Bagi pereka bentuk peranti kekangan kuasa dan kekangan ruang seperti alatan kuasa, produk kebersihan diri, mainan, peralatan dan kawalan pencahayaan, unit mikropengawal (MCU) 8-bit secara tradisinya sudah memadai. Walau bagaimanapun, apabila aplikasi berkembang, mereka memerlukan kelajuan yang lebih tinggi, pilihan persisian yang lebih berkuasa dan alat pembangunan perisian yang lebih mantap. Berhijrah kepada alternatif 16-bit atau 32-bit boleh membantu, tetapi selalunya dengan kos saiz pakej yang lebih besar dan lebih kuasa.
Untuk menangani isu ini, pereka bentuk boleh memanfaatkan MCU berdasarkan seni bina 8051 yang membawa banyak faedah pemproses 16-bit dan 32-bit kepada domain 8-bit. Mereka berbuat demikian dalam bungkusan sekecil 2 x 2 milimeter (mm) sambil menawarkan persekitaran pembangunan moden.
Artikel ini menerangkan secara ringkas seni bina 8051 dan kesesuaiannya untuk aplikasi terhad sumber. Ia kemudiannya memperkenalkan keluarga MCU berasaskan 8051 daripada Silicon Labs, menerangkan subsistem utama dan menunjukkan cara setiap satu menangani cabaran reka bentuk kritikal. Artikel diakhiri dengan membincangkan sokongan perkakasan dan perisian.
Mengapa menggunakan seni bina 8051?
Apabila memilih MCU untuk aplikasi yang sangat terhad ruang, pemproses 8-bit seperti 8051 yang mantap menawarkan banyak kelebihan, termasuk jejak yang kecil, penggunaan kuasa yang rendah dan reka bentuk yang ringkas. Walau bagaimanapun, banyak pemproses 8051 mempunyai peranti yang agak mudah, mengehadkan kesesuaiannya untuk kes penggunaan tertentu. Contohnya, penukar analog-ke-digital (ADC) resolusi rendah tidak mencukupi untuk aplikasi berketepatan tinggi seperti peranti perubatan.
Jam yang agak perlahan juga boleh menjadi isu. MCU 8051 biasa beroperasi pada frekuensi jam 8 megahertz (MHz) hingga 32 MHz, dan reka bentuk lama memerlukan berbilang kitaran jam untuk memproses arahan. Kelajuan rendah ini boleh mengehadkan keupayaan MCU 8-bit untuk menyokong operasi masa nyata seperti kawalan motor yang tepat.
Selain itu, persekitaran pembangunan perisian tradisional untuk pemproses 8051 tidak sejajar dengan jangkaan pembangun perisian moden. Apabila digabungkan dengan batasan sedia ada seni bina 8-bit, ini boleh membawa kepada proses pengekodan yang perlahan dan mengecewakan.
Had pemproses 8-bit tradisional boleh menyebabkan pembangun mempertimbangkan untuk berhijrah ke MCU 16-bit atau 32-bit. Walaupun MCU ini menawarkan kuasa pengkomputeran yang mencukupi, persisian berprestasi tinggi dan persekitaran perisian moden, ia juga agak besar. Ini menjadikannya lebih mencabar untuk mengintegrasikannya ke dalam reka bentuk terhad ruang, yang mungkin melambatkan pembangunan atau meningkatkan saiz reka bentuk.
Peningkatan saiz kod dan penggunaan kuasa yang dikaitkan dengan MCU 16-bit dan 32-bit juga boleh membawa kepada reka bentuk suboptimum. Kelemahan ini amat bermasalah untuk banyak aplikasi yang tidak melibatkan matematik yang kompleks dan dengan itu tidak mendapat manfaat daripada keupayaan lanjutan pemproses ini.
Keseimbangan ideal bagi pertukaran ini mungkin tidak dapat dilihat pada permulaan projek, dan menukar pemproses reka bentuk pertengahan boleh melambatkan pembangunan atau menjejaskan saiz atau fungsi produk. Oleh itu, banyak reka bentuk yang terhad ruang boleh mendapat manfaat daripada MCU berasaskan 8051 yang lebih berkebolehan yang membawa banyak kelebihan pemproses 16-bit dan 32-bit kepada domain berkuasa rendah, padat, 8-bit.
EFM8BB50 membawa fungsi yang lebih besar kepada 8 bit MCU
Silicon Labs membina EFM8BB50 keluarga MCU 8-bit dengan pertimbangan ini (Rajah 1). MCU ini menawarkan prestasi yang dipertingkatkan, persisian lanjutan dan persekitaran pembangunan perisian moden.
