بالنسبة لمصممي الأجهزة ذات الطاقة المحدودة والمساحة المحدودة مثل أدوات الطاقة ومنتجات النظافة الشخصية والألعاب والأجهزة وأدوات التحكم في الإضاءة، فإن وحدة التحكم الدقيقة 8 بت (MCU) تكفي تقليديًا. ومع ذلك، مع تطور التطبيقات، فإنها تتطلب سرعة أعلى، وخيارات طرفية أكثر قوة، وأدوات أكثر قوة لتطوير البرامج. يمكن أن يساعد الترحيل إلى بديل 16 بت أو 32 بت، ولكن غالبًا ما يكون ذلك على حساب حجم حزمة أكبر ومزيد من الطاقة.
لمعالجة هذه المشكلات، يمكن للمصممين الاستفادة من وحدات MCU المستندة إلى بنية 8051 التي توفر العديد من فوائد معالجات 16 بت و32 بت إلى مجال 8 بت. يفعلون ذلك في عبوة صغيرة بحجم 2 × 2 ملم مع توفير بيئة تطوير حديثة.
توضح هذه المقالة بإيجاز بنية 8051 ومدى ملاءمتها للتطبيقات ذات الموارد المحدودة. ثم يقدم عائلة مكونة من وحدات MCU المستندة إلى 8051 من Silicon Labs، ويصف الأنظمة الفرعية الرئيسية، ويوضح كيف يعالج كل منها تحديات التصميم الهامة. وتختتم المقالة بمناقشة دعم الأجهزة والبرامج.
لماذا استخدام بنية 8051؟
عند اختيار وحدة MCU لتطبيق محدود المساحة للغاية، توفر معالجات 8 بت مثل 8051 الراسخة العديد من المزايا، بما في ذلك مساحة صغيرة، واستهلاك منخفض للطاقة، وتصميم بسيط. ومع ذلك، تحتوي العديد من معالجات 8051 على أجهزة طرفية بسيطة نسبيًا، مما يحد من ملاءمتها لحالات استخدام محددة. على سبيل المثال، المحولات التناظرية إلى الرقمية منخفضة الدقة (ADCs) غير كافية للتطبيقات عالية الدقة مثل الأجهزة الطبية.
يمكن أن تكون الساعات البطيئة نسبيًا مشكلة أيضًا. تعمل وحدة 8051 MCU النموذجية بترددات الساعة من 8 ميجا هرتز إلى 32 ميجا هرتز، وتتطلب التصميمات القديمة دورات متعددة على مدار الساعة لمعالجة التعليمات. يمكن أن تحد هذه السرعة المنخفضة من قدرة وحدات MCU ذات 8 بت على دعم العمليات في الوقت الفعلي مثل التحكم الدقيق في المحرك.
كما أن بيئات تطوير البرامج التقليدية لمعالجات 8051 غير متوافقة مع توقعات مطوري البرامج الحديثة. عند دمجها مع القيود المتأصلة في بنية 8 بت، يمكن أن يؤدي ذلك إلى عملية ترميز بطيئة ومحبطة.
قد تؤدي القيود المفروضة على المعالجات التقليدية 8 بت إلى قيام المطورين بالتفكير في الانتقال إلى وحدات MCU ذات 16 بت أو 32 بت. في حين أن وحدات MCU هذه توفر قوة حاسوبية كبيرة، وأجهزة طرفية عالية الأداء، وبيئات برمجية حديثة، إلا أنها أيضًا كبيرة نسبيًا. وهذا يزيد من صعوبة دمجها في التصاميم ذات المساحة المحدودة، مما قد يؤخر التطوير أو يزيد حجم التصميم.
يمكن أن يؤدي زيادة حجم الكود واستهلاك الطاقة المرتبط بوحدات MCU 16 بت و32 بت أيضًا إلى تصميمات دون المستوى الأمثل. تمثل هذه العيوب مشكلة خاصة بالنسبة للعديد من التطبيقات التي لا تتضمن رياضيات معقدة وبالتالي لا تستفيد من القدرات المتقدمة لهذه المعالجات.
قد لا يكون التوازن المثالي لهذه المقايضات واضحًا في بداية المشروع، ويمكن أن يؤدي تبديل المعالجات في منتصف التصميم إلى تأخير التطوير أو المساس بحجم المنتج أو وظائفه. وبالتالي، يمكن أن تستفيد العديد من التصميمات ذات المساحة المحدودة من وحدة MCU الأكثر قدرة المستندة إلى 8051 والتي توفر العديد من مزايا معالجات 16 بت و32 بت إلى مجال 8 بت منخفض الطاقة وصغير الحجم.
يوفر EFM8BB50 وظائف أكبر لوحدات MCU 8 بت
قامت شركة Silicon Labs ببناء EFM8BB50 عائلة مكونة من وحدات MCU ذات 8 بتات مع أخذ هذه الاعتبارات في الاعتبار (الشكل 1). توفر وحدات MCU هذه أداءً محسنًا وأجهزة طرفية متقدمة وبيئة تطوير برمجيات حديثة.
