作者：Kenton Williston

對(duì)于電動(dòng)工具、個(gè)人衛(wèi)生用品、玩具、電器和照明控制裝置等功耗和空間受限設(shè)備的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，采用傳統(tǒng)上的 8 位微控制器單元 (MCU) 就足夠了。然而，隨著應(yīng)用的不斷發(fā)展，他們需要更高的速度、更強(qiáng)大的外設(shè)選項(xiàng)和軟件開(kāi)發(fā)工具。遷移到 16 位或 32 位替代方案可能會(huì)有所幫助，但往往要以更大的封裝尺寸和更高的功耗為代價(jià)。

為了解決這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員可以利用基于 8051 架構(gòu) MCU，這些 MCU 將 16 位和 32 位處理器的許多優(yōu)點(diǎn)帶到了 8 位處理器領(lǐng)域。這些處理器的封裝小至 2 x 2 mm，同時(shí)提供現(xiàn)代開(kāi)發(fā)環(huán)境。

本文簡(jiǎn)要介紹 8051 架構(gòu)及其對(duì)資源受限應(yīng)用的適用性。然后介紹 [Silicon Labs]基于 8051 的 MCU 系列，描述主要子系統(tǒng)并說(shuō)明每個(gè)子系統(tǒng)如何應(yīng)對(duì)關(guān)鍵設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。文章最后討論硬件和軟件支持。

為什么使用 8051 架構(gòu)？

為空間高度受限的應(yīng)用選擇 MCU 時(shí)，8 位處理器（如久負(fù)盛名的 8051）的優(yōu)勢(shì)眾多，如占用空間小、功耗低和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。然而，許多 8051 處理器的外設(shè)相對(duì)簡(jiǎn)單，成為它們能否適用特定用的瓶頸。例如，低分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 無(wú)法滿足醫(yī)療設(shè)備等高精度應(yīng)用的需要。

相對(duì)較慢的時(shí)鐘也可能是一個(gè)問(wèn)題。典型的 8051 MCU 工作時(shí)鐘頻率為 8 MHz 至 32 MHz，舊設(shè)計(jì)需要多個(gè)時(shí)鐘周期來(lái)處理指令。這種低速率會(huì)限制 8 位 MCU 支持實(shí)時(shí)操作的能力（如精確的電機(jī)控制）。

此外，8051 處理器的傳統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境也不符合現(xiàn)代軟件開(kāi)發(fā)人員的期望。如果再加上 8 位架構(gòu)的固有限制，就會(huì)導(dǎo)致編碼過(guò)程緩慢而令人沮喪。

傳統(tǒng) 8 位處理器的局限性可能會(huì)導(dǎo)致開(kāi)發(fā)人員考慮遷移到 16 位或 32 位 MCU。雖然這些 MCU 具有強(qiáng)大的計(jì)算能力、高性能外設(shè)以及現(xiàn)代軟件環(huán)境，但其體積也相對(duì)較大。這使得將這些器件集成到空間受限的設(shè)計(jì)中更具挑戰(zhàn)性，可能會(huì)延誤開(kāi)發(fā)或增加設(shè)計(jì)規(guī)模。

與 16 位和 32 位微控制器相關(guān)的代碼量和功耗的增加也會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)達(dá)不到最優(yōu)。對(duì)于許多不涉及復(fù)雜數(shù)學(xué)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這些缺點(diǎn)尤其成問(wèn)題，因?yàn)樵诖祟悜?yīng)用無(wú)法提現(xiàn)這些處理器的先進(jìn)功能優(yōu)勢(shì)。

這些權(quán)衡的理想點(diǎn)在項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)可能并不明顯，而在設(shè)計(jì)中期更換處理器可能會(huì)延誤開(kāi)發(fā)，或影響產(chǎn)品的尺寸或功能。因此，許多空間受限的設(shè)計(jì)可以采用功能更強(qiáng)大的 8051 架構(gòu) MCU，該器件將 16 位和 32 位處理器的許多優(yōu)勢(shì)帶到了外形緊湊的低功耗 8 位處理器領(lǐng)域。

EFM8BB50 為 8 位 MCU 帶來(lái)更多功能

Silicon Labs 在設(shè)計(jì) [EFM8BB50]系列 8 位 MCU 時(shí)考慮了這些因素（圖 1）。這些 MCU 的性能更強(qiáng)，具有先進(jìn)的外設(shè)和現(xiàn)代軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。

