Untuk perancang perangkat dengan daya terbatas dan ruang terbatas seperti perkakas listrik, produk kebersihan pribadi, mainan, peralatan, dan kontrol pencahayaan, unit mikrokontroler (MCU) 8-bit secara tradisional sudah cukup. Namun, seiring berkembangnya aplikasi, aplikasi memerlukan kecepatan yang lebih tinggi, opsi periferal yang lebih canggih, dan alat pengembangan perangkat lunak yang lebih tangguh. Bermigrasi ke alternatif 16-bit atau 32-bit dapat membantu, namun sering kali harus mengorbankan ukuran paket yang lebih besar dan daya yang lebih besar.
Untuk mengatasi masalah ini, desainer dapat memanfaatkan MCU berdasarkan arsitektur 8051 yang menghadirkan banyak keunggulan prosesor 16-bit dan 32-bit ke domain 8-bit. Mereka melakukannya dalam paket sekecil 2 x 2 milimeter (mm) sambil menawarkan lingkungan pengembangan modern.
Artikel ini menjelaskan secara singkat arsitektur 8051 dan kesesuaiannya untuk aplikasi dengan sumber daya terbatas. Kemudian memperkenalkan rangkaian MCU berbasis 8051 dari Silicon Labs, menjelaskan subsistem utama, dan menunjukkan bagaimana masing-masing MCU mengatasi tantangan desain yang penting. Artikel ini diakhiri dengan membahas dukungan perangkat keras dan perangkat lunak.
Mengapa menggunakan arsitektur 8051?
Saat memilih MCU untuk aplikasi yang sangat terbatas ruangnya, prosesor 8-bit seperti 8051 yang sudah mapan menawarkan banyak keuntungan, termasuk ukuran yang kecil, konsumsi daya yang rendah, dan desain yang sederhana. Namun, banyak prosesor 8051 memiliki periferal yang relatif sederhana, sehingga membatasi kesesuaiannya untuk kasus penggunaan tertentu. Misalnya, konverter analog-ke-digital (ADC) resolusi rendah tidak cukup untuk aplikasi presisi tinggi seperti perangkat medis.
Jam yang relatif lambat juga bisa menjadi masalah. MCU 8051 tipikal beroperasi pada frekuensi clock 8 megahertz (MHz) hingga 32 MHz, dan desain lama memerlukan beberapa siklus clock untuk memproses instruksi. Kecepatan rendah ini dapat membatasi kemampuan MCU 8-bit untuk mendukung operasi real-time seperti kontrol motor yang presisi.
Selain itu, lingkungan pengembangan perangkat lunak tradisional untuk prosesor 8051 tidak selaras dengan ekspektasi pengembang perangkat lunak modern. Jika digabungkan dengan keterbatasan yang melekat pada arsitektur 8-bit, hal ini dapat menyebabkan proses pengkodean yang lambat dan membuat frustrasi.
Keterbatasan prosesor 8-bit tradisional dapat menyebabkan pengembang mempertimbangkan untuk bermigrasi ke MCU 16-bit atau 32-bit. Meskipun MCU ini menawarkan daya komputasi yang besar, periferal berperforma tinggi, dan lingkungan perangkat lunak modern, namun ukurannya juga relatif besar. Hal ini menjadikannya lebih sulit untuk mengintegrasikannya ke dalam desain dengan ruang terbatas, yang dapat menunda pengembangan atau menambah ukuran desain.
Peningkatan ukuran kode dan konsumsi daya yang terkait dengan MCU 16-bit dan 32-bit juga dapat menyebabkan desain yang kurang optimal. Kelemahan ini khususnya menjadi masalah bagi banyak aplikasi yang tidak melibatkan matematika rumit sehingga tidak memanfaatkan kemampuan canggih prosesor ini.
Keseimbangan ideal dari pengorbanan ini mungkin tidak terlihat pada awal proyek, dan peralihan prosesor di tengah desain dapat menunda pengembangan atau membahayakan ukuran atau fungsionalitas produk. Dengan demikian, banyak desain dengan ruang terbatas dapat memanfaatkan MCU berbasis 8051 yang lebih mumpuni yang menghadirkan banyak keunggulan prosesor 16-bit dan 32-bit ke domain 8-bit yang berdaya rendah dan ringkas.
EFM8BB50 menghadirkan fungsionalitas lebih besar ke MCU 8 bit
Silicon Labs membangun EFM8BB50 keluarga MCU 8-bit dengan pertimbangan ini (Gambar 1). MCU ini menawarkan peningkatan kinerja, periferal canggih, dan lingkungan pengembangan perangkat lunak modern.