قلب وحدة MCU هو نواة CIP-51 8051، وهو تطبيق Silicon Labs لبنية 8051 المُحسّنة لزيادة الأداء وتقليل استهلاك الطاقة وتحسين الوظائف. الأداء جدير بالملاحظة بشكل خاص. في EFM8BB50، يحقق المركز سرعات تصل إلى 50 ميجا هرتز، ويتم تنفيذ 70% من التعليمات في دورة واحدة أو دورتين على مدار الساعة. وهذا يمنح وحدات MCU أداءً أعلى بكثير من معالجات 8 بت التقليدية، مما يوفر للمطورين مجالًا لتطبيقات أكثر تعقيدًا.
تتميز وحدات MCU أيضًا بأبعادها الضئيلة. تتوفر متغيرات العائلة ذات 16 سنًا، مثل EFM8BB50F16G-A-QFN16، في عبوات صغيرة بحجم 2.5 مم × 2.5 مم. الإصدارات ذات 12 سنًا مثل EFM8BB50F16G-A-QFN12 بل إنها أصغر حجمًا، حيث تصل أحجام العبوات إلى 2 مم × 2 مم.
على الرغم من أبعادها الصغيرة، فإن وحدات MCU EFM8BB50 مليئة بمجموعة رائعة من الميزات، بما في ذلك:
- ADC 12 بت، وهو ضروري للتطبيقات التي تتطلب بيانات استشعار دقيقة
- مستشعر درجة حرارة متكامل يمكّن وحدة MCU من مراقبة درجة حرارتها الداخلية أو درجة الحرارة المحيطة دون الحاجة إلى مكونات خارجية
- صفيف عداد قابل للبرمجة ثلاثي القنوات (PCA) مع تعديل عرض النبض (PWM) يمكنه توليد إشارات PWM للتحكم في الإخراج المتغير في تطبيقات مثل التحكم في المحرك وتعتيم LED
- محرك PWM ثلاثي القنوات مع إدخال في الوقت الميت (DTI) لمزيد من التحكم في إلكترونيات الطاقة، مثل محركات السيارات أو محولات الطاقة
تتضمن الإدخال/الإخراج الأخرى (I/O) مجموعة متنوعة من واجهات الاتصالات التسلسلية، ومجموعة من أجهزة ضبط الوقت 8 بت و16 بت، وأربع وحدات منطقية قابلة للتكوين. جميع المنافذ في عائلة MCU قادرة على 5 فولت، ويمكن تعيين الإدخال/الإخراج الرقمي بمرونة لتحقيق أقصى استفادة من عدد الدبابيس المحدود.
إدارة الطاقة المتقدمة
يتضمن EFM8BB50 العديد من ميزات إدارة الطاقة لتحسين استهلاك الطاقة وإطالة عمر البطارية. يبدأ ذلك بأوضاع طاقة متعددة، بما في ذلك وضع الخمول الذي يخفض سرعة الساعة الأساسية مع الحفاظ على الأجهزة الطرفية نشطة. يذهب وضع الإيقاف إلى أبعد من ذلك عن طريق إيقاف النواة ومعظم الأجهزة الطرفية مع الحفاظ على ذاكرة الوصول العشوائي وتسجيل المحتويات. يمكن ضبط بعض الأجهزة الطرفية لتنشيط المركز من وضع الإيقاف، مما يفيد التطبيقات القائمة على الأحداث والتي تظل في الغالب في حالة طاقة منخفضة.
تساعد خيارات تسجيل الوقت المرنة في الحفاظ على الطاقة. يلغي المذبذب الداخلي الدقيق الحاجة إلى مذبذبات كريستالية خارجية في العديد من السيناريوهات، مما يقلل من استهلاك الطاقة الإجمالي. تدعم وحدة MCU أيضًا بوابة الساعة، والتي تعمل على تعطيل الساعات بشكل انتقائي لمختلف الأجهزة الطرفية، مما يسمح للمطورين بإيقاف تشغيل الأجهزة غير المستخدمة.
تم تصميم الأجهزة الطرفية أيضًا مع وضع كفاءة الطاقة في الاعتبار. وعلى وجه الخصوص، يمكن للوحدة المنطقية القابلة للتكوين (CLU) أداء وظائف منطقية بسيطة بشكل مستقل، مما يقلل الحاجة إلى تنشيط النواة من أوضاع الطاقة المنخفضة للقيام بمهام بسيطة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يعمل UART منخفض الطاقة (LEUART) في أوضاع الطاقة حيث يتم تعطيل المذبذب الأساسي، مما يسمح بالاتصال التسلسلي في حالات الطاقة المنخفضة.
دعم تطوير البرمجيات بديهية
يمكن للمطورين إنشاء برامج لعائلة EFM8BB50 في Simplicity Studio Suite من Silicon Labs. يتم استخدام هذه البيئة لـ 8 بت EFM8BB50، ووحدات MCU 32 بت للشركة، وأنظمتها اللاسلكية على الرقاقة (SoCs). ونتيجة لذلك، يحصل المطورون على بيئة حديثة تتمتع بالميزات التي يتوقعونها من معالجات أكثر قوة. على سبيل المثال، فهو يوفر ملف تعريف الطاقة الذي يوفر ملفات تعريف الطاقة للكود في الوقت الفعلي (الشكل 2).
