小型微控制器可以適應(yīng)緊湊的空間并很好地完成所需的目的，但幾乎按照定義，它們將受I/O限制。即使是小型6引腳微處理器，其中一個(gè)解決方案是使用串行總線或移位寄存器來擴(kuò)展可用的I/O量。具有并行總線的稍大的部件可以使用外部多路復(fù)用器和鎖存器以及地址解碼和讀/寫信號。這些方法可以很容易地一次按8，16或32位的塊擴(kuò)展I/O量。

問題是這些解決方案需要更多芯片，特殊代碼塊來移位和寫入（或讀?。⑶铱赡軙?huì)引入延遲時(shí)間。雖然較小的微處理器可以比較大的部件便宜，但是當(dāng)你將分立式鎖存器，解碼器，多路復(fù)用器，解復(fù)用器，采集成本和部件所有權(quán)的所有成本加起來，加上每個(gè)器件的插入成本，成本方面它既可以是洗滌，也可以使用較大的包裝而不是較小的包裝。

本文介紹具有高I/O引腳數(shù)的16位微控制器。我們將檢查一些提供I/O數(shù)量為100或更多的部件，以及一些具有增強(qiáng)性能的特殊功能的部件。在此過程中，我們將指出只有外部部件可以解決的好處和限制。

優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)有時(shí)候，帶有外部鎖存器或邏輯的小型微處理器可以做大型部件無法做到的事情。例如，散布在印刷電路板（PCB）周圍的混合I/O信號電平可能需要特定的電平移位器，這種電平移位器在本機(jī)方式中很少支持微支撐（如LVDS）。當(dāng)開路集電極部分偏置在較高電壓電平時(shí)，電平轉(zhuǎn)換到較高電壓輸出非常容易。輸入電平可以通過電阻器被動(dòng)衰減，但在高速時(shí)，電流限制會(huì)延長上升和下降時(shí)間，因?yàn)榻Y(jié)電容成為一個(gè)更普遍的問題。這里可以更好地使用活動(dòng)緩沖區(qū)。

高I/O部件也可能導(dǎo)致路由問題。當(dāng)大量I/O散布在電路板周圍時(shí)，將并行總線和來自中央處理器的信號路由到各種鎖存器或緩沖器會(huì)導(dǎo)致一點(diǎn)一點(diǎn)的信號偏移，并且可能需要額外的布線層。這增加了PCB的成本并且還可能影響可靠性。使用如此密集布線的電路板，調(diào)試和故障排除可能是一場噩夢（圖1，左）。

圖1：可以使用外部并行鎖存器和驅(qū)動(dòng)器來擴(kuò)展I/O（左）的較小的微控制器可能需要額外的PCB層，因?yàn)樾枰芏噗E線。串行方案（右）可以解決這個(gè)問題，但會(huì)引入延遲時(shí)間。

使用高速串行總線，只有來自中心微處理器的少量信號需要以菊花鏈方式穿過PCB區(qū)域。鎖存器的所有輸出同時(shí)改變，幾乎消除了信號到信號的偏斜和抖動(dòng)。這也極大地簡化了PCB布線（圖1，右圖）。端點(diǎn)可能需要終止。

大多數(shù)大型微型計(jì)算機(jī)的最大限制是用于直接連接到功率LED和執(zhí)行器的更高驅(qū)動(dòng)信號的數(shù)量。 8位7段LED顯示器可能需要8個(gè)高電流吸收器和7或8個(gè)高電流源線，以滿足多路復(fù)用共陽極顯示器的需求。這可能是很多電流通過微型電路，因此，具有更高驅(qū)動(dòng)能力的外部鎖存器，驅(qū)動(dòng)器和多路復(fù)用器可能是更好的選擇。

盡管如此，有時(shí)候具有大量I/O的中央處理器是更好的解決方案。首先，可以通過微加電非?？焖俚卦O(shè)置上電狀態(tài)，并且通常更具確定性。觸發(fā)器和鎖存器可以在隨機(jī)狀態(tài)下上電，這在驅(qū)動(dòng)功率信號時(shí)可能是一個(gè)問題，尤其是正交和H橋，如果突然處于錯(cuò)誤狀態(tài)，則可能導(dǎo)致過大的電流。

