8位MCU霍恩竞争优势不断发展的体系结构

在8位MCU架构的进化变化正在帮助他们留在包的头部在整个MCU市场部销售​​方面。在许多应用中，8位MCU成功抵御来自32位MCU的竞争 - 而不仅仅是在设计需要非常小的外形尺寸，超低能耗，低引脚和非常低的价格情况。在一些情况下，8位MCU实际上优于其32位的竞争对手。市场研究公司IC Insights的，亚利桑那州凤凰城，预测，8位MCU将继续在微控制器业务最大的单位出货量至少到2018年。另一方面，32位MCU的出货量增长速度为9.5% - 一个更高的年利率超过8位器件。一些架构的改变 - 比如做8位MCU更容易在C代码编程 - 落入跟上不断变化的世界的范畴。其他的变化有一个“回到未来”对他们的感觉，如返回与MCU的外设执行任务，而无需CPU干预的闭环反馈控制的概念。自治区MCU外设已经存在了相当长的一段时间，但MCU供应商，致力于全力支持他们的8位产品线不断增加的移动术语“自主外围”的含义到一个新的境界复杂的技术。

可配置逻辑单元

最近一系列创新技术来自Microchip的技术公司称之为“功能启用”它开始与“核心独立外设”的概念 - 外围设备专门设计的尽可能在无需CPU干预 - 并有效沟通彼此在必要时。增强外设至外围通信是利用可配置逻辑单元(CLCS)实现的。 Microchip的芯片设计师创造了这个通信的灵活性，使嵌入式系统设计人员可以使用核心独立外设硬件来实现闭环反馈控制系统。除了减轻处理负荷的CPU，这有其他好处包括：更快的响应时间，应用程序代码更少，降低能源消耗，并减少对MCU的内存需求。 CLC模块具有八个信号可作为输入到可配置逻辑单元和每个输入信号可变化从设备到设备。多达四个输入可以同时被选择，这是使用4个8输入多路传递到CLC的数据选通阶段对输入信号进行。图1示出了具有与CLCxSEL0和CLCxSEL1寄存器选择的输入信号的CLC的初始配置步骤。用配置工具后续步骤创建CLC的完整功能。

图1：在配置的第一阶段可配置逻辑单元。

闭环控制

该功能启用的概念开始，查明可能存在的任何嵌入式应用通用功能组件。这些包括：电力转换，定时，传感器接口，电机控制，输出和信号生成，通信，人机接口，以及安全(遵守涉及软件中断的规定，例如)。要注意的是Microchip的功能启用移动术语“自主周”的含义到一个新的领域是很重要的。作为CLC，并且其中核 - 独立外设芯片上实施的方式的结果，结果是不单纯的外围，其作用或多或少独立地不时执行一个单一的功能。相反，外围 - 外围设备的组合，或 - 可以根据需要动态由设计者组合。

应用

芯 - 独立外设被用于不同的用途的一个例子是Microchip的数控振荡器(NCO)。虽然通常用在照明控制应用，它也可用于与设备上的其它现有的外围​​设备一起使用，以实现某些类型的数据发送/接收的应用或甚至促进更高高分辨率PWM。常规的PWM开始在相对低的开关频率失去有效分辨率。在脉冲的最小增量变化宽度可实现通过与16 MHz的系统时钟速度的传统的PWM，例如是62.5毫微秒。如果最快的PWM时钟为四分之一的振荡器频率(FOSC / 4)，那么这将增加至250纳秒。用尽可能少的15 PS的增量脉冲宽度的变化而PWM可以与核心独立外设的MCU然而，建造，通过与CLC结合使用数控振荡器(NCO)。的简化框图，示出该技术示出在图2中输出控制器块是基于CLC。虽然NCO本身不能产生一个PWM信号，其行为可以通过添加CLC-基于输出控制器以产生所需的PWM输出被改变。的NCO确定脉冲宽度。常规的片上PWM可以用作一个时钟源来触发PWM周期。在CLC控制逻辑用于当切换时钟指示其是时间的下一个脉冲来设置一个输出。该CLC清除输出完成脉冲一旦NCO溢出。

