Для разработчиков устройств с ограниченным энергопотреблением и пространством, таких как электроинструменты, средства личной гигиены, игрушки, бытовая техника и средства управления освещением, традиционно достаточно 8-битного микроконтроллера (MCU). Однако по мере развития приложений им требуются более высокие скорости, более мощные периферийные устройства и более надежные инструменты разработки программного обеспечения. Переход на 16-битную или 32-битную альтернативу может помочь, но часто за счет большего размера пакета и большей мощности.
Для решения этих проблем разработчики могут воспользоваться преимуществами микроконтроллеров на базе архитектуры 8051, которые привносят многие преимущества 16-битных и 32-битных процессоров в 8-битную область. Они делают это в корпусе размером всего 2 x 2 миллиметра (мм), предлагая при этом современную среду разработки.
В этой статье кратко описывается архитектура 8051 и ее пригодность для приложений с ограниченными ресурсами. Затем он представляет семейство микроконтроллеров на базе 8051 от Silicon Labs, описывает основные подсистемы и показывает, как каждая из них решает критические проблемы проектирования. Статья завершается обсуждением аппаратной и программной поддержки.
Зачем использовать архитектуру 8051?
При выборе микроконтроллера для приложения с ограниченным пространством 8-битные процессоры, такие как хорошо зарекомендовавший себя 8051, предлагают множество преимуществ, включая небольшой размер, низкое энергопотребление и простую конструкцию. Однако многие процессоры 8051 имеют относительно простые периферийные устройства, что ограничивает их пригодность для конкретных случаев использования. Например, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) низкого разрешения недостаточны для высокоточных приложений, таких как медицинские устройства.
Относительно медленные часы также могут быть проблемой. Типичный микроконтроллер 8051 работает на тактовой частоте от 8 МГц до 32 МГц, а более старые конструкции требуют нескольких тактовых циклов для обработки инструкций. Эта низкая скорость может ограничить способность 8-битных микроконтроллеров поддерживать операции в реальном времени, такие как точное управление двигателем.
Кроме того, традиционные среды разработки программного обеспечения для процессоров 8051 не соответствуют ожиданиям современных разработчиков программного обеспечения. В сочетании с ограничениями, присущими 8-битной архитектуре, это может привести к медленному и утомительному процессу кодирования.
Ограничения традиционных 8-битных процессоров могут побудить разработчиков рассмотреть возможность перехода на 16-битные или 32-битные микроконтроллеры. Хотя эти микроконтроллеры предлагают достаточную вычислительную мощность, высокопроизводительную периферию и современную программную среду, они также относительно велики. Это усложняет их интеграцию в проекты с ограниченным пространством, что может задержать разработку или увеличить размер конструкции.
Увеличение размера кода и энергопотребления, связанное с 16-битными и 32-битными микроконтроллерами, также может привести к неоптимальным проектам. Эти недостатки особенно проблематичны для многих приложений, которые не требуют сложной математики и, следовательно, не используют расширенные возможности этих процессоров.
Идеальный баланс этих компромиссов может быть неочевиден в начале проекта, а переходные процессоры на середине проекта могут задержать разработку или поставить под угрозу размер или функциональность продукта. Таким образом, многие конструкции с ограниченным пространством могут выиграть от более мощного микроконтроллера на базе 8051, который объединяет многие преимущества 16-битных и 32-битных процессоров в маломощную, компактную 8-битную область.
EFM8BB50 расширяет функциональность 8-битных микроконтроллеров
Силиконовые лаборатории построили ЭФМ8BB50 семейство 8-битных микроконтроллеров с учетом этих соображений (рис. 1). Эти микроконтроллеры предлагают повышенную производительность, расширенные периферийные устройства и современную среду разработки программного обеспечения.
