8位微控制器用有許多實(shí)用的小功能

忘掉關(guān)于32位和64位處理器的營(yíng)銷炒作; 8位微控制器規(guī)則。根據(jù)Cahners的In-Stat Group的數(shù)據(jù)，今年8位微控制器的銷售收入將達(dá)到48億美元，遠(yuǎn)高于預(yù)期的36億美元和16和32億美元的銷售收入4.52億美元比特處理器。當(dāng)您將這些美元轉(zhuǎn)換為出貨單位時(shí)，由于8位設(shè)備的平均售價(jià)較低，這些數(shù)字會(huì)更加夸大。 (In-Stat報(bào)告還指出，到2001年，16位器件的出貨量將超過(guò)8位。)但不僅僅是較低的器件成本使得8位微處理器受歡迎;它們的相關(guān)開發(fā)工具也更便宜，而且8位設(shè)備更易于使用。半導(dǎo)體供應(yīng)商正致力于為其8位產(chǎn)品注入新的活力。此步驟提供了擴(kuò)展空間性能，并允許設(shè)計(jì)工程師發(fā)現(xiàn)使用8位微控制器的新方法。

我通過(guò)向每個(gè)微控制器供應(yīng)商展示調(diào)查開始研究本文。本次調(diào)查的目的是在您使用8位微控制器規(guī)劃下一個(gè)嵌入式應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)時(shí)為您提供一些彈藥。在收到調(diào)查結(jié)果后，我淘汰了營(yíng)銷宣傳，為您提供有用的信息和有用的提示。

調(diào)查中的第一個(gè)也許是最重要的問(wèn)題涉及價(jià)格問(wèn)題。我向15位微控制器供應(yīng)商詢問(wèn)了有關(guān)其成本最低的8位器件的信息(表1)。首先要注意的是，當(dāng)你談價(jià)格，特別是大量銷售的單位的價(jià)格時(shí)，它就變成了游戲。

正如一位供應(yīng)商所說(shuō)：“為什么我要發(fā)布我的最優(yōu)惠價(jià)格，以便讓我的小批量客戶瘋狂地試圖獲得它?這會(huì)讓那些沒(méi)有理由在下次與我們討價(jià)還價(jià)的買家我們?cè)??！氨韭暶鹘忉屃藶槭裁幢?中的單位數(shù)量在10,000到100萬(wàn)之間。

另一個(gè)值得注意的有趣點(diǎn)是你可以得到你付出的代價(jià)。 Zilog的Z8E000(表中成本最低的設(shè)備)的功能與外圍封裝的飛利浦'P87LPC762BN或摩托羅拉的MC68HC908GP32(圖1)無(wú)法比較。雖然飛利浦設(shè)備的成本是Zilog的三倍，但請(qǐng)記住，當(dāng)您坐在談判桌旁時(shí)價(jià)格會(huì)發(fā)生變化。

Flash不會(huì)在閃存中發(fā)生

內(nèi)存是任何嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的方面之一。許多使用8位微控制器的嵌入式系統(tǒng)依賴于不斷改進(jìn)的工藝技術(shù)，以更低的成本增加片上存儲(chǔ)器的數(shù)量。

對(duì)于半導(dǎo)體制造商而言，ROM工藝的復(fù)雜性最低，硅加工成本最低。盡管ROM對(duì)于大批量的穩(wěn)定應(yīng)用非常有用，但是一次性可編程(OTP)存儲(chǔ)器有利于更小批量的應(yīng)用，因?yàn)橄到y(tǒng)制造商可以將這些存儲(chǔ)器作為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品購(gòu)買。 OTP允許您通過(guò)使用未使用的內(nèi)存位置來(lái)執(zhí)行最少量的現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)。除了更昂貴的EEPROM之外，閃存提供了最大的靈活性，但它有其局限性，例如成本和編程緩慢。由于系統(tǒng)內(nèi)重新編程所需的系統(tǒng)復(fù)雜性增加，閃存的靈活性也帶來(lái)了挑戰(zhàn)。例如，您必須設(shè)計(jì)系統(tǒng)以適應(yīng)異常情況，例如在現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)期間丟失調(diào)制解調(diào)器連接或電源。

