8位微控制器在SoC的應用

過(guò)去15 年來(lái)，許多人都曾預測8 位微控制器即將退出舞臺，然而這卻是電子產(chǎn)業(yè)失誤最大的預測之一；事實(shí)上，雖然16 和32 位產(chǎn)品已極為常見(jiàn)，8 位微控制器的需求仍繼續成長(cháng)，總值約達到今日100 億美元全球微控制器市場(chǎng)的一半。推動(dòng)8 位市場(chǎng)快速發(fā)展及成長(cháng)的動(dòng)力主要來(lái)自于8 位產(chǎn)品效能的大幅提升，特別是以8051 系列為基礎的產(chǎn)品，其它原因還包括芯片內建功能的加強以及不斷縮小的封裝體積。今天，這類(lèi)組件已能提供高達100 MIPS 的產(chǎn)出，這是8 位微控制器在短短幾年前還無(wú)法想象的事情。然而重要的不僅是原始運算效能，真實(shí)世界是個(gè)模擬世界，因此系統也需要模擬和混合訊號功能，而且最好內建于芯片中。與外在世界的通訊也是問(wèn)題，核心處理效能需要與其相稱(chēng)的通訊能力，使它能夠很有效的聯(lián)絡(luò )系統其它組件，這樣才能將強大效能化為實(shí)際優(yōu)點(diǎn)。

8051 如何跟上今日的效能需求

最早的8051 是由英特爾在1980 年推出，它讓每一個(gè)指令的執行跨越12 個(gè)頻率周期，使得硬件資源的需求減至最少。10 年后，Dallas Semiconductor (今天的Maxim) 利用新設計來(lái)改善這套架構，它移除了冗余的總線(xiàn)動(dòng)作，讓典型指令只需要4 個(gè)頻率周期；他們還推出可直接取代8051 的兼容微控制器，可將既有系統的效能立刻提高三倍。

Silicon Laboratories 的8 位微控制器系列采用了新的專(zhuān)屬設計來(lái)實(shí)作8051 指令集架構，它能提供最大的指令產(chǎn)出，同時(shí)維持完整的目的碼 (object code) 兼容能力，以發(fā)展出采用「硬件連接」(hard wired) 實(shí)作方式的C8051F 中央處理器，而不是原來(lái)采用微碼(micro-coded) 的設計。新設計會(huì )將指令集映像到兩級式基本處理管線(xiàn)，以便提高產(chǎn)出，同時(shí)維持8 位的程序內存寬度。這種方法帶來(lái)了一系列新組件，它們能在1 或2 個(gè)頻率周期內執行絕大多數的指令，效能超過(guò)原始8051 設計的20 至25 倍。有了這樣的效能，工程師只要利用成本更低的8 位產(chǎn)品，就能支持原本需要較昂貴的16 或32 位微控制器才能執行的應用。

微控制器現能整合那些功能而不會(huì )犧牲其效能？

在幾乎所有的電子系統中，工程師都想將最多功能整合至最小空間，這種做法有許多廣為人知的優(yōu)點(diǎn)，包括零件數目降低、庫存組件減少、制造成本下降、以及可能帶來(lái)的更高效能與可靠性。因此，針對特定應用評估所選擇的微控制器時(shí)，重要的是從解決方案總成本的角度來(lái)考慮這些優(yōu)點(diǎn)，而不僅是單顆零件的價(jià)格。

近幾年來(lái)，隨著(zhù)價(jià)格不斷下滑，芯片內建閃存已變得日益流行；除了對于價(jià)格最敏感的高產(chǎn)量型應用之外，其它應用現都認為值得付出少許的代價(jià)，來(lái)?yè)Q取超越「可程序一次」(one-time-programmable) 組件的更大彈性。

在線(xiàn)除錯 (In-system debug) 也是所想要的功能，由于它們能免除原先所需的昂貴仿真器，新組件的應用成本將會(huì )下降，設計人員也能更自由的為特定應用選擇最合適的組件。雖然32 位的微控制器和數字訊號處理器已廣泛提供在線(xiàn)除錯功能，但是在Silicon Laboratories 推出C8051F 組件系列之前，8 位產(chǎn)品卻極少提供在線(xiàn)除錯功能。精準振蕩器、模擬數字轉換器和數字模擬轉換器是系統最常需要的模擬零件，溫度量測功能、電壓參考和比較器也很常用；在數字外圍方面，外部通訊最常使用的標準包括UART 以及SPI、I2C、USB 和CAN 界面，另外還會(huì )加入功能包括定時(shí)器和可程序計數器數組。

相較于采用離散零件的解決方案，把模擬數字轉換器和數字模擬轉換器整合至微控制器常會(huì )導致效能下降，特別是模擬功能的線(xiàn)性特性和訊號雜波比；即便如此，仍有些新組件的效能已不輸給使用最佳零件的解決方案或內建16 位、1 MSPS 模擬數字轉換器的其它產(chǎn)品。

如前所述，8 位微控制器現已能提供高達100 MIPS 的峰值產(chǎn)出，圖1 就是這類(lèi)組件的功能線(xiàn)路圖，它是由Silicon Laboratories 所提供的C8051F120，內建128 kbytes 閃存、

圖1：模擬及數字功能的整合讓8 位微控制器得以提供接近系統單芯片的功能

8.25 kbytes RAM 、12 位模擬數字轉換器、12 位數字模擬轉換器以及各種數字外圍，包括UART、SPI 總線(xiàn)、I2C 總線(xiàn)、定時(shí)器模塊和外部?jì)却娼缑?。這顆組件專(zhuān)門(mén)支持運算量龐大、又需要高效能模擬數字轉換器及數字模擬轉換器的混合訊號嵌入式應用，它還提供在線(xiàn)除錯功能。

典型應用：高速電池充電器

考慮過(guò)現有產(chǎn)品后，我們將介紹一項應用，其中的混合訊號微控制器就能提供我們在鋰離子電池高速充電電路中所討論的優(yōu)點(diǎn)。
電池必須能迅速、安全而有效的進(jìn)行充電，最佳充電方式通常包含三個(gè)階段：低電流調節階段，用來(lái)將早期的自我恢復-(early self healing) 減至最少，同時(shí)避免充電過(guò)程太早結束；定電流充電階段，用來(lái)提供大部份電力；以及定電壓階段／充電結束通常也是時(shí)間最長(cháng)的階段。充電過(guò)程中，部份電能會(huì )轉變?yōu)闊崃?，當電池達到滿(mǎn)電力后，所有送給它的能量都會(huì )變成熱量，這可能造成危險和傷害，因此必須監視電池溫度以避免損害。