图2：使用NCO和CLC-基于输出控制器实现高分辨率PWM。任何数量的时钟源的可使用(例如，定时器或甚至外部信号)，并且在一些应用中的外部触发可以是启动脉冲的最佳选择。一个零电流检测电路，例如，将建立一个电源时是适当的。核 - 独立外设的MCU，在这种类型的应用程序的工作，因为它集成CLC，PWM和NCO块的一个例子是PIC16F1509-I / SS。要开始使用这种类型的设计方式，在PIC10F32X开发板是一个非常有用的工具。这是工厂NCO和CLC演示软件编程，包括原型领域的应用开发。虽然与外围设备创建的闭环反馈控制系统的策略有很多优点，有时候CPU干预是真正需要 - 当系统出现异常行为，例如。硬件限制定时器这种可能性。大多数外设启动某种形式的活动，但硬件限制定时器通常用于等待一个事件的发生 - 做一些针对这一情况不会发生的事件。从电源的应用程序损坏保护的MOSFET是一个很好的例子。 LED照明应用要求非常高的分辨率电源。用Microchip的核心独立外设，一个PWM可被配置为驱动一对FET无需CPU干预在正常情况下。在PWM未关闭时，它应该，硬件限制定时器，运算放大器和比较器可以用来确保MOSFET不被损坏的情况。计时器的基本任务是监视一定的时间间隔后，PWM是否关闭，因为它会在正常运行。如果没有，硬件限制定时器触发中断，要求CPU检查出异常，这可能是一个小故障或更严重的原因。如果CPU确定该条件是其中将PWM应关闭，​​则整个关机操作需要大约80纳秒，因为它是在硬件中执行：比较器可以在50纳秒翻转;占综合运算放大器的压摆率又增加了30纳秒。软件实现几乎不会那么快，因为会有延迟的两个或三个时钟周期涉及发出中断加发出指令所需要的时间。在某些情况下，有可能也造成较高优先级的中断的延迟。 Microchip的8位PIC16F170X / 171X系列是最早拥有核心独立外设。这个家庭的成员，可用于多种应用，包括智能照明控制。一个典型的选择可能是PIC16F1703-I / SL。伴随产品是DM330014 LED照明开发工具包。

32位挑战

在应用中，8位和32位MCU竞争，32位的倡导者的说法一直是他们的低端设备的价格竞争力的8位MCU(与在大批量购买，他们甚至有可能定价更低)。仔细检查那些具有成本竞争力的8位MCU 32位MCU，然而，表明它们是只集成基本的外设低端设备。然而，增加更多的外围设备增加了成本，所以配套的低端32位器件外设丰富的8位设备可能不会总是产生一个苹果对苹果的比较。低端32位MCU只剩下一个选择：在软件运行的硬件是什么与外围设备的队列8位器件做更有效率。即，更少的行的代码，更快的响应时间，更快地向市场推出的应用，和更低的能量消耗，因为更多的执行指令需要更多的时钟周期。执行功能在硬件上更快也允许微控制器进入休眠模式更快 - 并停留的时间长一些。

指令集和流水线

虽然Microchip的可以采取信贷的最新创新的8位架构，它绝不是唯一一家具有强烈的承诺，使8位MCU能够提供卓越的性能。 Silicon Labs公司已经重新设计了基本的8051 MCU架构成一个流水线复杂指令集(CISC)设备，获取/解码/执行管阶段。指令集体系结构已被修改以最大化指令吞吐量，同时保持100%的对象的代码兼容。这种“硬连接”的实现提供了原始的微码版本的许多好处。 Silicon Labs的指令集本身也发生了变化。它现在被映射到两级流水线增加的吞吐量，并保持一个8位的程序存储器宽度。其结果是，在1或2个时钟周期执行大多数指令，并提供原始8051芯的20至25倍的性能的MCU。流水线结构提供了计算性能，能够提供更先进的CPU架构来毫不逊色。大多数基于RISC的微控制器，例如，是基于寄存器的，并允许对存储在寄存器文件中的值只算术逻辑单元(ALU)操作。这意味着以“与”两个值相加，值必须移到寄存器文件它们可被操作上之前。 Silicon Labs的8051架构，在另一方面，直接执行此操作存储在外设寄存器的值。这使得MCU进行快速控制功能。除了积极支持其8位产品线，Silicon Labs公司还雕刻出一个利基市场在低功耗运行。其C8051F96x系列的成员，如C8501F969-A-GM集成片上DC-DC转换器，它由40%降低工作模式功耗，并提供比电池寿命的移动应用程序和应用程序增加了线性稳压器更高的效率电压转换其中，主电源不可用。

结论

虽然8位MCU正在取代大量32位MCU的计算密集型应用，他们还是提供了很多有吸引力的功能，系统设计师。 IC公司具有强大的8位产品线已经成功地发展架构和指令集保留8位MCU的竞争力。也许最重要的创新是在片上外设，提供了硬件执行的地区时，32位MCU是价格竞争力，必须在软件上执行。增强型技术与外围设备和新型的外围设备之间的通信是给8位器件更大的优势，在需要低能量消耗成本敏感的应用。