Đối với các nhà thiết kế các thiết bị bị hạn chế về năng lượng và không gian như dụng cụ điện, sản phẩm vệ sinh cá nhân, đồ chơi, thiết bị và bộ điều khiển ánh sáng, một bộ vi điều khiển 8 bit (MCU) theo truyền thống là đủ. Tuy nhiên, khi các ứng dụng phát triển, chúng yêu cầu tốc độ cao hơn, các tùy chọn ngoại vi mạnh mẽ hơn và các công cụ phát triển phần mềm mạnh mẽ hơn. Việc chuyển sang phiên bản thay thế 16 bit hoặc 32 bit có thể hữu ích nhưng thường phải trả giá bằng kích thước gói lớn hơn và nhiều năng lượng hơn.
Để giải quyết những vấn đề này, các nhà thiết kế có thể tận dụng các MCU dựa trên kiến trúc 8051 mang lại nhiều lợi ích của bộ xử lý 16 bit và 32 bit cho miền 8 bit. Họ làm như vậy trong một gói nhỏ chỉ 2 x 2 mm (mm) đồng thời cung cấp một môi trường phát triển hiện đại.
Bài viết này mô tả ngắn gọn kiến trúc 8051 và tính phù hợp của nó đối với các ứng dụng có giới hạn về tài nguyên. Sau đó, nó giới thiệu một dòng MCU dựa trên 8051 từ Phòng thí nghiệm Silicon, mô tả các hệ thống con chính và cho thấy cách mỗi hệ thống giải quyết những thách thức thiết kế quan trọng. Bài viết kết thúc bằng cách thảo luận về hỗ trợ phần cứng và phần mềm.
Tại sao nên sử dụng kiến trúc 8051?
Khi chọn MCU cho ứng dụng có không gian hạn chế cao, bộ xử lý 8 bit như 8051 được thiết lập tốt mang lại nhiều lợi thế, bao gồm dấu chân nhỏ, mức tiêu thụ điện năng thấp và thiết kế đơn giản. Tuy nhiên, nhiều bộ xử lý 8051 có các thiết bị ngoại vi tương đối đơn giản, hạn chế tính phù hợp của chúng đối với các trường hợp sử dụng cụ thể. Ví dụ: bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) có độ phân giải thấp không đủ cho các ứng dụng có độ chính xác cao như thiết bị y tế.
Đồng hồ tương đối chậm cũng có thể là một vấn đề. MCU 8051 điển hình hoạt động ở tần số xung nhịp từ 8 megahertz (MHz) đến 32 MHz và các thiết kế cũ hơn yêu cầu nhiều chu kỳ xung nhịp để xử lý các lệnh. Tốc độ thấp này có thể hạn chế khả năng của MCU 8 bit trong việc hỗ trợ các hoạt động thời gian thực như điều khiển động cơ chính xác.
Ngoài ra, môi trường phát triển phần mềm truyền thống cho bộ xử lý 8051 không phù hợp với mong đợi của các nhà phát triển phần mềm hiện đại. Khi kết hợp với những hạn chế vốn có của kiến trúc 8 bit, điều này có thể dẫn đến quá trình mã hóa chậm và khó chịu.
Những hạn chế của bộ xử lý 8 bit truyền thống có thể khiến các nhà phát triển cân nhắc chuyển sang MCU 16 bit hoặc 32 bit. Mặc dù các MCU này cung cấp sức mạnh tính toán dồi dào, các thiết bị ngoại vi hiệu suất cao và môi trường phần mềm hiện đại nhưng chúng cũng có kích thước tương đối lớn. Điều này khiến việc tích hợp chúng vào các thiết kế bị giới hạn về không gian trở nên khó khăn hơn, điều này có thể làm chậm quá trình phát triển hoặc tăng kích thước thiết kế.