Inti dari MCU adalah inti CIP-51 8051, implementasi arsitektur 8051 dari Silicon Labs yang dioptimalkan untuk peningkatan kinerja, pengurangan konsumsi daya, dan peningkatan fungsionalitas. Kinerjanya patut mendapat perhatian khusus. Di EFM8BB50, inti mencapai kecepatan hingga 50 MHz, dan 70% instruksi dieksekusi dalam satu atau dua siklus clock. Hal ini memberikan kinerja MCU jauh lebih tinggi dibandingkan prosesor 8-bit tradisional, memberikan ruang bagi pengembang untuk aplikasi yang lebih kompleks.
MCU juga terkenal karena dimensinya yang kecil. Varian keluarga 16-pin, seperti EFM8BB50F16G-A-QFN16, tersedia dalam paket sekecil 2.5 mm x 2.5 mm. Versi 12-pin seperti EFM8BB50F16G-A-QFN12 bahkan lebih kecil lagi, dengan ukuran paket diperkecil menjadi 2 mm x 2 mm.
Meskipun dimensinya kecil, MCU EFM8BB50 dikemas dengan serangkaian fitur yang mengesankan, termasuk:
- ADC 12-bit, yang penting untuk aplikasi yang memerlukan data sensor akurat
- Sensor suhu terintegrasi yang memungkinkan MCU memantau suhu internal atau suhu lingkungan tanpa memerlukan komponen eksternal
- Array penghitung yang dapat diprogram (PCA) tiga saluran dengan modulasi lebar pulsa (PWM) yang dapat menghasilkan sinyal PWM untuk kontrol output variabel dalam aplikasi seperti kontrol motor dan peredupan LED
- Mesin PWM tiga saluran dengan penyisipan waktu mati (DTI) untuk kontrol tambahan pada elektronika daya, seperti driver motor atau konverter daya
Input/output (I/O) lainnya mencakup berbagai antarmuka komunikasi serial, satu set pengatur waktu 8-bit dan 16-bit, dan empat unit logika yang dapat dikonfigurasi. Semua pin dalam keluarga MCU berkemampuan 5 volt, dan I/O digital dapat ditetapkan secara fleksibel untuk memaksimalkan jumlah pin yang terbatas.
Manajemen daya tingkat lanjut
EFM8BB50 menggabungkan beberapa fitur manajemen energi untuk mengoptimalkan konsumsi daya dan memperpanjang masa pakai baterai. Ini dimulai dengan beberapa mode daya, termasuk Mode Idle yang menurunkan kecepatan jam inti sambil menjaga periferal tetap aktif. Mode Stop melangkah lebih jauh dengan menghentikan inti dan sebagian besar periferal sambil menjaga RAM dan mendaftarkan konten. Beberapa periferal dapat diatur untuk membangunkan inti dari Mode Berhenti, sehingga menguntungkan aplikasi berbasis peristiwa yang sebagian besar tetap berada dalam kondisi daya rendah.
Opsi pencatatan jam kerja yang fleksibel semakin membantu penghematan daya. Osilator internal yang presisi menghilangkan kebutuhan akan osilator kristal eksternal dalam banyak skenario, sehingga mengurangi konsumsi daya secara keseluruhan. MCU juga mendukung clock gating, yang secara selektif menonaktifkan jam di berbagai periferal, memungkinkan pengembang untuk mematikan jam yang tidak digunakan.
Periferal juga dirancang dengan mempertimbangkan efisiensi daya. Yang paling penting, Configurable Logic Unit (CLU) dapat menjalankan fungsi logika sederhana secara independen, sehingga mengurangi kebutuhan inti untuk aktif dari mode daya rendah untuk tugas-tugas sederhana. Selain itu, UART Energi Rendah (LEUART) dapat beroperasi dalam mode daya di mana osilator utama dinonaktifkan, sehingga memungkinkan komunikasi serial dalam kondisi daya rendah.
Mendukung pengembangan perangkat lunak yang intuitif
Pengembang dapat membuat perangkat lunak untuk keluarga EFM8BB50 di Simplicity Studio Suite Silicon Labs. Lingkungan ini digunakan untuk EFM8BB8 50-bit, MCU 32-bit perusahaan, dan sistem nirkabel pada chip (SoCs). Hasilnya, pengembang mendapatkan lingkungan modern dengan fitur yang mereka harapkan untuk prosesor yang lebih bertenaga. Misalnya, ia menawarkan profiler energi yang menyediakan pembuatan profil daya kode secara real-time (Gambar 2).
