8位微控制器在SoC中的应用

发布者:keiss2018最新更新时间:2015-04-21 来源: eechina关键字:8位微控制器  SoC 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章
过去15年来,许多人都曾预测8位微控制器即将退出舞台,然而这却是电子产业失误最大的预测之一;事实上,虽然16和32位产品已极为常见,8位微控制器的需求仍继续成长,总值约达到今日100亿美元全球微控制器市场的一半。推动8位市场快速发展及成长的动力主要来自于8位产品效能的大幅提升,特别是以8051系列为基础的产品,其它原因还包括芯片内建功能的加强以及不断缩小的封装体积。今天,这类组件已能提供高达100MIPS的产出,这是8位微控制器在短短几年前还无法想象的事情。然而重要的不仅是原始运算效能,真实世界是个模拟世界,因此系统也需要模拟和混合讯号功能,而且最好内建于芯片中。与外在世界的通讯也是问题,核心处理效能需要与其相称的通讯能力,使它能够很有效的联络系统其它组件,这样才能将强大效能化为实际优点。 

8051如何跟上今日的效能需求 

最早的8051是由英特尔在1980年推出,它让每一个指令的执行跨越12个频率周期,使得硬件资源的需求减至最少。10年后,DallasSemiconductor(今天的Maxim)利用新设计来改善这套架构,它移除了冗余的总线动作,让典型指令只需要4个频率周期;他们还推出可直接取代8051的兼容微控制器,可将既有系统的效能立刻提高三倍。

SiliconLaboratories的8位微控制器系列采用了新的专属设计来实作8051指令集架构,它能提供最大的指令产出,同时维持完整的目的码(objectcode)兼容能力,以发展出采用「硬件连接」(hardwired)实作方式的C8051F中央处理器,而不是原来采用微码(micro-coded)的设计。新设计会将指令集映像到两级式基本处理管线,以便提高产出,同时维持8位的程序内存宽度。这种方法带来了一系列新组件,它们能在1或2个频率周期内执行绝大多数的指令,效能超过原始8051设计的20至25倍。有了这样的效能,工程师只要利用成本更低的8位产品,就能支持原本需要较昂贵的16或32位微控制器才能执行的应用。 

微控制器现能整合那些功能而不会牺牲其效能? 

在几乎所有的电子系统中,工程师都想将最多功能整合至最小空间,这种做法有许多广为人知的优点,包括零件数目降低、库存组件减少、制造成本下降、以及可能带来的更高效能与可靠性。因此,针对特定应用评估所选择的微控制器时,重要的是从解决方案总成本的角度来考虑这些优点,而不仅是单颗零件的价格。近几年来,随着价格不断下滑,芯片内建闪存已变得日益流行;除了对于价格最敏感的高产量型应用之外,其它应用现都认为值得付出少许的代价,来换取超越「可程序一次」(one-time-programmable)组件的更大弹性。 

在线除错(In-systemdebug)也是所想要的功能,由于它们能免除原先所需的昂贵仿真器,新组件的应用成本将会下降,设计人员也能更自由的为特定应用选择最合适的组件。虽然32位的微控制器和数字讯号处理器已广泛提供在线除错功能,但是在SiliconLaboratories推出C8051F组件系列之前,8位产品却极少提供在线除错功能。精准振荡器、模拟数字转换器和数字模拟转换器是系统最常需要的模拟零件,温度量测功能、电压参考和比较器也很常用;在数字外围方面,外部通讯最常使用的标准包括UART以及SPI、I2C、USB和CAN界面,另外还会加入功能包括定时器和可程序计数器数组。 相较于采用离散零件的解决方案,把模拟数字转换器和数字模拟转换器整合至微控制器常会导致效能下降,特别是模拟功能的线性特性和讯号杂波比;即便如此,仍有些新组件的效能已不输给使用最佳零件的解决方案或内建16位、1MSPS模拟数字转换器的其它产品。

如前所述,8位微控制器现已能提供高达100MIPS的峰值产出,图1就是这类组件的功能线路图,它是由SiliconLaboratories所提供的C8051F120,内建128kbytes闪存、 8.25kbytesRAM、12位模拟数字转换器、12位数字模拟转换器以及各种数字外围,包括UART、SPI总线、I2C总线、定时器模块和外部内存界面。这颗组件专门支持运算量庞大、又需要高效能模拟数字转换器及数字模拟转换器的混合讯号嵌入式应用,它还提供在线除错功能。   



图1:模拟及数字功能的整合让8位微控制器得以提供接近系统单芯片的功能 [page]

典型应用:高速电池充电器 考虑过现有产品后,我们将介绍一项应用,其中的混合讯号微控制器就能提供我们在锂离子电池高速充电电路中所讨论的优点。 电池必须能迅速、安全而有效的进行充电,最佳充电方式通常包含三个阶段:低电流调节阶段,用来将早期的自我恢复-(earlyselfhealing)减至最少,同时避免充电过程太早结束;定电流充电阶段,用来提供大部份电力;以及定电压阶段/充电结束通常也是时间最长的阶段。充电过程中,部份电能会转变为热量,当电池达到满电力后,所有送给它的能量都会变成热量,这可能造成危险和伤害,因此必须监视电池温度以避免损害。 