調(diào)查中的第二個(gè)問(wèn)題詢問(wèn)了微控制器供應(yīng)商他們的內(nèi)存選項(xiàng)和策略。從調(diào)查結(jié)果可以清楚地看出，閃存已成為大多數(shù)供應(yīng)商的焦點(diǎn)，因?yàn)樗麄儧Q定如何降低成本和增加密度。

日立聲稱其閃存技術(shù)已經(jīng)成熟，可以趕上其嵌入式產(chǎn)品。 -EPROM價(jià)格。因此，該公司正在用基于閃存的設(shè)備取代其舊的基于EPROM的微控制器，為8位微控制器提供高達(dá)60千字節(jié)的閃存。此外，日立已經(jīng)用閃存取代了OTP控制器。 NEC采取了同樣的措施，盡管它表明掩模ROM將是幾年來(lái)最具成本效益的選擇。該公司還在其8位器件中提供高達(dá)60千字節(jié)的ROM。 Atmel是閃存的另一個(gè)堅(jiān)定支持者，聲稱其基于閃存的8051和AVR微控制器以掩模ROM價(jià)格提供。

摩托羅拉也意識(shí)到閃存是許多8位系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不斷增長(zhǎng)的需求并與AMD的研究和開發(fā)合作，以降低技術(shù)成本。除制造成本外，另一個(gè)關(guān)鍵閃存問(wèn)題是編程成本。摩托羅拉基于閃存的HC08包括Flashwire，這是一種單線通信方法，允許您在沒(méi)有特殊模式或高電壓的情況下快速編程生產(chǎn)線，只需V DD 。摩托羅拉68HC908GP32上的第二代閃存程序至少為2毫秒，為64字節(jié)。此外，該工藝技術(shù)支持多達(dá)10,000個(gè)擦除周期。

雖然東芝相信閃存的價(jià)值，但它是少數(shù)幾家缺乏基于閃存的產(chǎn)品的8位供應(yīng)商之一。該公司計(jì)劃在2000年前提供片上閃存，并將使用單片或“批量可擦除”方法來(lái)減小芯片尺寸。但是，東芝認(rèn)為其掩模ROM器件將成為支持96千字節(jié)和更大ROM的主要存儲(chǔ)器類型。英飛凌還得出結(jié)論，掩模ROM將主導(dǎo)其基于8051的微控制器。該公司承認(rèn)閃存工藝(包括良率問(wèn)題)的成本遠(yuǎn)高于相同數(shù)量的ROM。

Microchip宣稱其可遷移內(nèi)存技術(shù)可提供其等效ROM，OTP之間的插槽和軟件兼容性，和閃存微控制器?？梢浦泊鎯?chǔ)器技術(shù)意味著Microchip在公司的0.7μm工藝中使用與ROM，OTP和閃存中的邏輯晶體管相同的電氣規(guī)范。

Microchip抱怨閃存編程時(shí)間為10毫秒每個(gè)細(xì)胞的EPROM為10?sec。制造商必須具有遠(yuǎn)大于OTP設(shè)備所需功能的批量編程能力。此外，在小型閃存陣列中，設(shè)計(jì)無(wú)法分?jǐn)傂泻土薪獯a所需的額外邏輯。

如果您需要的內(nèi)存超過(guò)計(jì)劃使用的微控制器上的可用內(nèi)存，則可以擴(kuò)展微控制器使用擴(kuò)展芯片的能力。例如，Waferscale基于閃存的PSD8XXF IC提供各種外部存儲(chǔ)器和邏輯組合。這些IC提供256千字節(jié)的閃存，可選的第二個(gè)32千字節(jié)的閃存或EEPROM陣列，多達(dá)8千字的SRAM，一個(gè)3000門的CPLD和額外的I/O. PSD8XXF具有內(nèi)置接口，您可以將其配置為與任何8位CISC微控制器配合使用，包括具有突發(fā)和頁(yè)面架構(gòu)的微控制器。 JTAG端口提供首次編程和后續(xù)的現(xiàn)場(chǎng)更新。

