如何選擇合適的微控制器

微控制器無(wú)處不在，其使用范圍也在不斷擴(kuò)大。但對(duì)其特性和潛在使用場(chǎng)景的深入理解，可以幫助我們?cè)谶x擇和部署這項(xiàng)技術(shù)時(shí)做出更明智的決策。

微控制器還是微處理器：做出正確選擇

首先要考慮的問(wèn)題是，你需要的是微控制器還是微處理器？這兩者雖然有些相似，但在使用場(chǎng)景上有所重疊，因此理解它們的相對(duì)優(yōu)勢(shì)是必要的第一步。

微處理器通常只有一個(gè)處理核心（CPU），一般來(lái)說(shuō)，足夠強(qiáng)大，可以處理涉及大量?jī)?nèi)存的復(fù)雜應(yīng)用程序。它們是面向通用應(yīng)用的。而微控制器則包括CPU、內(nèi)存和輸入輸出（I/O），足夠支持單一或少量功能或應(yīng)用，例如醫(yī)療設(shè)備或家居自動(dòng)化系統(tǒng)。

微處理器通常與外部設(shè)備和系統(tǒng)（如內(nèi)存）協(xié)同工作，而微控制器則更有可能由一個(gè)單獨(dú)的封裝組成。

微控制器非常適合低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用和數(shù)據(jù)收集，以及空間或電力有限的應(yīng)用場(chǎng)景。

選擇微控制器的基本步驟

訪問(wèn)調(diào)試器可以加速并簡(jiǎn)化任何包括微控制器的產(chǎn)品的部署過(guò)程。調(diào)試器能夠支持代碼上傳和實(shí)時(shí)調(diào)試，如設(shè)置斷點(diǎn)。如果選擇某個(gè)廠商的微控制器產(chǎn)品，通常該廠商也會(huì)提供專用調(diào)試器，這可能會(huì)有所幫助，但也有通用的調(diào)試器可供選擇。

構(gòu)建完整的產(chǎn)品

要實(shí)現(xiàn)成功的微控制器應(yīng)用，還需要考慮很多因素。

微控制器需要電源，通常是3.3V的電壓，并且電力需要通過(guò)供電軌道進(jìn)行傳輸。引腳還需要去耦電容。為了適應(yīng)任何模擬外設(shè)，你可能還需要一個(gè)所謂的Pi濾波器，以防止噪聲影響模擬信號(hào)。

通常可以通過(guò)調(diào)試探針或引導(dǎo)加載程序來(lái)上傳代碼。

振蕩器也是一個(gè)重要的考慮因素。大多數(shù)微控制器內(nèi)部都帶有振蕩器，但有時(shí)也需要外部晶振，尤其是在更高頻率或更高精度的情況下。這并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的“即插即用”過(guò)程，你可能需要根據(jù)晶體的數(shù)據(jù)表在電路中包含負(fù)載電容，以及一個(gè)饋電電阻來(lái)避免晶體過(guò)載。這可以減少或防止諧波的產(chǎn)生。

“解碼”微控制器引腳以創(chuàng)建完整的設(shè)備是實(shí)現(xiàn)微控制器應(yīng)用的另一重要步驟。同樣，數(shù)據(jù)表至關(guān)重要。更好的是，一些微控制器供應(yīng)商提供開(kāi)發(fā)環(huán)境和工具，以簡(jiǎn)化這些活動(dòng)。

根據(jù)項(xiàng)目的性質(zhì)，列出需要適應(yīng)的外部接口可能很有幫助。硬件框圖是完成此任務(wù)的一種方法，通常從通信接口開(kāi)始。UART、USB、I2C和SPI是微控制器可能使用的接口之一。USB和以太網(wǎng)較為不常見(jiàn)。如果它們?cè)谑褂梅秶鷥?nèi)，應(yīng)該注意，它們往往需要更多的程序空間?？赡苓€需要數(shù)字或模數(shù)轉(zhuǎn)換I/O。

在軟件方面，弄清楚給定程序如何在所考慮的硬件上運(yùn)行是非常重要的一步。哪些處理步驟會(huì)大量使用資源？它們會(huì)同時(shí)發(fā)生嗎？是否有類似的軟件運(yùn)行在所考慮的硬件上，可以提供一個(gè)粗略的概念驗(yàn)證？

長(zhǎng)遠(yuǎn)的考慮

選擇控制器并不是一次性任務(wù)。隨著技術(shù)的進(jìn)步或產(chǎn)品升級(jí)的需求，很可能需要在產(chǎn)品生命周期內(nèi)多次升級(jí)微控制器。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期進(jìn)行長(zhǎng)期思考，可能會(huì)在以后有所收益。通過(guò)一些快速計(jì)算可以明確，選擇8位、16位、32位甚至64位微控制器是否適合并且能夠在合理的時(shí)間內(nèi)滿足產(chǎn)品的預(yù)期需求。

微控制器未來(lái)的發(fā)展

微控制器市場(chǎng)的未來(lái)可能會(huì)如何發(fā)展？根據(jù)Grandview Research專家的說(shuō)法，32位微控制器市場(chǎng)最近占據(jù)了整個(gè)微控制器市場(chǎng)價(jià)值的50.0%，而整個(gè)市場(chǎng)預(yù)計(jì)在2030年之前將以12.3%的年復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）增長(zhǎng)。因此，盡管目前市場(chǎng)上仍有大量8位和16位微控制器，但隨著時(shí)間的推移，更強(qiáng)大、功能更強(qiáng)的32位和64位設(shè)備可能會(huì)成為主流。

研究人員還注意到一個(gè)重要的新興架構(gòu)趨勢(shì)。在2023年，馮·諾依曼架構(gòu)的微控制器主導(dǎo)了市場(chǎng)，占據(jù)了超過(guò)42.0%的收入份額。馮·諾依曼架構(gòu)因其經(jīng)濟(jì)性和熟悉性以及相對(duì)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程而具有優(yōu)勢(shì)。

然而，哈佛架構(gòu)的微控制器，其指令和數(shù)據(jù)采用了分離的存儲(chǔ)和信號(hào)路徑，也以每年12%的速度增長(zhǎng)。哈佛架構(gòu)特別適用于實(shí)時(shí)應(yīng)用和需要高性能的場(chǎng)景。這是另一個(gè)值得考慮的選擇。