Kích thước mã tăng lên và mức tiêu thụ điện năng liên quan đến MCU 16 bit và 32 bit cũng có thể dẫn đến các thiết kế dưới mức tối ưu. Những nhược điểm này đặc biệt gây khó khăn cho nhiều ứng dụng không liên quan đến toán học phức tạp và do đó không được hưởng lợi từ khả năng nâng cao của các bộ xử lý này.
Sự cân bằng lý tưởng của những sự đánh đổi này có thể không rõ ràng khi bắt đầu dự án và việc chuyển đổi bộ xử lý ở giai đoạn giữa thiết kế có thể trì hoãn quá trình phát triển hoặc ảnh hưởng đến kích thước hoặc chức năng của sản phẩm. Do đó, nhiều thiết kế bị giới hạn về không gian có thể được hưởng lợi từ MCU dựa trên 8051 có khả năng cao hơn, mang lại nhiều ưu điểm của bộ xử lý 16-bit và 32-bit cho miền 8-bit, năng lượng thấp, nhỏ gọn.
EFM8BB50 mang lại chức năng tốt hơn cho MCU 8 bit
Phòng thí nghiệm Silicon đã xây dựng EFM8BB50 họ MCU 8 bit có lưu ý đến những điều này (Hình 1). Các MCU này cung cấp hiệu suất nâng cao, thiết bị ngoại vi tiên tiến và môi trường phát triển phần mềm hiện đại.
Trái tim của MCU là lõi CIP-51 8051, một triển khai của Phòng thí nghiệm Silicon về kiến trúc 8051 được tối ưu hóa để tăng hiệu suất, giảm mức tiêu thụ điện năng và nâng cao chức năng. Hiệu suất đặc biệt đáng chú ý. Trong EFM8BB50, lõi đạt tốc độ lên tới 50 MHz và 70% lệnh thực thi trong một hoặc hai chu kỳ xung nhịp. Điều này mang lại cho MCU hiệu suất cao hơn đáng kể so với bộ xử lý 8 bit truyền thống, mang lại cho các nhà phát triển khoảng trống cho các ứng dụng phức tạp hơn.
MCU cũng đáng chú ý vì kích thước nhỏ bé của chúng. Các biến thể 16 chân của dòng này, chẳng hạn như EFM8BB50F16G-A-QFN16, có sẵn trong các gói nhỏ tới 2.5 mm x 2.5 mm. Các phiên bản 12 chân như EFM8BB50F16G-A-QFN12 thậm chí còn nhỏ hơn, với kích thước gói xuống tới 2 mm x 2 mm.
Mặc dù có kích thước nhỏ bé nhưng MCU EFM8BB50 được trang bị rất nhiều tính năng ấn tượng, bao gồm:
- ADC 12 bit, rất cần thiết cho các ứng dụng yêu cầu dữ liệu cảm biến chính xác
- Một cảm biến nhiệt độ tích hợp cho phép MCU theo dõi nhiệt độ bên trong hoặc nhiệt độ môi trường mà không cần các bộ phận bên ngoài
- Mảng bộ đếm lập trình ba kênh (PCA) với điều chế độ rộng xung (PWM) có thể tạo ra tín hiệuPWM để điều khiển đầu ra thay đổi trong các ứng dụng như điều khiển động cơ và điều chỉnh độ sáng đèn LED
- Công cụ điều khiển xung lực ba kênh có tính năng chèn thời gian chết (DTI) để tăng cường khả năng điều khiển các thiết bị điện tử công suất, chẳng hạn như trình điều khiển động cơ hoặc bộ chuyển đổi nguồn
Các đầu vào/đầu ra (I/O) khác bao gồm nhiều giao diện truyền thông nối tiếp, một bộ bộ định thời 8 bit và 16 bit và bốn đơn vị logic có thể định cấu hình. Tất cả các chân trong dòng MCU đều có khả năng sử dụng điện áp 5 volt và I/O kỹ thuật số có thể được chỉ định linh hoạt để tận dụng tối đa số lượng chân cắm giới hạn.
