求，CPU必须提供时间关键任务的确定性执行，用于中断处理和子程序操作的独立堆栈，以及自动上下文 - 保存中断。当Scenix SX28AC100以100 MHz运行时，以20 nsec/指令的恒定速率执行的高效指令集有助于提供确定性的任务执行。此外，SX28AC100的中断响应时间为60 ns，有助于缩短执行调度和上下文切换所需的时间。 Scenix声称您不需要基准来比较其设备，因为该公司不涉及多市场应用程序。另一方面，这种立场使得很难验证有关性能的声明。

关于其8位微控制器，STMicroelectronics建议复杂应用还依赖于诸如多种间接寻址模式，附加索引和通用寄存器，用户可重映射的中断向量，嵌套中断和经过深思熟虑的指令集。

Atmel表示，实现高性能8位微控制器的技巧之一就是使用现代而不是20年的建筑。 (很抱歉，8051!)该公司的AVR是RISC内核，具有单周期执行功能，可以处理多达8 Mbits。 Atmel声称AVR是市场上速度最快的8位微控制器核心，但尚未使用行业标准基准验证该声明。

Atmel和其他几十家供应商将基于8051的设备销售到低端应用程序中。大多数供应商都认为，这种架构的价值在于设计人员熟悉架构和各种可用工具。飞利浦半导体是一家8051供应商，也致力于降低EMC和功耗。该公司的新型C51 +内核提供了一个低功耗，静态内核，与传统的C51器件相比，每个机器周期的效率提高了6个时钟，而传统的C51器件采用12个时钟内核。 Dallas Semiconductor还重新设计了“旧的”8051内核，并提供运行速度比原来快三倍的设备。