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8位MCU市场中,飞来的这只“小蜜蜂”

关键词:32位微控制器(MCU) CPU内核 LDO稳压器

时间:2021-11-25 10:26:40      来源:网络

今天很多学习单片机和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。

今天很多学习单片机和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。


图1:以“小蜜蜂” 为标识的EFM8系列MCU
(图源:Silicon Labs)

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。


图2:EFM8系列MCU产品特性
(图源:Silicon Labs)

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。


图3:EFM8BB51 8位MCU系统框图
(图源:Silicon Labs)
 

图4:EFM8BB52 8位MCU系统框图
(图源:Silicon Labs)

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

在电源管理方面,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。


图5:EFM8BB51与EFM8BB52配套的学习套件
(图源:Silicon Labs)

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!

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