另一個(gè)好處是更嚴(yán)格地控制I/O狀態(tài)。高值電阻上拉（或下拉）可以消耗非常小的電流，尤其是當(dāng)微型I/O線處于三態(tài)模式時(shí)。對于功耗敏感的設(shè)計(jì)來說，這是理想的情況，特別是如果微型器件長時(shí)間處于休眠狀態(tài)并且I/O電平需要保持靜態(tài)。

一些例子

通常情況下，功能組合以及高而靈活的I/O計(jì)數(shù)將決定一個(gè)部件是否合適。許多芯片制造商的部件提供高引腳和I/O數(shù)，具有各種時(shí)鐘速度，存儲器資源，外設(shè)和性能。一些脫穎而出。

以144引腳LQFP中的16位80 MHz Freescale MC9S12XD256CAG為例。這款性能相對較高的處理器是該公司S12內(nèi)核的增強(qiáng)版，性能是之前25 MHz器件的五倍。

可用的119個(gè)I/O引腳（其中25個(gè)可產(chǎn)生中斷）可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)外部總線接口，用于與外部存儲器或TFT等外設(shè)的高速并行連接。相當(dāng)獨(dú)特的是該公司的內(nèi)部XGATE協(xié)處理器，它可以將閃存，EEPROM，RAM或外設(shè)數(shù)據(jù)輸出到I/O引腳和從I/O引腳輸出（圖2）。這是一個(gè)獨(dú)立的并行處理器，可以卸載主CPU并自動(dòng)提供高速數(shù)據(jù)傳輸和處理。

圖2：一旦設(shè)置完成，XGATE協(xié)處理器就可以自動(dòng)卸載核心CPU以實(shí)現(xiàn)許多I/O功能。數(shù)據(jù)可以來自或轉(zhuǎn)到外設(shè)，I/O，RAM，ROM，EEPROM等。

該器件可在5 V和3.3 V環(huán)境中運(yùn)行，并具有CAN總線接口，24個(gè)10位A/D通道，PWM，多個(gè)串行接口，片上穩(wěn)壓器，時(shí)鐘頻率發(fā)生器等功能和外設(shè)（最多256個(gè)頻率），等等。還提供了強(qiáng)大的調(diào)試和開發(fā)鉤子。

另一個(gè)有趣的16位器件是瑞薩的176引腳LFBGA封裝的H8S系列128 I/O DF2117VBG20V。如圖3所示，這些高I/O部件包含許多外設(shè)和功能。高引腳數(shù)器件專為3至3.6 V工作而設(shè)計(jì)，還具有多個(gè)串行接口，如UART，IIC，LIN和CSI，以及16個(gè)10位A/D通道。

圖3：許多I/O線為很多外圍設(shè)備和資源打包高I/O設(shè)備提供了大量機(jī)會(huì)。靈活的總線架構(gòu)可以為在高速設(shè)計(jì)中移動(dòng)數(shù)據(jù)提供更好的性能。

這些8至20 MHz器件還針對數(shù)據(jù)移動(dòng)應(yīng)用，并提供靈活的DMA和數(shù)據(jù)傳輸控制，內(nèi)置多達(dá)85個(gè)通道。這允許單個(gè)中斷啟動(dòng)并發(fā)或后臺數(shù)據(jù)傳輸操作，而其他塊正在處理，休眠或關(guān)閉。當(dāng)然，I/O可以是并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑椿蚰繕?biāo)，因此實(shí)現(xiàn)多個(gè)總線的設(shè)計(jì)可以從大量I/O和快速，高效的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制的組合中受益。

另一個(gè)值得關(guān)注的特性是，有多達(dá)40個(gè)引腳設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)或吸收LED驅(qū)動(dòng)器的大量電流。這可以為多路復(fù)用或直接驅(qū)動(dòng)的數(shù)字或字母數(shù)字LED顯示屏節(jié)省外部解碼器和驅(qū)動(dòng)芯片。