Сердцем микроконтроллера является ядро CIP-51 8051, реализация архитектуры 8051, разработанная Silicon Labs, оптимизированная для повышения производительности, снижения энергопотребления и расширения функциональности. Спектакль заслуживает особого внимания. В EFM8BB50 ядро достигает частоты до 50 МГц, а 70% инструкций выполняются за один или два такта. Это дает микроконтроллерам значительно более высокую производительность, чем у традиционных 8-битных процессоров, предоставляя разработчикам возможность для более сложных приложений.
Микроконтроллеры также отличаются своими миниатюрными размерами. 16-контактные варианты семейства, такие как EFM8BB50F16G-A-QFN16, доступны в корпусах размером всего 2.5 x 2.5 мм. 12-контактные версии, такие как EFM8BB50F16G-A-QFN12. еще меньше, с размерами упаковки до 2 мм х 2 мм.
Несмотря на свои крошечные размеры, микроконтроллеры EFM8BB50 обладают впечатляющим набором функций, в том числе:
- 12-битный АЦП, необходимый для приложений, требующих точных данных датчиков.
- Встроенный датчик температуры, который позволяет микроконтроллеру контролировать внутреннюю температуру или температуру окружающей среды без необходимости использования внешних компонентов.
- Трехканальная программируемая матрица счетчиков (PCA) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), которая может генерировать сигналы ШИМ для переменного управления выходом в таких приложениях, как управление двигателем и регулирование яркости светодиодов.
- Трехканальный ШИМ-модуль с вставкой мертвого времени (DTI) для дополнительного управления силовой электроникой, такой как драйверы двигателей или силовые преобразователи.
Другие входы/выходы (I/O) включают в себя различные интерфейсы последовательной связи, набор 8-битных и 16-битных таймеров и четыре настраиваемых логических блока. Все контакты в семействе MCU рассчитаны на напряжение 5 В, а цифровые входы/выходы можно гибко назначать, чтобы максимально эффективно использовать ограниченное количество контактов.
Расширенное управление питанием
EFM8BB50 включает в себя несколько функций управления энергопотреблением для оптимизации энергопотребления и продления срока службы батареи. Они начинаются с нескольких режимов питания, включая режим ожидания, который снижает тактовую частоту ядра, сохраняя при этом периферийные устройства активными. Режим остановки идет еще дальше, останавливая ядро и большинство периферийных устройств, сохраняя при этом ОЗУ и содержимое регистров. Некоторые периферийные устройства можно настроить на вывод ядра из режима остановки, что принесет пользу управляемым событиями приложениям, которые преимущественно остаются в состоянии с низким энергопотреблением.
Гибкие параметры синхронизации способствуют энергосбережению. Прецизионный внутренний генератор во многих случаях устраняет необходимость во внешних кварцевых генераторах, снижая общее энергопотребление. MCU также поддерживает синхронизацию синхронизации, которая выборочно отключает тактовую частоту различных периферийных устройств, позволяя разработчикам отключать те, которые не используются.
Периферийные устройства также разработаны с учетом энергоэффективности. В частности, конфигурируемый логический блок (CLU) может выполнять простые логические функции независимо, уменьшая необходимость выхода ядра из режимов пониженного энергопотребления для выполнения простых задач. Кроме того, UART с низким энергопотреблением (LEUART) может работать в режимах мощности, в которых основной генератор отключен, что позволяет осуществлять последовательную связь в состояниях с низким энергопотреблением.
Поддержка интуитивно понятной разработки программного обеспечения
Разработчики могут создавать программное обеспечение для семейства EFM8BB50 в пакете Simplicity Studio Suite от Silicon Labs. Эта среда используется для 8-битного EFM8BB50, 32-битных микроконтроллеров компании и ее беспроводных систем на кристалле (SoC). В результате разработчики получают современную среду с функциями, которые они ожидают от более мощных процессоров. Например, он предлагает профилировщик энергопотребления, который обеспечивает профилирование мощности кода в режиме реального времени (рис. 2).