Quản lý năng lượng nâng cao
EFM8BB50 kết hợp một số tính năng quản lý năng lượng để tối ưu hóa mức tiêu thụ điện năng và kéo dài tuổi thọ pin. Chúng bắt đầu với nhiều chế độ nguồn, bao gồm Chế độ không tải giúp giảm tốc độ xung nhịp lõi trong khi vẫn duy trì hoạt động của các thiết bị ngoại vi. Chế độ Dừng tiến xa hơn bằng cách tạm dừng lõi và hầu hết các thiết bị ngoại vi trong khi vẫn bảo toàn RAM và nội dung đăng ký. Một số thiết bị ngoại vi có thể được thiết lập để đánh thức lõi từ Chế độ dừng, mang lại lợi ích cho các ứng dụng hướng sự kiện chủ yếu vẫn ở trạng thái năng lượng thấp.
Tùy chọn xung nhịp linh hoạt giúp tiếp tục tiết kiệm năng lượng. Bộ tạo dao động bên trong chính xác giúp loại bỏ sự cần thiết của bộ tạo dao động tinh thể bên ngoài trong nhiều trường hợp, giảm mức tiêu thụ điện năng tổng thể. MCU cũng hỗ trợ tính năng kiểm soát đồng hồ, vô hiệu hóa có chọn lọc đồng hồ đối với các thiết bị ngoại vi khác nhau, cho phép các nhà phát triển tắt những thiết bị không sử dụng.
Các thiết bị ngoại vi cũng được thiết kế chú trọng đến hiệu quả sử dụng năng lượng. Đáng chú ý nhất là Bộ logic cấu hình (CLU) có thể thực hiện các chức năng logic đơn giản một cách độc lập, giảm nhu cầu đánh thức lõi từ chế độ năng lượng thấp cho các tác vụ đơn giản. Ngoài ra, UART năng lượng thấp (LEUART) có thể hoạt động ở chế độ nguồn trong đó bộ dao động chính bị tắt, cho phép giao tiếp nối tiếp ở trạng thái năng lượng thấp.
Hỗ trợ phát triển phần mềm trực quan
Các nhà phát triển có thể xây dựng phần mềm cho dòng EFM8BB50 trong Simplicity Studio Suite của Silicon Labs. Môi trường này được sử dụng cho EFM8BB8 50 bit, MCU 32 bit của công ty và các hệ thống không dây trên chip (SoC) của công ty. Kết quả là, các nhà phát triển có được một môi trường hiện đại với những tính năng mà họ mong đợi ở những bộ xử lý mạnh hơn. Ví dụ: nó cung cấp một trình phân tích năng lượng cung cấp khả năng định hình sức mạnh của mã trong thời gian thực (Hình 2).
Các công cụ này được xây dựng xung quanh môi trường phát triển tích hợp (IDE) với các trình soạn thảo mã, trình biên dịch, trình gỡ lỗi và công cụ giao diện người dùng (UI) theo tiêu chuẩn ngành để phát triển các giao diện hiện đại, đáp ứng. Môi trường phát triển này cung cấp quyền truy cập vào tài nguyên SDK và web dành riêng cho thiết bị cũng như các công cụ cấu hình phần cứng và phần mềm chuyên dụng.
Simplicity Studio cũng hỗ trợ Vault bảo mật của Silicon Labs. Là bộ bảo mật tiên tiến với Chứng nhận PSA Cấp 3, Secure Vault cho phép các nhà thiết kế tăng cường độ cứng cho các thiết bị Internet of Things (IoT) và bảo vệ bề mặt tấn công của chúng khỏi các mối đe dọa mạng ngày càng gia tăng, đồng thời tuân thủ các quy định an ninh mạng ngày càng phát triển.