周邊視覺(jué)增強(qiáng)了8位設(shè)備

在8位微控制器的世界中，供應(yīng)商提供的集成外設(shè)類型可以在成功設(shè)計(jì)和不成功設(shè)計(jì)之間產(chǎn)生重大影響。雖然某些外設(shè)(如定時(shí)器和基本串行端口)是大多數(shù)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)配置，但每個(gè)供應(yīng)商通常都會(huì)提供具有特殊功能的微控制器。許多供應(yīng)商推薦他們的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，許多應(yīng)用需要。例如，Atmel，Infineon，Toshiba和其他公司提供快速10位ADC。英飛凌聲稱轉(zhuǎn)換時(shí)間低至6?sec，在0至5V工作時(shí)精度在5至10 mV之間。 Microchip聲稱是唯一一家在8位微控制器上提供12位分辨率ADC的供應(yīng)商;其PIC16C770和PIC16C771器件采用20引腳封裝，提供此功能。

另一種流行的外設(shè)是控制器局域網(wǎng)(CAN)接口。 Dallas Semiconductor為其基于8051的微控制器提供雙CAN接口。此功能允許芯片充當(dāng)大型CAN網(wǎng)絡(luò)中的橋接器。它的接口還支持DeviceNet，一種高級(jí)CAN協(xié)議。英飛凌的CAN接口提供了CAN 2.0B規(guī)范的所有功能。許多其他供應(yīng)商，包括Microchip，摩托羅拉和意法半導(dǎo)體，也提供CAN控制器。

賽普拉斯半導(dǎo)體的8位產(chǎn)品以通用串行總線(USB)接口為中心。該公司提供低端CY7CXXXX和EZ-USB(該公司收購(gòu)AnchorChips的結(jié)果)。對(duì)于1.5 Mbps USB應(yīng)用，CY7CXXXX采用賽普拉斯開發(fā)的8位架構(gòu)，為人機(jī)接口設(shè)備(HID)市場(chǎng)提供服務(wù)，包括鼠標(biāo)，鍵盤和操縱桿。對(duì)于需要完整12 Mbps的USB應(yīng)用，賽普拉斯將此接口與24-MHz 8051內(nèi)核(基于RAM的EZ-USB)相結(jié)合。該系列包含一個(gè)智能USB內(nèi)核，可從8051中卸載90%的USB任務(wù)。該公司已設(shè)計(jì)出三種加載8051固件的方法。一種有趣且獨(dú)特的方式允許您在上電或計(jì)算期間通過(guò)USB端口下載8051固件。英飛凌，意法半導(dǎo)體等公司也擁有USB外設(shè)。與賽普拉斯的產(chǎn)品類似，英飛凌的USB接口支持全速和低速USB通信。

另一個(gè)有趣的轉(zhuǎn)折涉及8位設(shè)備，允許您動(dòng)態(tài)創(chuàng)建自己的外圍設(shè)備。一個(gè)例子是來(lái)自Triscend的基于8051的FastChip，它允許您將其庫(kù)中的外圍模塊放置在專用處理器內(nèi)核周圍，并將新設(shè)計(jì)安裝在Triscend的FPGA類芯片中。 Scenix Semiconductor還允許您動(dòng)態(tài)創(chuàng)建外設(shè)，并提供虛擬外設(shè)方法，以便在軟件而非硬件中實(shí)現(xiàn)外設(shè)功能。 Scenix提供虛擬外設(shè)模塊，包括UART，多功能I 2 C功能，以及雙音多頻檢測(cè)。 Scenix還提供虛擬外圍網(wǎng)絡(luò)連接協(xié)議棧，可直接訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)。