圖 1：所示為 EFM8BB50 MCU 的框圖。（圖片來(lái)源：Silicon Labs）

MCU 的核心是 CIP-51 8051 內(nèi)核，它是 Silicon Labs 實(shí)現(xiàn)的 8051 架構(gòu)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可提高性能、降低功耗并增強(qiáng)功能。其表現(xiàn)尤其值得一提。EFM8BB50 的內(nèi)核速度高達(dá) 50 MHz，70% 的指令可在一個(gè)或兩個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行。這使得該 MCU 的性能大大高于傳統(tǒng)的 8 位處理器，為從而開(kāi)發(fā)人員開(kāi)發(fā)更復(fù)雜的應(yīng)用提供了更大的發(fā)揮空間。

體積小也是這些MCU 的顯著特點(diǎn)之一。該系列的16 引腳變體（如[EFM8BB50F16G-A-QFN16]）采用小至2.5 mm x 2.5 mm 的封裝。 12 引腳版本（如[EFM8BB50F16G-A-QFN12] ）甚至更小，封裝尺寸可小至2 mm x 2 mm。

盡管 EFM8BB50 MCU 的尺寸很小，卻擁有一系列令人印象深刻的功能，具體包括

• 12 位 ADC，這對(duì)于需要精確傳感器數(shù)據(jù)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)至關(guān)重要
• 集成溫度傳感器，可使 MCU 無(wú)需外部元件即可監(jiān)控其內(nèi)部溫度或環(huán)境溫度
• 具有脈寬調(diào)制 (PWM) 功能的三通道可編程計(jì)數(shù)器陣列 (PCA)，可產(chǎn)生 PWM 信號(hào)，用于電機(jī)控制和 LED 調(diào)光等應(yīng)用中的可變輸出控制
• 具有死區(qū)時(shí)間插入 (DTI) 功能的三通道 PWM 引擎，可增加對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器或電源轉(zhuǎn)換器等電力電子設(shè)備的控制功能

其他輸入/輸出 (I/O) 包括各種串行通信接口、一組 8 位和 16 位定時(shí)器以及四個(gè)可配置邏輯單元。該 MCU 系列的所有引腳都支持 5 V 電壓，數(shù)字 I/O 可靈活分配，以充分利用有限的引腳。

高級(jí)電源管理

EFM8BB50 集成了多項(xiàng)能源管理功能，可優(yōu)化功耗并延長(zhǎng)電池壽命。首先是多種功耗模式，包括閑置模式，這種模式可降低內(nèi)核時(shí)鐘速度，同時(shí)保持外設(shè)運(yùn)行。停止模式則更進(jìn)一步，在保留 RAM 和寄存器內(nèi)容的同時(shí)，停止內(nèi)核和大多數(shù)外設(shè)。某些外設(shè)可以設(shè)置為從停止模式喚醒內(nèi)核，這有利于主要地保持低功耗狀態(tài)的事件驅(qū)動(dòng)型應(yīng)用。

靈活的時(shí)鐘選項(xiàng)會(huì)進(jìn)一步幫助節(jié)能。具有精密的內(nèi)部振蕩器，在許多情況下無(wú)需外部晶體振蕩器，從而降低了總功耗。MCU 還支持時(shí)鐘門(mén)控，可選擇性地禁用各種外設(shè)時(shí)鐘，使開(kāi)發(fā)人員能夠關(guān)閉不使用的外設(shè)。

外設(shè)設(shè)計(jì)還考慮到了能效。最值得注意的是，可配置邏輯單元 (CLU) 可以獨(dú)立執(zhí)行簡(jiǎn)單的邏輯功能，從而減少了將內(nèi)核從低功耗模式喚醒以執(zhí)行簡(jiǎn)單任務(wù)的需要。此外，低能耗 UART（LEUART）可在禁用主振蕩器的電源模式下運(yùn)行，允許在低功耗狀態(tài)下進(jìn)行串行通信。

支持直觀的軟件開(kāi)發(fā)

開(kāi)發(fā)人員可以在 Silicon Labs 的 [Simplicity Studio Suite] 環(huán)境下為 EFM8BB50 系列構(gòu)建軟件。該環(huán)境用于 8 位 EFM8BB50、公司的 32 位 MCU 及其無(wú)線片上系統(tǒng) (SoC)。因此，開(kāi)發(fā)人員擁有了一個(gè)現(xiàn)代軟件環(huán)境，可獲得他們所期望的更強(qiáng)大的處理器功能。例如，該環(huán)境提供了能耗分析器，可實(shí)時(shí)對(duì)代碼進(jìn)行能耗分析器（圖 2）。

