8-位MCU与演化架构的竞争优势

　　8位MCU架构的进化变化，帮助他们在整体MCU市场的单位销售方面保持领先地位。在许多应用中，8位MCU成功地避开了32位MCU的竞争，而不仅仅是在设计需要非常小的形状因子、超低能耗、低引脚输出和非常低的价格的情况下。在某些情况下，8位MCU实际上胜过32位竞争对手。

　　市场分析公司IC-洞察力，菲尼克斯，亚利桑那州，预测8位MCU将继续在微控制器业务中拥有最大的单位装运量，直到至少2018。另一方面，32位MCU的出货量增长率为9.5%，比8位设备的年百分率要高得多。

　　一些结构上的变化(比如使C代码中8位MCU更容易编程)属于与不断变化的世界保持同步的范畴。其他的变化有一种“回到未来”的感觉，比如回到闭环反馈控制的概念，用MCU的外围设备执行任务而不需要CPU干预。

　　自主MCU外围设备已经存在了相当长的一段时间，但专门支持其8位产品线的MCU厂商继续添加先进的技术，将术语“自主外围设备”的含义转移到一个新的领域。

　　可配置逻辑单元

　　最新的一组创新来自微芯片技术，该公司称之为“功能支持”。它从“核心独立外围设备”的概念开始——外围设备被专门设计为尽可能地工作，而不需要CPU干预。必要时，你可以互相交流。

　　使用可配置逻辑单元(CLC)实现增强的外围设备到外围通信。Microchip的芯片架构师创建了这种通信灵活性，使得嵌入式系统设计者可以使用核心独立的外围设备来实现硬件中的闭环反馈控制系统。除了减轻CPU的处理负荷外，这还有其他好处，包括更快的响应时间、更少的应用代码行、更低的能耗、以及减少对MCU的内存需求。

　　CLC模块具有八个可用的信号作为可配置逻辑单元的输入，并且每个输入信号可以从设备到设备变化。一次可以选择多达四个输入，这是通过使用四个8输入多路复用器来将输入信号传递到CLC的数据选通阶段。图1显示了具有CLCXSEL0和CLXSEL1寄存器选择的输入信号的CLC的初始配置步骤。

　　使用配置工具的后续步骤创建了CLC的完整功能。

　　可配置逻辑单元的图像

　　图1：可配置逻辑单元在配置的第一阶段。

　　闭环控制

　　功能启用概念从识别任何嵌入式应用程序中可能存在的公共功能组件开始。这些包括：功率转换、定时、传感器接口、电机控制、输出和信号生成、通信、人机接口和安全性(例如，遵从涉及软件中断的规定)。

　　重要的是要注意的是，微芯片的功能实现将“自主外围设备”这个术语的意义转移到一个新的领域。作为CLC的结果和在芯片上实现核心独立外设的方式，结果不是简单地一个单独或多个独立地执行单个功能的外围设备。相反，外围设备或外围设备的组合可以根据设计者的需要动态组合。

　　应用

　　不同用途的核心独立外设的例子是Microchip的数控振荡器(NCO)。虽然通常用于照明控制应用中，但它也可以与设备上的其他现有外围设备一起使用，以实现某些类型的数据传输/接收应用，或者甚至有助于更高分辨率的PWMS。

　　传统的PWMS在相对低的开关频率下开始失去有效的分辨率。例如，通过一个具有16 MHz系统时钟速度的常规PWM实现的脉宽的最小增量变化是62.5纳秒。如果最快的可用PWM时钟为四分之一振荡器频率(FoSc/4)，那么这增加到250纳秒。在具有独立于核心的外围设备的MCU上，可以构造一个增量脉冲宽度变化小于15 ps的PWM，然而，通过与CLC一起使用数控振荡器(NCO)。

　　图2显示了一个简化的框图来说明这种技术。输出控制器块基于CLC。

　　虽然NCO本身不能产生PWM信号，但是它的行为可以通过增加基于CLC的输出控制器来产生期望的PWM输出来改变。NCO决定脉冲宽度。传统的片上PWM可以用作触发PWM周期的时钟源。

　　CLC中的控制逻辑用于在开关时钟指示下一脉冲的时间时设置输出。一旦NCO溢出，CLC清除输出以完成脉冲。

　　高分辨率PWM图像

　　图2:采用NCO和基于CLC的输出控制器实现的高分辨率PWM。

　　可以使用任意数量的时钟源(例如，定时器或甚至外部信号)，并且在某些应用中，外部触发可能是启动脉冲的最佳选择。例如，当建立电源时，零电流检测电路将是合适的。一个核心独立的外围MCU的例子，工作在这种类型的应用，因为它集成了CLC，PWM和NCO块是PIC16F159 I/SS。