要判断电池是否已充满电力,绝大多数的锂离子充电器会将电池电压保持固定,然后监测最小的电流值,图2即为充电曲线,它是利用降压转换器实作所得到的最有效曲线,这个降压转换器是一种交换式稳压器,它会使用电感或是变压器做为储能装置,然后以个别封包的形式把能量从输入端送到输出端。回授回路则会透过晶体管来调节能量传送,以便在电路的负载范围内维持定电压或定电流。   

  

图2:锂离子电池的充电曲线 

利用8位微控制器C8051F300和它内建的模拟数字转换器、闪存、脉冲宽度调变器、温度传感器以及精准时钟电路,即可设计出适当的充电电路。图3所示即为这类充电器的方块图,芯片内建高速模拟数字转换器提供准确的充电电压监测功能,用来避免过度充电,并提供最大的充电有效性和电池寿命。芯片内建比较器和PWM则为高速降压转换器的实作提供必要功能,使它们只需要一颗很小的外接电感。芯片内建温度传感器提供稳定的驱动电压,可用来判断电池温度;若有必要,它也能使用外接的电阻性温度感测组件。最后,这颗微控制器还提供组态配置及程序设定功能,这使它能支持不同类型的电池,协助客户减少零件库存,加快新产品上市时间。  

  

图3:锂离子电池充电器的功能方块图 

结论 

8位微控制器依然相当活跃,由于日益丰富的模拟和数字外围整合,8位微控制器现能为许多常见应用提供接近于系统单芯片的功能。当这些组件以8051架构为基础时,工程师会对他们感到极为熟悉,使得设计和研发工作更简单快速,而且成本更低。
关键字:8位微控制器  SoC 引用地址:8位微控制器在SoC中的应用