تم تصميم الأدوات حول بيئة تطوير متكاملة (IDE) مع برامج تحرير الأكواد البرمجية المتوافقة مع معايير الصناعة، والمجمعين، ومصححي الأخطاء، ومحرك واجهة المستخدم (UI) لتطوير واجهات حديثة وسريعة الاستجابة. توفر بيئة التطوير هذه إمكانية الوصول إلى موارد الويب وSDK الخاصة بالجهاز، بالإضافة إلى البرامج المتخصصة وأدوات تكوين الأجهزة.
يدعم Simplicity Studio أيضًا Silicon Labs Secure Vault. مجموعة أمان متقدمة للغاية حاصلة على شهادة PSA المستوى 3، تتيح Secure Vault للمصممين تقوية أجهزة إنترنت الأشياء (IoT) وحماية سطح الهجوم الخاص بهم من التهديدات السيبرانية المتصاعدة مع التوافق مع لوائح الأمن السيبراني المتطورة.
البدء بسرعة باستخدام مجموعات التقييم
يمكن للمطورين المهتمين بتجربة EFM8BB50 التفكير في مجموعة Explorer BB50-EK2702A الموضحة في الشكل 3. تتماشى مجموعة عامل الشكل الصغير هذه مع أبعاد لوحة التجارب لسهولة ربطها بأنظمة النماذج الأولية وأجهزة المختبر. يتميز بواجهة USB ومصحح أخطاء SEGGER J-Link على اللوحة ومصباح LED وزر لتفاعل المستخدم. المجموعة مدعومة بالكامل بواسطة Simplicity Studio Suite، ويمكن استخدامها مع الأداة المساعدة Energy Profiler. يتم توفير أمثلة البرامج لكل جهاز طرفي، وتشتمل العروض التوضيحية على مؤشر LED والزر وUART.
تشتمل المجموعة على مقبس mikroBUS وموصل Qwiic. يسمح دعم الوظائف الإضافية للأجهزة للمطورين بإنشاء نماذج أولية للتطبيقات بسرعة باستخدام اللوحات الجاهزة من مختلف البائعين.
يمكن للمطورين المهتمين بنقطة بداية أكثر شمولاً استخدام مجموعة BB50-PK5208A Pro Kit الموضحة في الشكل 4. تحتوي هذه المجموعة المصممة للتقييم والاختبار المتعمق، على أجهزة استشعار وأجهزة طرفية توضح العديد من قدرات MCU.
تشتمل مجموعة Pro Kit على اتصال USB وذاكرة منخفضة الطاقة تبلغ 128 × 128 بكسل شاشات الكريستال السائلوعصا تحكم تناظرية بثمانية اتجاهات ومصباح LED وزر ضغط للمستخدم. كما يتميز أيضًا بمستشعر Si7021 للرطوبة النسبية ودرجة الحرارة من Silicon Labs ومصادر طاقة متعددة، بما في ذلك USB وبطارية خلية معدنية.
للتوسيع، توفر اللوحة رأسًا مكونًا من 20 سنًا مقاس 2.54 مم. كما يوفر أيضًا منصات فرعية للوصول المباشر إلى دبابيس الإدخال/الإخراج. كما هو الحال مع Explorer Kit، تدعم Pro Kit ملف تعريف الطاقة وتأتي مع أمثلة برمجية لكل جهاز طرفي.
خيارات مصحح الأخطاء EFM8BB50
تقدم Silicon Labs مصححات أخطاء متعددة لدعم وحدات MCU الخاصة بها. ولتصحيح الأخطاء للأغراض العامة، تقدم الشركة DEBUGADPTR1-USB، وهو محول تصحيح أخطاء USB 8 بت مع موصل بسيط ذو 10 سنون.
تتوفر المزيد من الإمكانات المتخصصة من SI-DBG1015A Simplicity Link Debugger. يتصل هذا بواجهة Mini Simplicity Interface المضمنة في كلا المجموعتين المذكورتين أعلاه. بالإضافة إلى وظائفه الأساسية، يوفر Simplicity Link إمكانات إضافية، بما في ذلك مصحح أخطاء SEGGER J-Link، وواجهة تتبع الحزمة، ومنفذ Virtual COM، ومنصات فرعية لتسهيل فحص الإشارات الفردية.
وفي الختام
توفر وحدات MCU 8051 الحديثة مثل EFM8BB50 ميزات مرتبطة عادةً بأجهزة 16 بت و32 بت إلى مجال 8 بت. بفضل سرعات الساعة السريعة والأجهزة الطرفية عالية الأداء وبيئة تطوير البرامج القوية، تمنح عائلة MCU هذه للمطورين المزيج الصحيح من الإمكانات لعدد متزايد من التطبيقات حيث تكون المساحة والطاقة محدودة ولكن يتطلب أداء ومرونة أكبر.