圖 2：Simplicity Studio 包含一個(gè)能耗分析器，可實(shí)時(shí)分析代碼能耗。（圖片來(lái)源：Silicon Labs）

這些工具在一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 (IDE) 內(nèi)構(gòu)建，該環(huán)境包含行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的代碼編輯器、編譯器、調(diào)試器和一個(gè)用戶界面（UI）引擎，可用于開(kāi)發(fā)現(xiàn)代響應(yīng)式界面。通過(guò)該開(kāi)發(fā)環(huán)境，可訪問(wèn)具體設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)和 SDK 資源，以及專門(mén)的軟件和硬件配置工具。

Simplicity Studio 還支持 Silicon Labs Secure Vault。Secure Vault 是一款非常先進(jìn)的安全套件，具有 PSA 3 級(jí)認(rèn)證，有助于設(shè)計(jì)人員加固物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備，保護(hù)其攻擊面免受不斷升級(jí)的網(wǎng)絡(luò)威脅，同時(shí)符合不斷發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)安全法規(guī)。

快速開(kāi)始使用評(píng)估套件

有興趣嘗試 EFM8BB50 的開(kāi)發(fā)人員可以考慮圖 3 所示的 [BB50-EK2702A]探索者套件。該套件外形小巧，與試驗(yàn)板大小一致，便于安裝到原型系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)室硬件上。該器件有一個(gè) USB 接口、一個(gè)板載 SEGGER J-Link 調(diào)試器、一個(gè) LED 指示燈和一個(gè)用戶交互按鈕。該套件完全受 Simplicity Studio Suite 支持，并可與 [能耗分析器] 實(shí)用程序一起使用。為每個(gè)外設(shè)提供了軟件示例，并演示了 LED、按鈕和 UART。

圖 3：所示為 BB50-EK2702A 探索者套件。（圖片來(lái)源：Silicon Labs）

該套件包括一個(gè) mikroBUS 插座和一個(gè) Qwiic 連接器。這種硬件擴(kuò)展板支持能夠讓開(kāi)發(fā)人員使用不同供應(yīng)商的現(xiàn)成電路板快速創(chuàng)建應(yīng)用并制作原型。

對(duì)更全面的入門(mén)知識(shí)感興趣的開(kāi)發(fā)人員，可以使用圖 4 所示的 [BB50-PK5208A]專業(yè)套件。該套件專為深入評(píng)估和測(cè)試而設(shè)計(jì)，包含傳感器和外設(shè)，可展示 MCU 的多種功能。

圖 4：所示為用于深入評(píng)估和測(cè)試的 BB50-PK5208A 專業(yè)套件。（圖片來(lái)源：Silicon Labs）

專業(yè)套件包括 USB 連接、超低功耗 128 x 128 像素存儲(chǔ)器 LCD、八向模擬操縱桿、LED 和用戶按鈕。該套件還配備了 Silicon Labs 的 [Si7021]相對(duì)濕度和溫度傳感器以及多種電源，包括 USB 和鈕扣電池。

為便于擴(kuò)展，該電路板提供了一個(gè) 20 針 2.54 mm 針座。該套件還提供用于直接訪問(wèn) I/O 引腳的分線焊盤(pán)。與探索者套件一樣，專業(yè)支持能耗分析器，并隨附每個(gè)外設(shè)的軟件示例。

選配 EFM8BB50 調(diào)試器

Silicon Labs 提供多種支持其 MCU 的調(diào)試器對(duì)于通用調(diào)試，該公司提供的 [DEBUGADPTR1-USB] 是一款 8 位 USB 調(diào)試適配器，帶有一個(gè)簡(jiǎn)單的 10 針連接器。

[SI-DBG1015A]的 Simplicity Link 調(diào)試器可提供更多專業(yè)功能。該連接器與上述兩個(gè)套件中的小型 Simplicity Link 相連。除基本功能外，Simplicity Link 還提供了多種其他功能，包括 SEGGER J-Link 調(diào)試器、數(shù)據(jù)包跟蹤接口、虛擬 COM 端口和用于輕松探測(cè)單信號(hào)的分線板。

結(jié)束語(yǔ)

EFM8BB50 等現(xiàn)代 8051 MCU 能將通常與 16 位和 32 位器件相關(guān)的功能引入 8 位領(lǐng)域。憑借快速的時(shí)鐘速度、高性能外設(shè)和強(qiáng)大的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，該系列 MCU 為開(kāi)發(fā)人員提供了合適的功能組合，可滿足越來(lái)越多空間和功耗均有限，但又需要更高性能和靈活性的應(yīng)用。

審核編輯 黃宇