自微控制器投入使用以來(lái),存儲(chǔ)器、計(jì)數(shù)器以及串行和控制輸入/輸出的基本功能性都得到了相當(dāng)大的改進(jìn)。而新的非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)已經(jīng)對(duì)工程師們的微控制器使用方式產(chǎn)生了重要的影響。
非易失性存儲(chǔ)器為設(shè)計(jì)人員提供了軟件設(shè)計(jì)上的巨大靈活性以及對(duì)不斷變化的最新軟件要求的適應(yīng)能力。然而,早期的4位和8位微控制器的應(yīng)用受到其體系結(jié)構(gòu)、外圍元件、存儲(chǔ)器、引出線及其他設(shè)計(jì)約束條件等在項(xiàng)目初期就已選定的要素的限制。
在使用老式微控制器的時(shí)候有兩個(gè)令人不快的事實(shí)：一是很少能夠找到所需外圍元件的組合和數(shù)量均較理想的器件;二是在產(chǎn)品研制過(guò)程中涌現(xiàn)出來(lái)的新的設(shè)計(jì)思想或產(chǎn)品的升級(jí)換代必須要能夠用軟件來(lái)解決,否則就只能擱置起來(lái),除非設(shè)計(jì)小組愿意增加成本或延長(zhǎng)開發(fā)時(shí)間,或兼而有之并重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。
在過(guò)去的幾年中,一項(xiàng)新技術(shù)——可編程器件正在悄然崛起。可編程器件能夠在被賦予任何功能性、并具有全部靈活性的同時(shí)被迅速而廉價(jià)地予以重構(gòu),這類器件的日益普及對(duì)微控制器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展起到了推動(dòng)作用。
可配置微控制器單元
新一代的微控制器具備了當(dāng)今數(shù)千種不同嵌入式設(shè)計(jì)所提供的外圍靈活性,既可以是在微控制器單元（MCU）中,也可以是作為外圍芯片。因此,設(shè)計(jì)工程師能夠精確地判斷應(yīng)用所需的外圍配件——對(duì)其做出規(guī)定并在不產(chǎn)生一次性費(fèi)用、不拖延項(xiàng)目期限或不產(chǎn)生兼容性問(wèn)題的情況下對(duì)其進(jìn)行更改。這樣就增加了設(shè)計(jì)創(chuàng)新的機(jī)會(huì),降低了產(chǎn)品成本并縮短了設(shè)計(jì)所需的時(shí)間。
圖：新型8位微控制器法實(shí)現(xiàn)了三寄存器邏輯程序塊和數(shù)字PsoC程序塊
可配置微控制器允許選擇外圍元件的種類和數(shù)量,從而能夠容易地與不斷變化著的需求和方案相適應(yīng)。曾一度添加到電路板上用于解決某些問(wèn)題的元件可在MCU自身的內(nèi)部進(jìn)行配置,這樣至少也會(huì)使成本有實(shí)實(shí)在在的下降。
可配置器件的供應(yīng)價(jià)格與標(biāo)準(zhǔn)MCU的十分接近。哪怕只有一個(gè)或兩個(gè)外圍元件、晶體或芯片可用片上功能電路來(lái)替代,那么材料賬單上的成本也會(huì)有所下降,開發(fā)期將縮短、電路板將變小、設(shè)計(jì)成功的可能性將大幅度提高。
Cypress Microsystems公司的CY8C25000 PSoC微控制器系列（如圖）顯現(xiàn)出了許多在評(píng)價(jià)可配置8位微控制器時(shí)所期望的性能。該微控制器具有可配置于所需外圍電路中的數(shù)字和模擬程序塊（PSoC塊）。關(guān)鍵在于所有的可配置性均能夠通過(guò)用以指示專用PSoC塊如何動(dòng)作的合適的寄存器設(shè)置,以及對(duì)諸如輸入選擇、數(shù)值比較和事件動(dòng)作等傳統(tǒng)參數(shù)的控制來(lái)處理。
開發(fā)工具
除了合適的器件以外,另一個(gè)關(guān)鍵的要素是用于加速設(shè)計(jì)進(jìn)程的開發(fā)工具。CY8C25000微控制器系列擁有可提供與傳統(tǒng)MCU外圍元件的特性相匹配的幾十種預(yù)配置“用戶模塊”,包括合適的寄存器設(shè)置、描述性文本編制和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)接口。利用這些新型開發(fā)方案,設(shè)計(jì)人員可采用“圖形點(diǎn)擊和放置”操作來(lái)選擇所需的外圍元件。