上一篇:PTR2000系列与单片机接口电路示例
下一篇:基于单片机的接口转换设计及应用

推荐阅读最新更新时间:2024-03-16 13:59

深入了解汽车系统级芯片SoC:ARM的商业模式与CPU微架构概览
汽车系统级芯片SoC的核心构成包括CPU、GPU、AI加速器和片上总线及互联。CPU目前主要是 ARM 架构,x86架构和RISC-V架构。ARM架构占据绝大多数市场。 图片来源:互联网 这是2013年ARM初创期的商业模式,时至今日变化不大,只是更新速度大大加快了,基本上一年一个新架构。ARM的半导体协作者主要是晶圆代工厂,二者需要相互支持,目前能跟上ARM步伐的只有台积电和三星。 ARM授权分4个等级。 图片来源:互联网 从1到4授权费依次递增,可定制的深度依次递增,开发难度依次递增。想开箱即用,选POP IP,基本上可以直接给晶圆代工厂制作芯片,ARM已在各方面优化过了,没有任何改动空间。想要公版架构
[汽车电子]
深入了解汽车系统级芯片<font color='red'>SoC</font>:ARM的商业模式与CPU微架构概览
亚信深耕工业自动化,推出新一代EtherCAT从站专用通讯SoC
亚信电子正式推出大中华地区首款 EtherCAT 从站专用通讯 SoC 解决方案–AX58200 2/3 端口 EtherCAT 从站专用通讯 SoC 内置两组百兆以太网 PHYs。 亚信电子(ASIX Electronics Corporation)因应全球智慧生产自动化的强大需求,于 2018 年推出大中华地区首款 EtherCAT 从站控制芯片「AX58100 2/3 端口 EtherCAT 从站控制器」。为了提供客户一个更完整简单设计、经济有效的工业自动化 EtherCAT 从站解决方案,亚信电子今天推出新一代小封装并集成两个百兆以太网 PHY 的 EtherCAT 从站专用通讯 SoC 解决方案–AX58200 2/
[嵌入式]
亚信深耕工业自动化,推出新一代EtherCAT从站专用通讯<font color='red'>SoC</font>
ROHM开发出可播放所有常见音源的Audio SoC“BM94803AEKU”
<概要> 全球知名半导体制造商ROHM面向从传统的收录机、CD组合音响到最新的蓝牙音箱、USB-DAC等各种音频设备,开发出可播放所有常见音源、并将控制管理外围部件和输入输出接口的机构(可称为音响应用的大脑)集成于一枚芯片的支持高分辨率*1的Audio SoC*2“BM94803AEKU”。 “BM94803AEKU”是融合了ROHM集团多年积累的ASIC(特定用途专用IC)、微控制器及各种媒体解码器等的电路技术和软件技术优势,在优化设计的处理器芯片上搭载SDRAM并一体化封装的产品。媒体解码器不仅广泛支持各种音源,还利用ROHM长达20多年积累的技术经验实现了播放稳定性(划伤CD的流畅播放、非标USB的播放),并通过搭载
[半导体设计/制造]
ECU安全电源中缺失的一环
过去,为电子控制单元(ECU)上的给定微控制器和外设指定电源管理方法相对容易。然而,随着汽车系统复杂性呈指数级增长,设计人员面临着许多挑战。他们现在需要的设备是直观、可互换的,并且能够促进针对电源管理和功能安全的平台开发。 随着高计算性能MCU和片上系统(SOC)的使用,汽车系统的复杂性不断增加,可提供一些创新的应用和功能,如电气化、ADA和区域/域控制器。但是,如何安全高效地为所有不同的处理器和系统外设或高计算SOC供电,同时实现复杂的上电和断电顺序,简化电路板设计,结合可扩展性,并降低电源热点引起的可靠性故障风险。未来回答这些问题,我们要分析一下电源管理方法的一些关键要素。 电源管理IC或分立器件 如今,汽车
[汽车电子]
ECU安全电源中缺失的一环
使用可定制微控制器高效开发系统级芯片 (SoC)
作者:爱特梅尔公司 (Atmel) 微控制器部传讯经理Peter Bishop 为了应对成本、尺寸、功耗和开发时间的压力,许多电子产品都建构于系统级芯片 (SoC)之上。这个单片集成电路集成了大多数的系统功能。然而,随着这些器件越来越复杂,要在有限的时间里经济地进行产品开发以满足产品上市时间的压力已变得越来越困难。SoC集成了一些可编程部件 (特别是微控制器),使得其软件开发与硬件开发同样的昂贵和耗时。 使用基于业界标准、带有片上存储器和各种标准接口的ARMò处理器,再加上面向特定应用逻辑和非标接口的金属可编程模块 (MP模块),构成的可定制微控制器是切实可行的SoC开发方法,能够解决上述问题: -采用经过验证的软/硬件模块、
[单片机]
基于C8051F系列单片机的低功耗设计
引言   在控制终端系统设计中,当系统要求整体功耗偏低时,C8051系列单片机是一个最佳的选择,它们拥有灵活的时钟硬件,使系统能够方便地在高效运作模式与低功耗模式间进行转换,智能的电源管理模式能够在正常工作及待机状态自由切换,从而降低整个系统的能量损耗,当工作频率低于10kHz时,时钟丢失检测器(MCD)能够引发系统产生复位,确保系统工作的安全可靠。 1 C8051F各部分组件的功耗   当一个系统对功耗要求严格时,可以在硬件电路建立前首先粗略计算一下整个系统所需的功耗,由于C8051F系列单片机为数模混合SOC系统,能够实现整个设计的大部分功能,因此整个设计系统的功耗将主要集中在C8015F系列单片机的能量消耗上。   整
[单片机]
乐鑫 ESP32 SoC 成首批通过亚马逊 ACS 认证的硬件平台
乐鑫信息科技(股票代码:688018)宣布,其旗舰级无线 SoC ESP32 成为首批支持亚马逊通用软件 (Amazon Common Software,以下简称 ACS) 设备的 SoC。首批通过 ACS 认证的硬件平台有 ESP32 和 RPi4 (树莓派 4)。 ACS(目前亚马逊仅对外提供预览版) 能够在设备上加速集成亚马逊 SDK,使设备更快、更具成本效益地进入市场。对于设备制造商,ACS 为多种亚马逊 SDK 提供了一个统一的 API 集成层。ACS 还提供亚马逊设备预先验证的、内存优化的组件,用于连接、联网、身份验证和键值存储等常见功能。 乐鑫的 ESP32 是一款 WiFi + BT/Bluetooth LE 的组
[手机便携]
易科奇通信与其运营商伙伴基于比科奇PC802基带SoC联合研发的系列5G微基站进入现网试运行
易科奇通信与其运营商伙伴基于比科奇PC802基带SoC联合研发的系列5G微基站进入现网试运行 基于PC802的扩展型和一体化系列5G微基站产品将推动更多惠及运营服务和终端用户的创新 中国杭州,2023年3月 - 5G小基站基带芯片和电信级软件提供商比科奇(Picocom)日前宣布,易科奇通信技术(深圳)有限公司与其运营商伙伴采用比科奇PC802基带/PHY系统级芯片(SoC)成功研发了扩展型和一体化两种形态的微基站。 目前,这些微基站已完成实验室测试,正在运营商的现网开展试运行。现有测试结果验证了基于PC802的5G微基站具有降低功耗和成本的能力,可为运营商的5G网络部署和运营服务提供更加灵活和高效的手段。 目前正在现网
[网络通信]
易科奇通信与其运营商伙伴基于比科奇PC802基带<font color='red'>SoC</font>联合研发的系列5G微基站进入现网试运行
小广播
添点儿料...
无论热点新闻、行业分析、技术干货……
设计资源 培训 开发板 精华推荐

最新单片机文章
何立民专栏 单片机及嵌入式宝典

北京航空航天大学教授,20余年来致力于单片机与嵌入式系统推广工作。

换一换 更多 相关热搜器件
电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved