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发生在8位MCU身上的一些重要“进化”

贸泽电子 来源:贸泽电子 作者:贸泽电子 2021-11-17 15:17 次阅读

今天很多学习单片机嵌入式系统开发的人,都是从基于Arm的32位微控制器MCU)起步的,因此在不少人看来,8位MCU已经是“过去时”,正在逐渐淡出大家的视野。但事实并非如此——有数据显示,2020年全球MCU市场中,虽然32位MCU的占比达到了55%,稳居首位,但是8位MCU这位“老战士”依然十分“能打”,占据着43%的市场份额,且毫无“隐退江湖”的意思。

之所以会出现这种32位和8位MCU两强并立的局面,和嵌入式市场的结构特点不无关系。要知道,嵌入式系统的最终应用千差万别,因此性能并非是所有应用考虑的首要因素,这就造成了MCU产品的演化道路发生了分支——一个方向以32位MCU为代表,着力于通过更高的性能去满足高速大量信息处理的需要,由此发展出的各种MCU新技能很是让人眼花缭乱;而另一个方向则是侧重提升控制能力,在这个方面,8位MCU凭借着在性能、价格、功耗、可靠性及稳定性上完美的“平衡”表现,仍然占据着相当的地位,呈现出顽强的生命力。

顽强进化的8位MCU

当然,在竞争白热化的MCU市场中,8位MCU这份稳固的“基业”也不是白来的,除了对以往固有市场优势的传承,更重要的是这些年来, 8位MCU在技术上一直没有停止过改进完善的步伐,通过不断采用芯片设计和制造新技术,甚至是吸收竞争对手32位MCU的一些新“玩法”,才经受住了岁月的洗礼,历久弥新。

观察过去十年来发生在8位MCU身上的一些重要的“进化”,可以归纳出以下四个方面。

1

优化MCU内核

既然不能在算力性能上与32位Arm处理器内核硬钢,8位MCU就在自己的内核结构上挖潜,针对控制功能进行优化,提升指令的运行效率,力求在控制功能上不输于、甚至优于32位MCU。

2

集成更丰富的外设

得益于芯片设计和工艺技术的进步,使得今天8位MCU也可以像32位产品那样将越来越多的模拟接口振荡器定时器等外设功能集成到一颗芯片中,构成一个功能完整、能够应对特定设计所需的解决方案。而且MCU外设的智能化,还可以分担部分CPU内核的工作,使得产品能够兼具功能上的扩展和功耗上的优化。

3

采用低功耗设计技术

低功耗原本就是8位MCU的一个优势,在此基础上,越来越多的8位产品也引入了功耗分级管理策略,可以根据不同功率等级的需要开启或关闭相应的片上功能单元,极大地优化整体功耗表现。

4

提供易用的开发环境

32位MCU应用市场之所以发展迅速,一个很重要的原因在于与其配套的完整、简单易用的软件开发环境(IDE),以及围绕这IDE的其他软件资源和丰富的例程,这使得开发者能够基于高级语言完成MCU的应用开发工作。这个经验,8位MCU也学到了,并且学以致用,如今8位MCU的配套开发工具也变得越来越好用,生态也越来越完善,大大地简化和加速了8位MCU的应用开发设计。

纵观市场,上述这四种“进化”已经成为了8位MCU发展普遍的趋势,每个MCU厂商也都遵循着这样的思路,在自身技术积淀基础上,紧跟市场的步伐,不断推出8位MCU新品。Silicon Labs就是在这一“进化”过程中,表现可圈可点的一家。

8051中的“小蜜蜂”

Silicon Labs的8位MCU内核采用的是广为人知的8051架构,但其已经是对标准8051架构的改良之作。

要知道,标准的8051架构执行一条指令最少要一个机器周期,而一个机器周期要占用12个系统时钟周期。Silicon Labs的8位MCU采用的是经过特别优化的、与标准8051兼容的CIP-51内核,该内核基于独特的流水线结构,将一个机器周期由标准的12个系统时钟周期降为1个,也就是说单周期指令运行速度变为原来的12倍,内核的指令处理效率大为提升。CIP-51内核70%指令的执行是在1-2个系统时钟周期内完成的,只有四条指令的执行需4个以上时钟周期。

同时,由于CIP-51指令与标准8051指令系统完全兼容,这也就意味着8051单片机丰富的开发资源,基于CIP-51内核的8位MCU也可以“拿来”作为参考资料,原来采用标准8051的项目都可以非常方便的移植到Silicon Labs的8位MCU上。

在用CIP-51内核替代标准8051内核的基础上,Silicon Labs对8位MCU产品进行了全方位的优化和升级,包括:将I/O口从固定方式改变成交叉开关配置方式(Crossbar),提高了I/O交互的灵活性;从系统时钟到时钟系统、从引脚复位到多源复位,以及低电压供电,为低功耗设计提供了极佳的支持;从传统的方针调试到基于Silicon Labs私有的两线制C2接口的系统调试等等。

这些举措使得Silicon Labs的8位MCU产品焕然一新,最终形成了以“小蜜蜂”为标识的EFM8系列MCU。这个系列的8位MCU实际上就是以CIP-51内核为核心,集成不同的外设单元,以适应不同目标应用的产品组合,由此打造出了一个完整的8位MCU的产品平台,使得后面的产品推新速度大大加快。