Nadi MCU ialah teras CIP-51 8051, pelaksanaan Silicon Labs bagi seni bina 8051 yang dioptimumkan untuk meningkatkan prestasi, mengurangkan penggunaan kuasa dan kefungsian yang dipertingkatkan. Prestasinya amat menarik perhatian. Dalam EFM8BB50, teras mencapai kelajuan sehingga 50 MHz, dan 70% daripada arahan dilaksanakan dalam satu atau dua kitaran jam. Ini memberikan MCU prestasi yang jauh lebih tinggi daripada pemproses 8-bit tradisional, memberikan ruang utama kepada pembangun untuk aplikasi yang lebih kompleks.
MCU juga terkenal kerana dimensinya yang kecil. Varian 16-pin keluarga, seperti EFM8BB50F16G-A-QFN16, tersedia dalam pakej sekecil 2.5 mm x 2.5 mm. Versi 12-pin seperti EFM8BB50F16G-A-QFN12 adalah lebih kecil, dengan saiz pakej sehingga 2 mm x 2 mm.
Walaupun dimensinya yang kecil, EFM8BB50 MCU padat dengan pelbagai ciri yang mengagumkan, termasuk:
- ADC 12-bit, yang penting untuk aplikasi yang memerlukan data sensor yang tepat
- Sensor suhu bersepadu yang membolehkan MCU memantau suhu dalamannya atau suhu ambien tanpa memerlukan komponen luaran
- Tatasusunan pembilang boleh atur cara (PCA) tiga saluran dengan modulasi lebar nadi (PWM) yang boleh menjana isyarat PWM untuk kawalan keluaran berubah-ubah dalam aplikasi seperti kawalan motor dan pemalapan LED
- Enjin PWM tiga saluran dengan sisipan masa mati (DTI) untuk kawalan tambahan bagi elektronik kuasa, seperti pemacu motor atau penukar kuasa
Input/output (I/O) lain termasuk pelbagai antara muka komunikasi bersiri, set pemasa 8-bit dan 16-bit, dan empat unit logik boleh dikonfigurasikan. Semua pin dalam keluarga MCU berkeupayaan 5-volt, dan I/O digital boleh ditugaskan secara fleksibel untuk memanfaatkan sepenuhnya kiraan pin terhad.
Pengurusan kuasa lanjutan
EFM8BB50 menggabungkan beberapa ciri pengurusan tenaga untuk mengoptimumkan penggunaan kuasa dan memanjangkan hayat bateri. Ini bermula dengan berbilang mod kuasa, termasuk Mod Melahu yang merendahkan kelajuan jam teras sambil memastikan peranti aktif. Mod Henti pergi lebih jauh dengan menghentikan teras dan kebanyakan peranti sambil mengekalkan RAM dan mendaftarkan kandungan. Sesetengah peranti boleh ditetapkan untuk membangunkan teras daripada Mod Henti, yang memanfaatkan aplikasi dipacu peristiwa yang kebanyakannya kekal dalam keadaan kuasa rendah.
Pilihan jam yang fleksibel membantu penjimatan kuasa. Pengayun dalaman ketepatan menghapuskan keperluan untuk pengayun kristal luaran dalam banyak senario, mengurangkan penggunaan kuasa keseluruhan. MCU juga menyokong pengadang jam, yang secara selektif melumpuhkan jam ke pelbagai peranti, membolehkan pembangun mematikan peranti yang tidak digunakan.
Peranti juga direka bentuk dengan mengambil kira kecekapan kuasa. Paling ketara, Unit Logik Boleh Dikonfigurasikan (CLU) boleh melaksanakan fungsi logik mudah secara bebas, mengurangkan keperluan untuk teras bangun daripada mod kuasa rendah untuk tugasan mudah. Selain itu, UART Tenaga Rendah (LEUART) boleh beroperasi dalam mod kuasa di mana pengayun utama dinyahdayakan, membolehkan komunikasi bersiri dalam keadaan kuasa rendah.
Menyokong pembangunan perisian intuitif
Pembangun boleh membina perisian untuk keluarga EFM8BB50 dalam Silicon Labs' Simplicity Studio Suite. Persekitaran ini digunakan untuk EFM8BB8 50-bit, MCU 32-bit syarikat, dan sistem wayarles pada cip (SoC). Hasilnya, pembangun mendapat persekitaran moden dengan ciri yang mereka harapkan untuk pemproses yang lebih berkuasa. Sebagai contoh, ia menawarkan pemprofil tenaga yang menyediakan pemprofilan kuasa kod dalam masa nyata (Rajah 2).