STMicroelectronics也在這個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮作用。查看具有111 I/O的32-MIPS，144引腳ST10F276Z5Q3和全24通道10位A/D轉(zhuǎn)換器。雖然只有一個(gè)5伏的部分（但核心運(yùn)行在1.8 V），該公司ST10系列的成員還包含兩個(gè)CAN總線，UART，I2C端口，捕獲/比較單元，以及廣泛的布爾和位操作功能，包括能夠按位逐位配置輸出端口引腳，用于推挽，開漏，CMOS，TTL或三態(tài)。另請注意，分區(qū)為8位，15位和16位端口以及外部總線接口設(shè)備的總線控制信號（圖4）。

圖4：端口分區(qū)和外部總線接口信號與24通道A/D輸入相結(jié)合，使ST10器件成為高I/O混合信號設(shè)計(jì)的理想選擇。雖然許多需要大量I/O的嵌入式控制設(shè)計(jì)可能也不需要繁重的數(shù)字計(jì)算器，但是一些基于算法的PID和反饋控制系統(tǒng)可以通過添加專用的固定和浮點(diǎn)硬件而受益匪淺。以60-MIPS，120-I/O，144引腳，16位Microchip DSPIC33EP256MU814-I/PL為例，它直接針對高性能電機(jī)控制（圖5）。該芯片是Microchip dsPIC33E電機(jī)控制系列數(shù)字信號控制器（DSC）的成員，具有帶集成DSP和增強(qiáng)型片上外設(shè)的dsPIC DSC內(nèi)核。

圖5：Microchip電機(jī)控制器部件可以處理過程密集型應(yīng)用，同時(shí)監(jiān)控和控制大量I/O.這些設(shè)備非常適用于洗衣機(jī)，烘干機(jī)和洗碗機(jī)等設(shè)備，這些洗衣機(jī)可能具有用戶界面，鍵盤，按鈕和顯示器以及電源控制，電機(jī)，轉(zhuǎn)速計(jì)和傳感器的高I/O.

I/O連接到專用MOSFET或IGBT驅(qū)動(dòng)器電路，片上傳感器接口可實(shí)現(xiàn)快速可靠的位置，速度，方向和功耗。此外，輸入部分具有多達(dá)32個(gè)A/D通道（10和12位），允許并行信號控制或串行通信電機(jī)控制，包括扭矩。

該部件的改進(jìn)型哈佛DSP架構(gòu)具有雙周期操作，可實(shí)現(xiàn)單周期操作，并具有高達(dá)60 MIPS的性能。其架構(gòu)針對C編碼進(jìn)行了優(yōu)化。單電源部分具有雙40位累加器，有助于PID控制環(huán)路，包括片上EEPROM和閃存。

到目前為止，我們已經(jīng)討論了低于100 MHz的器件，因?yàn)樗鼈冏畛Ｓ糜谕ㄓ迷O(shè)計(jì)。對于那些需要更高性能和更高級別外設(shè)和連接的用戶，德州儀器（TI）提供基于337針Hercules 220MHzARM?Cortex?的RM48L952ZWTT以及以太網(wǎng)和120 I/O.借助該MCU，TI的目標(biāo)是高端醫(yī)療應(yīng)用，如除顫器，輸液泵，呼吸機(jī)和機(jī)器人手術(shù)。有關(guān)TI Hercules處理器的產(chǎn)品培訓(xùn)模塊概述，請?jiān)L問Digi-Key網(wǎng)站。

下一步

本文重點(diǎn)介紹了一些示例MCU，它們具有超越簡單輸入和輸出指令的優(yōu)點(diǎn)。這些部件可以通過發(fā)揮高級功能來簡化開發(fā)時(shí)間，從而簡化從電路板布局到算法編碼的所有功能。工程師需要做一些研究才能找到具有正確混合通信，傳感器和用戶界面外圍設(shè)備的部件。