Alat-alat ini dibangun di sekitar lingkungan pengembangan terintegrasi (IDE) dengan editor kode standar industri, kompiler, debugger, dan mesin antarmuka pengguna (UI) untuk mengembangkan antarmuka yang modern dan responsif. Lingkungan pengembangan ini menyediakan akses ke sumber daya web dan SDK khusus perangkat serta alat konfigurasi perangkat lunak dan perangkat keras khusus.
Simplicity Studio juga mendukung Silicon Labs Secure Vault. Rangkaian keamanan yang sangat canggih dengan Sertifikasi PSA Level 3, Secure Vault memungkinkan para perancang untuk memperkuat perangkat Internet of Things (IoT) dan melindungi permukaan serangan mereka dari meningkatnya ancaman siber sekaligus menyelaraskan dengan peraturan keamanan siber yang terus berkembang.
Memulai dengan cepat dengan perangkat evaluasi
Pengembang yang tertarik bereksperimen dengan EFM8BB50 dapat mempertimbangkan BB50-EK2702A Explorer Kit yang ditunjukkan pada Gambar 3. Kit faktor bentuk kecil ini selaras dengan dimensi papan tempat memotong roti agar mudah dipasang ke sistem prototipe dan perangkat keras laboratorium. Ini dilengkapi antarmuka USB, debugger SEGGER J-Link on-board, LED, dan tombol untuk interaksi pengguna. Kit ini didukung penuh oleh Simplicity Studio Suite, dan dapat digunakan dengan utilitas Energy Profiler. Contoh perangkat lunak disediakan untuk setiap periferal, dan demo menggunakan LED, tombol, dan UART.
Kit ini mencakup soket mikroBUS dan konektor Qwiic. Dukungan tambahan perangkat keras ini memungkinkan pengembang dengan cepat membuat dan membuat prototipe aplikasi menggunakan papan siap pakai dari berbagai vendor.
Pengembang yang tertarik dengan titik awal yang lebih komprehensif dapat menggunakan Kit Pro BB50-PK5208A yang ditunjukkan pada Gambar 4. Dirancang untuk evaluasi dan pengujian mendalam, kit ini berisi sensor dan periferal yang menunjukkan banyak kemampuan MCU.
Pro Kit dilengkapi konektivitas USB, memori ultra-rendah 128 x 128 piksel LCD, joystick analog delapan arah, LED, dan tombol tekan pengguna. Ia juga dilengkapi sensor kelembaban dan suhu relatif Si7021 dari Silicon Labs dan berbagai sumber daya, termasuk USB dan baterai sel berbentuk koin.
Untuk ekspansi, board menawarkan header 20-pin, 2.54 mm. Ini juga menyediakan breakout pad untuk akses langsung ke pin I/O. Seperti halnya Explorer Kit, Pro Kit mendukung Energy Profiler dan dilengkapi dengan contoh perangkat lunak untuk setiap periferal.
Opsi debugger EFM8BB50
Silicon Labs menawarkan banyak debugger untuk mendukung MCU-nya. Untuk debugging tujuan umum, perusahaan menawarkan DEBUGADPTR1-USB, adaptor debug USB 8-bit dengan konektor 10-pin sederhana.
Kemampuan yang lebih terspesialisasi tersedia dari SI-DBG1015A Simplicity Link Debugger. Ini terhubung ke Antarmuka Kesederhanaan Mini yang disertakan pada kedua kit yang disebutkan di atas. Selain fungsi dasarnya, Simplicity Link menawarkan kemampuan tambahan, termasuk debugger SEGGER J-Link, antarmuka pelacakan paket, port Virtual COM, dan breakout pad untuk memudahkan pemeriksaan sinyal individual.
Kesimpulan
MCU 8051 modern seperti EFM8BB50 menghadirkan fitur yang biasanya dikaitkan dengan perangkat 16-bit dan 32-bit ke domain 8-bit. Dengan kecepatan clock yang cepat, periferal berperforma tinggi, dan lingkungan pengembangan perangkat lunak yang kuat, rangkaian MCU ini memberi pengembang perpaduan kemampuan yang tepat untuk semakin banyak aplikasi yang ruang dan dayanya terbatas namun memerlukan kinerja dan fleksibilitas yang lebih besar.