選定的用戶模塊也可通過(guò)互連來(lái)完成系統(tǒng)專用數(shù)據(jù)流和電路板排版專用引出線的設(shè)置。一套完整的微控制器和開發(fā)工具解決方案將解決有關(guān)尋找一種靈活的數(shù)字外圍電路設(shè)計(jì)方案的問(wèn)題,并判明何時(shí)典型的PSoC解決方案將符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。
可配置外圍元件
研究一下傳統(tǒng)的MCU數(shù)字外圍元件,設(shè)計(jì)人員將會(huì)發(fā)現(xiàn)在計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、PWM發(fā)生器、SPI主從程序塊、異步接收機(jī)和發(fā)信機(jī)、CRC發(fā)生器以及偽隨機(jī)函數(shù)發(fā)生器之間功能上的差異極小。PSoC系列把所有這些功能做成了三寄存器邏輯程序塊和數(shù)字PSoC程序塊（如圖）。負(fù)責(zé)處理寄存器之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移和數(shù)值比較的接口設(shè)在提供可選功能性的位置。
通過(guò)采用數(shù)據(jù)寄存器來(lái)控制程序塊的輸入和輸出以及3個(gè)功能寄存器之間的內(nèi)部接口,能夠在最小開銷的情況下完成傳統(tǒng)外圍電路的高效硬件實(shí)現(xiàn)。每個(gè)數(shù)字PSoC程序塊都是一個(gè)8位資源。若要制作一個(gè)16位計(jì)時(shí)器,需把兩個(gè)程序塊連接起來(lái)。
有兩種不同類型的數(shù)字PSoC程序塊。在接口中,大部分邏輯電路位于串行移位和串行I/O程序塊之中,因此只有一半的數(shù)字程序塊可用于生成串行I/O用戶模塊。
在老式的8位MCU中,工程師們采用分立元件和片外運(yùn)算放大器來(lái)處理模擬信號(hào)調(diào)節(jié)和功能性。可配置MCU應(yīng)能夠提供混合信號(hào)支持以免除這一要求。
PSoC MCU包括12個(gè)模擬PSoC程序塊,它們是采用相聯(lián)互連和可擴(kuò)縮反饋/輸入比例電阻（或電容）的運(yùn)算放大器。借助這些程序塊,用戶模塊可執(zhí)行A/D變換（逐次近似、ΣΔ調(diào)制或增量調(diào)制）、D/A變換、濾波、放大和調(diào)制/解調(diào)操作的外圍功能。利用PSoC MCU可配置寄存器,互連時(shí)鐘、輸入、輸出和輸入/反饋電阻均可隨時(shí)設(shè)定和改變。
其中的4個(gè)程序塊采用階梯電阻來(lái)控制反饋/輸入比,以調(diào)節(jié)增益。這就需要提供高阻抗輸入和復(fù)用結(jié)構(gòu),以便對(duì)諸如8通道A/D變換這樣的處理提供支持。
其余的8個(gè)程序塊實(shí)際上用開關(guān)電容代替了電阻。硅芯片上的電阻是非常昂貴的,而硅芯片上的電容卻十分便宜。由于制作匹配電容很容易,因此階梯電容非常起作用（因?yàn)樗軌蛉菀椎孬@得精確的比值）。
可重構(gòu)外圍元件
為設(shè)計(jì)人員提供超常靈活性的一項(xiàng)重要功能就是可在操作過(guò)程中對(duì)該新一代微控制器進(jìn)行動(dòng)態(tài)重構(gòu)。對(duì)于經(jīng)歷操作狀態(tài)的應(yīng)用而言,可對(duì)該器件進(jìn)行徹底重構(gòu)以獲得與狀態(tài)有關(guān)的功能性。這就使得具有10個(gè)外圍元件的MCU能夠起到與具有幾十種外圍功能的器件相同的作用。
設(shè)想一下24小時(shí)工作（監(jiān)視硬幣和賬單收取、測(cè)量溫度以及管理配料設(shè)備的控制序列）的自動(dòng)售貨機(jī)。在午夜時(shí)分,該項(xiàng)新技術(shù)將對(duì)必需的PSoC程序塊進(jìn)行重構(gòu),以生成需要的通信功能和一個(gè)撥號(hào)調(diào)制解調(diào)器。于是,它就可以與銷售商通話,報(bào)告目前的狀況、訂購(gòu)適量的新商品并告知任何有關(guān)維護(hù)方面的問(wèn)題。
8位微控制器技術(shù)正在進(jìn)步,以向設(shè)計(jì)工程師提供適合他們的應(yīng)用、設(shè)計(jì)創(chuàng)造力和靈活性、上市時(shí)間和成本效益要求的特定性能。該新技術(shù)的關(guān)鍵是可配置及動(dòng)態(tài)可重構(gòu)外圍元件、簡(jiǎn)單的開發(fā)工具、可配置引出線和模擬支持。采用像PSoC MCU這樣的可配置產(chǎn)品將使設(shè)計(jì)人員免受各種權(quán)衡折衷及限制條件的約束,加快他們的設(shè)計(jì)進(jìn)程,以期及時(shí)地推出產(chǎn)品。