行業(yè)分析公司Forward Concepts總裁Will Strauss表示，Scenix微控制器“似乎有能力做所有的Net協(xié)議功能，提供物理接口，并且仍然運(yùn)行一個(gè)應(yīng)用程序，“雖然施特勞斯說(shuō)他沒(méi)有證實(shí)這個(gè)事實(shí)。 SX堆?？梢耘c任何Web瀏覽器通信，并允許您接收和傳輸電子郵件。該堆棧包括帶有傳輸控制協(xié)議/Internet協(xié)議的物理接口層，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員無(wú)需外部物理訪問(wèn)芯片或網(wǎng)關(guān)PC即可生成嵌入式Internet設(shè)備。

真正的SOC

雖然今年的“嗡嗡聲”是“芯片系統(tǒng)”(SOC)，但半導(dǎo)體營(yíng)銷人員卻設(shè)法誤解了這個(gè)術(shù)語(yǔ)的含義。對(duì)某些人來(lái)說(shuō)，將一些功能拋到與處理器內(nèi)核相同的芯片上構(gòu)成SOC。在8位世界中，成本幾乎占據(jù)了一切，“片上系統(tǒng)”是一個(gè)字面的術(shù)語(yǔ)。除了降低成本外，SOC的其他副產(chǎn)品還包括降低電路板空間，降低功耗和EMI，以及提高可靠性。為了利用這些特性，供應(yīng)商通常會(huì)在芯片上放置整個(gè)系統(tǒng)，除了少量電阻器和電容器，電源和連接器。一些半導(dǎo)體供應(yīng)商提出了他們對(duì)SOC是什么以及他們的產(chǎn)品如何幫助您降低系統(tǒng)成本和提供其他好處的觀點(diǎn)。

系統(tǒng)成本取決于很多因素。您可以通過(guò)在I/O引腳上放置可編程上拉電阻來(lái)最小化或消除外部元件，以幫助消除外部電阻，這也消除了將它們焊接到電路板上的成本。摩托羅拉，意法半導(dǎo)體等公司在I/O引腳上提供高電流吸收和源功能，可幫助您消除對(duì)外部驅(qū)動(dòng)器的需求。一個(gè)8位器件還應(yīng)具有相鄰的V DD 和V SS 引腳更容易連接旁路電容器。

這些器件還應(yīng)集成可編程低壓復(fù)位電路，以消除使用外部監(jiān)控電路的25美分或更高成本，并防止系統(tǒng)因線路而導(dǎo)致鎖定 - 電壓欠壓條件。摩托羅拉的HC08具有雙重可選低壓接口，允許您在3或5V系統(tǒng)中使用它們。意法半導(dǎo)體提供三級(jí)低電源電壓檢測(cè)。 Microchip提供可編程低壓檢測(cè)，允許您通過(guò)軟件在系統(tǒng)級(jí)選擇低壓檢測(cè)范圍。 Dallas Semiconductor實(shí)現(xiàn)了電源失效復(fù)位/中斷功能，允許微控制器在電源故障期間執(zhí)行受控關(guān)斷;當(dāng)微控制器檢測(cè)到電源故障并采取適當(dāng)措施時(shí)，它會(huì)中斷所有處理器操作。

對(duì)于高速設(shè)計(jì)，PLL時(shí)鐘電路允許您使用更具成本效益的振蕩器。例如，Motorola 68HC908GP32上的低成本32 kHz晶振可以產(chǎn)生一個(gè)工作頻率高達(dá)32 MHz的內(nèi)部時(shí)鐘;此功能還可以大大降低EMI。摩托羅拉的一些器件具有簡(jiǎn)單的RC振蕩器，成本更低，而且它的一些新器件具有可編程內(nèi)部振蕩器，具有±2%精度的微調(diào)。 68HC908GP32的PLL還集成了一個(gè)可編程時(shí)基模塊，允許器件在不使用外部電路的情況下從停止模式喚醒。將時(shí)基模塊與晶體結(jié)合使用，您還可以以最小的軟件開銷實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘。每秒一個(gè)中斷允許設(shè)備更新軟件時(shí)鐘和日歷。此功能有助于在數(shù)據(jù)記錄和用戶界面應(yīng)用程序中消除外部時(shí)鐘芯片的使用。與此同時(shí)，Dallas Semiconductor以其內(nèi)部實(shí)時(shí)時(shí)鐘而聞名，可簡(jiǎn)化軟件開銷并釋放專用端口引腳。

