8位單片機(jī)寶刀未老，在SoC中大有作為

過(guò)去15 年來(lái)，許多人都曾預(yù)測(cè)8 位微控制器即將退出舞臺(tái)，然而這卻是電子產(chǎn)業(yè)失誤最大的預(yù)測(cè)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(xù)成長(zhǎng)，總值約達(dá)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(zhǎng)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(chǔ)的產(chǎn)品，其它原因還包括芯片內(nèi)建功能的加強(qiáng)以及不斷縮小的封裝體積。今天，這類(lèi)組件已能提供高達(dá)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(yùn)算效能，真實(shí)世界是個(gè)模擬世界，因此系統(tǒng)也需要模擬和混合訊號(hào)功能，而且最好內(nèi)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(tǒng)其它組件，這樣才能將強(qiáng)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(zhí)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(shè)計(jì)來(lái)改善這套架構(gòu)，它移除了冗余的總線動(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(tǒng)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(shè)計(jì)來(lái)實(shí)作8051 指令集架構(gòu)，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(shè)計(jì)。新設(shè)計(jì)會(huì)將指令集映像到兩級(jí)式基本處理管線，以便提高產(chǎn)出，同時(shí)維持8 位的程序內(nèi)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(nèi)執(zhí)行絕大多數(shù)的指令，效能超過(guò)原始8051 設(shè)計(jì)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(zhí)行的應(yīng)用。

微控制器現(xiàn)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(tǒng)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(shù)目降低、庫(kù)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(duì)特定應(yīng)用評(píng)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)，隨著價(jià)格不斷下滑，芯片內(nèi)建閃存已變得日益流行；除了對(duì)于價(jià)格最敏感的高產(chǎn)量型應(yīng)用之外，其它應(yīng)用現(xiàn)都認(rèn)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。

在線除錯(cuò) (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(yīng)用成本將會(huì)下降，設(shè)計(jì)人員也能更自由的為特定應(yīng)用選擇最合適的組件。雖然32 位的微控制器和數(shù)字訊號(hào)處理器已廣泛提供在線除錯(cuò)功能，但是在Silicon Laboratories 推出C8051F 組件系列之前，8 位產(chǎn)品卻極少提供在線除錯(cuò)功能。精準(zhǔn)振蕩器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器是系統(tǒng)最常需要的模擬零件，溫度量測(cè)功能、電壓參考和比較器也很常用；在數(shù)字外圍方面，外部通訊最常使用的標(biāo)準(zhǔn)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(jì)數(shù)器數(shù)組。 相較于采用離散零件的解決方案，把模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器整合至微控制器常會(huì)導(dǎo)致效能下降，特別是模擬功能的線性特性和訊號(hào)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(nèi)建16 位、1 MSPS 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的其它產(chǎn)品。

如前所述，8 位微控制器現(xiàn)已能提供高達(dá)100 MIPS 的峰值產(chǎn)出，圖1 就是這類(lèi)組件的功能線路圖，它是由Silicon Laboratories 所提供的C8051F120，內(nèi)建128 kbytes 閃存、 8.25 kbytes RAM 、12 位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、12 位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器以及各種數(shù)字外圍，包括UART、SPI 總線、I2C 總線、定時(shí)器模塊和外部?jī)?nèi)存界面。這顆組件專(zhuān)門(mén)支持運(yùn)算量龐大、又需要高效能模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器及數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的混合訊號(hào)嵌入式應(yīng)用，它還提供在線除錯(cuò)功能。

圖1：模擬及數(shù)字功能的整合讓8 位微控制器得以提供接近系統(tǒng)單芯片的功能

典型應(yīng)用：高速電池充電器 考慮過(guò)現(xiàn)有產(chǎn)品后，我們將介紹一項(xiàng)應(yīng)用，其中的混合訊號(hào)微控制器就能提供我們?cè)阡囯x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(diào)節(jié)階段，用來(lái)將早期的自我恢復(fù)-(early self healing) 減至最少，同時(shí)避免充電過(guò)程太早結(jié)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(jié)束通常也是時(shí)間最長(zhǎng)的階段。充電過(guò)程中，部份電能會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?，?dāng)電池達(dá)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(xiǎn)和傷害，因此必須監(jiān)視電池溫度以避免損害。

要判斷電池是否已充滿(mǎn)電力，絕大多數(shù)的鋰離子充電器會(huì)將電池電壓保持固定，然后監(jiān)測(cè)最小的電流值，圖2 即為充電曲線，它是利用降壓轉(zhuǎn)換器實(shí)作所得到的最有效曲線，這個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器是一種交換式穩(wěn)壓器，它會(huì)使用電感或是變壓器做為儲(chǔ)能裝置，然后以個(gè)別封包的形式把能量從輸入端送到輸出端?；厥诨芈穭t會(huì)透過(guò)晶體管來(lái)調(diào)節(jié)能量傳送，以便在電路的負(fù)載范圍內(nèi)維持定電壓或定電流。

圖2：鋰離子電池的充電曲線

利用8 位微控制器C8051F300 和它內(nèi)建的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、閃存、脈沖寬度調(diào)變器、溫度傳感器以及精準(zhǔn)時(shí)鐘電路，即可設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)某潆婋娐?。圖3 所示即為這類(lèi)充電器的方塊圖，芯片內(nèi)建高速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器提供準(zhǔn)確的充電電壓監(jiān)測(cè)功能，用來(lái)避免過(guò)度充電，并提供最大的充電有效性和電池壽命。芯片內(nèi)建比較器和PWM 則為高速降壓轉(zhuǎn)換器的實(shí)作提供必要功能，使它們只需要一顆很小的外接電感。芯片內(nèi)建溫度傳感器提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電壓，可用來(lái)判斷電池溫度；若有必要，它也能使用外接的電阻性溫度感測(cè)組件。最后，這顆微控制器還提供組態(tài)配置及程序設(shè)定功能，這使它能支持不同類(lèi)型的電池，協(xié)助客戶(hù)減少零件庫(kù)存，加快新產(chǎn)品上市時(shí)間。

圖3：鋰離子電池充電器的功能方塊圖

結(jié)論

8 位微控制器依然相當(dāng)活躍，由于日益豐富的模擬和數(shù)字外圍整合，8 位微控制器現(xiàn)能為許多常見(jiàn)應(yīng)用提供接近于系統(tǒng)單芯片的功能。當(dāng)這些組件以8051 架構(gòu)為基礎(chǔ)時(shí)，工程師會(huì)對(duì)他們感到極為熟悉，使得設(shè)計(jì)和研發(fā)工作更簡(jiǎn)單快速，而且成本更低。