到目前为止,EFM8系列MCU已经推出了四个子系列的产品,包括:主打超低功耗的EFM8 SB(Sleepy Bee)系列,高精度模拟特性突出的EFM8 LB(Laser Bee)系列,作为小尺寸、低功耗USB微控制器的EFM8 UB(Universal Bee)系列,以及致力于成为用户价值之选的EFM8 BB(Busy Bee)通用MCU系列。

从图2中可以看出,其中的EFM8 BB系列定位是通用、高性能的MCU,其具有灵活可扩展的外设单元,以及能够大幅提升系统PCB设计和布局灵活性的交叉开关设计,集低功耗、高集成、资源丰富等特点于一身,可以说是开发低成本嵌入式设备的理想之选,应用场景极为广泛。今天我们就来特别介绍一下EFM8 BB系列中,新来的一只“小蜜蜂”——EFM8 BB5系列。

表现不俗的EFM8 BB5

Silicon Labs的EFM8 BB5通用8位MCU系列,包括EFM8BB51和EFM8BB52,它们共同的特点就是采用主频50MHz的高效CIP-51内核,在小尺寸单片封装中集成了丰富的模拟和通信外设,支持5V I/O,具备精密模拟和增强型脉宽调制等特性,产品设计考虑相当周全,常适合用于嵌入式应用。

其中,EFM8BB51采用20引脚TSSOP和QFN封装,额定工作电压为1.8V至5.5V;EFM8BB52采用20引脚和32引脚的QFN封装,或者20引脚和28引脚的TSSOP封装,额定工作电压为1.8V至5.5V。

仔细观察,我们会发现EFM8 BB5系列MCU身上更多表现不俗的闪光点。

丰富的外设和接口

EFM8 BB5集成有12位612ksps ADC、2个模拟比较器、可调节和灵活选择的参考电压,这些高精度的模拟功能使得该MCU即使在VDD噪音下也能实现精确控制和响应。

在通信和数字外设方面,EFM8BB5包含2个高达3M波特率的UART,高达12Mbps的SPI,400kbps的SMBus/I2C接口,16位CRC硬件单元,支持256字节flash的CRC生成。

在I/O接口上,EFM8 BB5提供了丰富的GPIO引脚,且所有引脚在偏置时均能提供5V电压,EFM8BB52的5mA拉电流、12.5mA灌电流特性可直接驱动LED。用“蜜蜂虽小,五脏俱全”来形容EFM8 BB5提供的丰富外设和接口资源,一点也不为过。

独特的定时器设计

在MCU的定时器(Timer)设计上,EFM8 BB5集成有16位通用定时器,可以比其他MCU中常用的8位定时器提供更强大的功能。另外,EFM8 BB5中还集成了可编程计数器阵列(PCA),提供增强的定时器和PWM功能,有利于减少CPU的占用,输出高精度的PWM信号

优化的低功耗特性

电源管理方面,EFM8 BB5配备有为CPU内核供电的内部LDO稳压器,上电复位电路和掉电检测器。该器件提供正常工作(Normal)、空闲(Idle)、休眠(Snooze)、关闭(Shutdown)四种电源模式——在图3和图4中明确标识出了不同电源模式下,MCU各个功能单元的工作状态——其中休眠模式下支持低频振荡器(LFO)运行,功耗仅为10μA。

方便的编程与调试

EFM8 BB5中的闪存支持对固件进行现场升级。片上调试接口 (C2) 支持MCU在最终应用量产时进行在线调试。该调试逻辑支持对内存和寄存器进行检查和修改、设置断点、单步调试以及运行和停止命令。调试时,所有模拟和数字外设均功能齐全。

加速你的8位MCU开发

通过上面的介绍,想必大家对于EFM8 BB5系列8位MCU的硬件特性已经有了很全面的了解。不过,想要快速完成一个8位MCU的应用开发,除了硬件产品组合,软件工具和配套的开发套件也是必不可少的。

作为Silicon Labs 8位MCU的软件“良伴”,Simplicity Studio可以为广泛的产品组合提供核心开发环境,其功能包括:对启动器中特定目标设备的Web和SDK资源的访问;软件和硬件配置工具;具有行业标准代码编辑器、编译器和调试器的IDE;以及用于网络分析和代码相关能耗分析器的高级增值工具。可以说,Simplicity Studio为开发者提供了从设计概念到设计实现所需的一切,让开发过程更简单、更快捷、更高效。

在开发套件方面,分别与EFM8BB51与EFM8BB52配套的学习套件BB51-EK2700A和BB52-EK2701A也已经上架,套件包含MCU以及Qwiic和Click传感器,以及全功能板载调试器,帮助工程师快速上手EFM8 BB5,完成应用方案的原型设计。

毋庸置疑,在嵌入式应用市场中,32位和8位MCU并存、并重的格局,将是未来相当长一段时间内的主旋律,因此在8位MCU应用开发上的持续关注和投入,仍然会为我们带来持续的价值。EFM8 BB5系列8位MCU——这只飞入嵌入式市场的新来的“小蜜蜂”,一定会为你未来的8位MCU应用开发之旅,带来更多的“甜蜜”和乐趣——不信,你就来“尝”一下!

责任编辑:haq

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原文标题:8位MCU市场中,飞来的这只“小蜜蜂”~

文章出处:【微信号:贸泽电子,微信公众号:贸泽电子】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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