Эти инструменты построены на основе интегрированной среды разработки (IDE) со стандартными редакторами кода, компиляторами, отладчиками и механизмом пользовательского интерфейса (UI) для разработки современных, адаптивных интерфейсов. Эта среда разработки обеспечивает доступ к веб-ресурсам и SDK для конкретных устройств, а также к специализированным инструментам настройки программного и аппаратного обеспечения.
Simplicity Studio также поддерживает безопасное хранилище Silicon Labs Secure Vault. Secure Vault — высокоразвитый пакет безопасности с уровнем сертификации PSA 3. Он позволяет разработчикам усилить защиту устройств Интернета вещей (IoT) и защитить их поверхность атаки от растущих киберугроз, одновременно обеспечивая соответствие развивающимся правилам кибербезопасности.
Быстрое начало работы с оценочными комплектами
Разработчики, заинтересованные в экспериментах с EFM8BB50, могут рассмотреть комплект BB50-EK2702A Explorer, показанный на рисунке 3. Этот комплект небольшого форм-фактора соответствует размерам макетной платы, что позволяет легко прикрепить его к прототипным системам и лабораторному оборудованию. Он оснащен интерфейсом USB, встроенным отладчиком SEGGER J-Link, светодиодом и кнопкой для взаимодействия с пользователем. Комплект полностью поддерживается пакетом Simplicity Studio Suite и может использоваться с утилитой Energy Profiler. Примеры программного обеспечения предоставляются для каждого периферийного устройства, а в демонстрациях демонстрируются светодиод, кнопка и UART.
В комплект входит розетка mikroBUS и разъем Qwiic. Поддержка дополнительных аппаратных средств позволяет разработчикам быстро создавать и прототипировать приложения, используя готовые платы различных производителей.
Разработчики, заинтересованные в более полной отправной точке, могут использовать комплект BB50-PK5208A Pro Kit, показанный на рисунке 4. Этот комплект, предназначенный для углубленной оценки и тестирования, содержит датчики и периферийные устройства, демонстрирующие многие возможности микроконтроллера.
Pro Kit включает в себя USB-подключение и сверхмалопотребляющую память размером 128 x 128 пикселей. ЖК-дисплей, аналоговый джойстик с восемью направлениями, светодиод и пользовательская кнопка. Он также оснащен датчиком относительной влажности и температуры Si7021 от Silicon Labs и несколькими источниками питания, включая USB и батарейку типа «таблетка».
Для расширения плата оснащена 20-контактным разъемом 2.54 мм. Он также имеет контактные площадки для прямого доступа к контактам ввода-вывода. Как и комплект Explorer, комплект Pro Kit поддерживает Energy Profiler и поставляется с примерами программного обеспечения для каждого периферийного устройства.
Параметры отладчика EFM8BB50
Silicon Labs предлагает несколько отладчиков для поддержки своих микроконтроллеров. Для отладки общего назначения компания предлагает DEBUGADPTR1-USB, 8-битный USB-адаптер отладки с простым 10-контактным разъемом.
Более специализированные возможности доступны в отладчике Simplicity Link SI-DBG1015A. Он подключается к интерфейсу Mini Simplicity, включенному в оба упомянутых выше комплекта. В дополнение к своей базовой функциональности Simplicity Link предлагает дополнительные возможности, в том числе отладчик SEGGER J-Link, интерфейс трассировки пакетов, виртуальный COM-порт и коммутационные площадки для удобного тестирования отдельных сигналов.
Заключение
Современные микроконтроллеры 8051, такие как EFM8BB50, привносят функции, обычно присущие 16-битным и 32-битным устройствам, в 8-битный домен. Благодаря высокой тактовой частоте, высокопроизводительным периферийным устройствам и надежной среде разработки программного обеспечения это семейство микроконтроллеров предоставляет разработчикам правильное сочетание возможностей для растущего числа приложений, где пространство и мощность ограничены, но требуются более высокая производительность и гибкость.