STMicroelectronics提供內(nèi)部備用RC振蕩器，可在外部振蕩器發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)接管。該公司與Hitachi和NEC一起提供多個(gè)振蕩器輸入，允許您根據(jù)應(yīng)用需求切換處理器速度。

許多設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要組成部分是8位微控制器的內(nèi)部延遲和支持上電排序的電路，無(wú)需外部監(jiān)控電路。不要忘記許多8位微控制器支持的看門狗;在軟件出現(xiàn)故障或發(fā)生雜散噪聲條件后讓系統(tǒng)恢復(fù)至關(guān)重要。您可以通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)高抗噪性;例如，意法半導(dǎo)體使用片上鉗位二極管來(lái)保護(hù)每個(gè)引腳。

8位系統(tǒng)設(shè)計(jì)的世界幾乎沒(méi)有留下邋and和鋪張浪費(fèi)的空間。片上存儲(chǔ)器的每個(gè)字節(jié)都至關(guān)重要。關(guān)鍵任務(wù)外圍設(shè)備的功能和可用性可以在成功的設(shè)計(jì)中發(fā)揮重要作用。將這些標(biāo)準(zhǔn)與提高性能和降低功耗的需求相結(jié)合，很容易看出8位處理器供應(yīng)商為他們做了工作。

當(dāng)尺寸(和性能)重要時(shí)

一些供應(yīng)商會(huì)告訴您，在8位世界中，微控制器內(nèi)核占據(jù)了外圍設(shè)備的后座。其他人則認(rèn)為性能更重要，因?yàn)檫@是阻礙設(shè)計(jì)人員跳轉(zhuǎn)到16位或32位產(chǎn)品的因素之一。 (直到EDN嵌入式微處理器基準(zhǔn)聯(lián)盟提供基準(zhǔn)測(cè)試，您無(wú)法公平地比較微控制器的性能。)各種供應(yīng)商向EDN提供了有關(guān)處理器內(nèi)核的意見(jiàn)和事實(shí)用于他們的8位微控制器。

摩托羅拉認(rèn)為，大多數(shù)低端8位應(yīng)用程序都需要幾乎所有8位內(nèi)核都能提供的性能。然而，要求更高的應(yīng)用程序需要更高的性能，摩托羅拉希望EEMBC基準(zhǔn)測(cè)試有助于分析“更強(qiáng)大”的8位控制器。 68HC05適用于更簡(jiǎn)單的功能，例如在I/O引腳上生成50 kHz波形用于遠(yuǎn)程控制，但您需要HC08或HC11的性能才能達(dá)到更高的頻率。另一方面，當(dāng)您以1.8V運(yùn)行HC08以節(jié)省功率時(shí)，您必須降低控制器的性能。為了解決這個(gè)問(wèn)題，摩托羅拉設(shè)計(jì)了一個(gè)遙控定時(shí)器作為其RC微控制器系列的一部分。

NEC的觀點(diǎn)略有不同。其低端8位微處理器具有硬件乘法/除法，位/半字節(jié)操作，多個(gè)寄存器組和1字節(jié)調(diào)用指令。該核心工作頻率為8 MHz，可提供256納秒的指令時(shí)間，NEC聲稱可滿足大多數(shù)性能需求。

日立認(rèn)為CPU核心在器件選擇中起著重要作用，因?yàn)樗鼤?huì)影響功耗，代碼大小，性能和編程能力。有趣的是，性能和架構(gòu)效率在較低的工作頻率下更為重要，因?yàn)槊總€(gè)時(shí)鐘都很重要。換句話說(shuō)，對(duì)于每個(gè)周期，CPU必須完成盡可能多的工作。日立公司的H8微控制器在兩個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行超過(guò)50%的指令。