Bắt đầu nhanh chóng với bộ công cụ đánh giá
Các nhà phát triển quan tâm đến việc thử nghiệm EFM8BB50 có thể xem xét Bộ công cụ Explorer BB50-EK2702A được hiển thị trong Hình 3. Bộ công cụ dạng nhỏ này được căn chỉnh theo kích thước bảng mạch để dễ dàng gắn vào hệ thống nguyên mẫu và phần cứng phòng thí nghiệm. Nó có giao diện USB, trình gỡ lỗi SEGGER J-Link tích hợp, đèn LED và nút để tương tác với người dùng. Bộ công cụ này được Simplicity Studio Suite hỗ trợ đầy đủ và có thể được sử dụng với tiện ích Energy Profiler. Các ví dụ về phần mềm được cung cấp cho mọi thiết bị ngoại vi và các bản demo thực hiện đèn LED, nút và UART.
Bộ sản phẩm bao gồm ổ cắm mikroBUS và đầu nối Qwiic. Hỗ trợ tiện ích bổ sung phần cứng này cho phép các nhà phát triển nhanh chóng tạo và tạo nguyên mẫu ứng dụng bằng cách sử dụng bảng mạch có sẵn từ nhiều nhà cung cấp khác nhau.
Các nhà phát triển quan tâm đến điểm khởi đầu toàn diện hơn có thể sử dụng Bộ công cụ Pro BB50-PK5208A như trong Hình 4. Được thiết kế để đánh giá và thử nghiệm chuyên sâu, bộ công cụ này chứa các cảm biến và thiết bị ngoại vi thể hiện nhiều khả năng của MCU.
Bộ Pro Kit bao gồm kết nối USB, bộ nhớ 128 x 128 pixel tiêu thụ điện năng cực thấp LCD, cần điều khiển analog tám hướng, đèn LED và nút nhấn của người dùng. Nó cũng có cảm biến nhiệt độ và độ ẩm tương đối Si7021 của Silicon Labs cũng như nhiều nguồn điện, bao gồm USB và pin dạng đồng xu.
Để mở rộng, bo mạch cung cấp đầu cắm 20 chân, 2.54 mm. Nó cũng cung cấp các miếng đệm đột phá để truy cập trực tiếp vào các chân I/O. Giống như Explorer Kit, Pro Kit hỗ trợ Energy Profiler và cung cấp các ví dụ phần mềm cho mọi thiết bị ngoại vi.
Tùy chọn trình gỡ lỗi EFM8BB50
Silicon Labs cung cấp nhiều trình gỡ lỗi để hỗ trợ MCU của mình. Để gỡ lỗi cho mục đích chung, công ty cung cấp DEBUGADPTR1-USB, bộ điều hợp gỡ lỗi USB 8 bit với đầu nối 10 chân đơn giản.
Các khả năng chuyên biệt hơn có sẵn từ Trình gỡ lỗi liên kết đơn giản SI-DBG1015A. Điều này kết nối với Giao diện đơn giản nhỏ có trong cả hai bộ công cụ được đề cập ở trên. Ngoài chức năng cơ bản, Simplicity Link còn cung cấp các khả năng bổ sung, bao gồm trình gỡ lỗi SEGGER J-Link, giao diện theo dõi gói, cổng COM ảo và các miếng đột phá để dễ dàng dò tìm các tín hiệu riêng lẻ.
Kết luận
Các MCU 8051 hiện đại như EFM8BB50 mang các tính năng thường được liên kết với các thiết bị 16 bit và 32 bit sang miền 8 bit. Với tốc độ xung nhịp nhanh, các thiết bị ngoại vi hiệu suất cao và môi trường phát triển phần mềm mạnh mẽ, dòng MCU này mang đến cho các nhà phát triển sự kết hợp khả năng phù hợp cho số lượng ứng dụng ngày càng tăng trong đó không gian và nguồn điện bị hạn chế nhưng cần có hiệu suất và tính linh hoạt cao hơn.