　　为了开始使用这种类型的设计方法，PIC10F32开发板是一个有用的工具。这是工厂编程与NCO和CLC演示软件，并包括一个原型领域的应用开发。

　　虽然创建具有外围设备的闭环反馈控制系统的策略具有许多优点，但有时当系统经历非特征行为时，确实需要CPU干预。硬件限制计时器解决了这种可能性。

　　大多数外围设备发起某种活动，但是硬件限制定时器通常用于等待事件发生，并且响应于不发生的事件而采取某种措施。在电源应用中保护MOSFET免受损坏是一个很好的例子。LED照明应用需要相当高分辨率的电源。使用Microchip的核心独立外设，PWM可以被配置为在正常情况下无需CPU干预而驱动FET对。在PWM不能在需要时关闭的情况下，可以采用硬件限制定时器、运算放大器和比较器来确保MOSFET不受损坏。

　　定时器的基本工作是监视PWM是否在正常运行后的一定间隔后关闭。如果没有，硬件限制计时器触发一个中断，要求CPU检查异常的原因，这可能是一个故障或更严重的事情。

　　如果CPU确定该条件是PWM应该被关闭的一个，则整个关闭操作大约需要80 ns，因为它在硬件中执行：比较器可以在50 ns中翻转;占集成运算放大器的转换速率增加另一个30 ns。

　　一个软件实现的速度不会太快，因为在发出中断时需要两到三个时钟周期加上发出指令所需的时间。在某些情况下，也可能是由较高优先级中断引起的延迟。

　　微芯片的8位PIC16F170X/171X系列是第一个以核心独立的外围设备为核心的设备。这个家庭的成员可以用于许多应用，包括智能照明控制。一个典型的选择可能是PIC16F1703-I/SL。

　　配套产品是D3314 LED照明开发工具包。

　　32位挑战赛

　　在8位和32位MCU竞争的应用中，32位倡导者的论点是，它们的低端设备与8位MCU具有价格竞争力(而在大容量采购中，它们甚至价格更低)。然而，仔细研究32位MCU，它们与8位MCU具有成本竞争力，表明它们是只集成基本外围设备的低端设备。然而，增加更多的外围设备增加了成本，因此将低端32位设备与外围丰富的8位设备进行匹配可能并不总是产生苹果对苹果的比较。

　　低端32位MCU还有一个备选方案：在软件中执行与一组外围设备相比，8位设备在硬件中更有效地执行。也就是说，更少的代码行，更快的响应时间，更快的上市时间，以及更低的能耗，因为更多的执行指令需要更多的时钟周期。在硬件中更快地执行功能还可以使MCU更快地进入睡眠模式并在那里停留更长时间。

　　指令集与流水线

　　虽然Microchip可以获得8位架构最新的创新，但它绝不是唯一有能力做出8位MCU能力的公司。

　　Silicon Labs将基本的8051 MCU架构重新构造为流水线式复杂指令集计算(CISC)设备，具有取/解码/执行管道级。

　　指令集架构已被修改，以最大限度地提高指令吞吐量，同时保持100%个目标代码兼容性。这种“硬连线”的实现比原来的微编码版本提供了许多好处。

　　硅实验室的指令集本身也在发展。现在它映射到两级流水线增加吞吐量并保持8位程序存储器宽度。结果是MCU在1或2个时钟周期内执行大部分指令，并提供原始8051核的性能的20到25倍。

　　流水线结构提供了与更先进的CPU架构相比的计算性能。例如，大多数基于RISC的MCU是基于寄存器的，并且只允许存储在寄存器文件中的值的算术逻辑单元(ALU)操作。这意味着，为了“和”两个值一起，这些值必须移动到寄存器文件才能运行。另一方面，Silicon Labs的8051架构直接对存储在外围寄存器中的值执行此操作。这使得MCU能够执行快速控制功能。

　　除了积极支持其8位产品线外，硅实验室还为低功耗操作开辟了市场生态位。它的C8051 F96X系列的成员，如C8501F969A-GM集成了一个片上DC-DC转换器，它将有源模式功率降低了40%，并提供了比线性调节器更高的效率电压转换，以提高移动应用和应用中的电源寿命。WER不可用。

　　结论

　　虽然在计算密集型应用中，32位MCU被32位MCU大量替换，但它们仍然给系统设计者提供了许多吸引人的特征。具有强大的8位产品线的IC公司已经成功地发展了架构和指令集以保持8位MCU的竞争力。也许最重要的创新是在片上外设的区域，当32位MCU的价格竞争必须在软件中执行时，提供硬件执行。在外围设备和新类型外设之间进行通信的增强技术使得8位设备在需要低能耗的成本敏感的应用中具有更大的优势。