Microchip認(rèn)為快速CPU通過(guò)提供對(duì)外設(shè)的更快響應(yīng)，使外設(shè)更高效。例如，如果串行端口以1.2 Mbps運(yùn)行，它將以8.3?秒的速率接收和發(fā)送8位數(shù)據(jù)。為了保持系統(tǒng)的吞吐量，CPU響應(yīng)時(shí)間必須大約為8?sec，以產(chǎn)生25?sec的響應(yīng)時(shí)間。東芝TLCS-870和TLCS-870/X架構(gòu)的寄存器組體現(xiàn)了可加速CPU響應(yīng)的微控制器。或者，在控制應(yīng)用中，更快的CPU內(nèi)核可以更快速地計(jì)算復(fù)雜的方程，并使外設(shè)(通常是PWM輸出)能夠更快地響應(yīng)輸出的變化。 Microchip的PICmicro架構(gòu)支持單周期執(zhí)行指令，該公司聲稱其性能優(yōu)于68HC05的2.3倍。但是，該數(shù)字并未考慮指令效率。它需要的不僅僅是Dhrystone基準(zhǔn)來(lái)證明這一事實(shí)。

性能高于功耗

為了滿足實(shí)時(shí)應(yīng)用的要求，CPU必須提供時(shí)間關(guān)鍵任務(wù)的確定性執(zhí)行，用于中斷處理和子程序操作的獨(dú)立堆棧，以及自動(dòng)上下文 - 保存中斷。當(dāng)Scenix SX28AC100以100 MHz運(yùn)行時(shí)，以20 nsec/指令的恒定速率執(zhí)行的高效指令集有助于提供確定性的任務(wù)執(zhí)行。此外，SX28AC100的中斷響應(yīng)時(shí)間為60 ns，有助于縮短執(zhí)行調(diào)度和上下文切換所需的時(shí)間。 Scenix聲稱您不需要基準(zhǔn)來(lái)比較其設(shè)備，因?yàn)樵摴静簧婕岸嗍袌?chǎng)應(yīng)用程序。另一方面，這種立場(chǎng)使得很難驗(yàn)證有關(guān)性能的聲明。

關(guān)于其8位微控制器，STMicroelectronics建議復(fù)雜應(yīng)用還依賴于諸如多種間接尋址模式，附加索引和通用寄存器，用戶可重映射的中斷向量，嵌套中斷和經(jīng)過(guò)深思熟慮的指令集。

Atmel表示，實(shí)現(xiàn)高性能8位微控制器的技巧之一就是使用現(xiàn)代而不是20年的建筑。 (很抱歉，8051!)該公司的AVR是RISC內(nèi)核，具有單周期執(zhí)行功能，可以處理多達(dá)8 Mbits。 Atmel聲稱AVR是市場(chǎng)上速度最快的8位微控制器核心，但尚未使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)驗(yàn)證該聲明。

Atmel和其他幾十家供應(yīng)商將基于8051的設(shè)備銷售到低端應(yīng)用程序中。大多數(shù)供應(yīng)商都認(rèn)為，這種架構(gòu)的價(jià)值在于設(shè)計(jì)人員熟悉架構(gòu)和各種可用工具。飛利浦半導(dǎo)體是一家8051供應(yīng)商，也致力于降低EMC和功耗。該公司的新型C51 +內(nèi)核提供了一個(gè)低功耗，靜態(tài)內(nèi)核，與傳統(tǒng)的C51器件相比，每個(gè)機(jī)器周期的效率提高了6個(gè)時(shí)鐘，而傳統(tǒng)的C51器件采用12個(gè)時(shí)鐘內(nèi)核。 Dallas Semiconductor還重新設(shè)計(jì)了“舊的”8051內(nèi)核，并提供運(yùn)行速度比原來(lái)快三倍的設(shè)備。