Alat ini dibina di sekitar persekitaran pembangunan bersepadu (IDE) dengan editor kod standard industri, penyusun, penyahpepijat dan enjin antara muka pengguna (UI) untuk membangunkan antara muka yang moden dan responsif. Persekitaran pembangunan ini menyediakan akses kepada sumber web dan SDK khusus peranti serta alat konfigurasi perisian dan perkakasan khusus.
Simplicity Studio juga menyokong Silicon Labs Secure Vault. Suite keselamatan yang sangat maju dengan Pensijilan PSA Tahap 3, Bilik Kebal Secure membolehkan pereka bentuk mengeraskan peranti Internet Perkara (IoT) dan melindungi permukaan serangan mereka daripada peningkatan ancaman siber sambil selaras dengan peraturan keselamatan siber yang sedang berkembang.
Bermula dengan pantas dengan kit penilaian
Pembangun yang berminat untuk bereksperimen dengan EFM8BB50 boleh mempertimbangkan Kit Penjelajah BB50-EK2702A yang ditunjukkan dalam Rajah 3. Kit faktor bentuk kecil ini diselaraskan dengan dimensi papan roti untuk mudah melekat pada sistem prototaip dan perkakasan makmal. Ia mempunyai antara muka USB, penyahpepijat SEGGER J-Link on-board, LED dan butang untuk interaksi pengguna. Kit ini disokong sepenuhnya oleh Simplicity Studio Suite, dan ia boleh digunakan dengan utiliti Energy Profiler. Contoh perisian disediakan untuk setiap peranti, dan demo menggunakan LED, butang dan UART.
Kit ini termasuk soket mikroBUS dan penyambung Qwiic. Sokongan tambahan perkakasan ini membolehkan pembangun membuat dan membuat prototaip aplikasi dengan cepat menggunakan papan luar daripada pelbagai vendor.
Pembangun yang berminat dengan titik permulaan yang lebih komprehensif boleh menggunakan Kit Pro BB50-PK5208A yang ditunjukkan dalam Rajah 4. Direka bentuk untuk penilaian dan ujian yang mendalam, kit ini mengandungi penderia dan persisian yang menunjukkan banyak keupayaan MCU.
Kit Pro termasuk sambungan USB, memori 128 x 128 piksel kuasa ultra-rendah LCD, kayu bedik analog lapan arah, LED dan butang tekan pengguna. Ia juga menampilkan penderia kelembapan dan suhu relatif Silicon Labs' Si7021 dan pelbagai sumber kuasa, termasuk USB dan bateri sel syiling.
Untuk pengembangan, papan menawarkan pengepala 20-pin, 2.54 mm. Ia juga menyediakan pad pelarian untuk akses terus kepada pin I/O. Seperti Kit Explorer, Kit Pro menyokong Energy Profiler dan dihantar dengan contoh perisian untuk setiap peranti.
Pilihan penyahpepijat EFM8BB50
Silicon Labs menawarkan berbilang penyahpepijat untuk menyokong MCUnya. Untuk penyahpepijatan tujuan umum, syarikat itu menawarkan DEBUGADPTR1-USB, penyesuai nyahpepijat USB 8-bit dengan penyambung 10-pin mudah.
Lebih banyak keupayaan khusus boleh didapati daripada Penyahpepijat Pautan Simplicity SI-DBG1015A. Ini bersambung kepada Antara Muka Kesederhanaan Mini yang disertakan pada kedua-dua kit yang dinyatakan di atas. Sebagai tambahan kepada fungsi asasnya, Simplicity Link menawarkan keupayaan tambahan, termasuk penyahpepijat SEGGER J-Link, antara muka jejak paket, port COM Maya dan pad pelarian untuk memudahkan pemeriksaan isyarat individu.
Kesimpulan
MCU 8051 moden seperti EFM8BB50 membawa ciri yang biasanya dikaitkan dengan peranti 16-bit dan 32-bit ke domain 8-bit. Dengan kelajuan jam yang pantas, persisian berprestasi tinggi dan persekitaran pembangunan perisian yang mantap, keluarga MCU ini memberikan pembangun gabungan keupayaan yang tepat untuk peningkatan bilangan aplikasi yang ruang dan kuasa terhad tetapi prestasi dan fleksibiliti yang lebih tinggi diperlukan.