全新8-bit MCU的週邊問世 突破嵌入式設計屏障
- 周維棻
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Microchip最新一代8-bit微控制器結合了「獨立於內核外的週邊」，將設計的靈活性提升至全新水準。從簡單的數位計時器，到複雜的AC/DC電源設計，這些可配置的週邊與智慧型類比與MCU相互結合後，可實現均衡、可客製化的解決方案，來應對許多新設計的挑戰。新一代8-bit微控制器突破了傳統8-bit MCU的不足，拓寬了產品的應用領域。
自從40多年前首款帶唯讀記憶體(ROM)的MCU問世以來，微控制器不斷發展；從簡單的邏輯控制單元到內建類比功能的完全整合智慧型IC，相較之下8-bit微控制器的發展尤其突出。
以傳統的8-bit微控制器週邊而言，每個週邊的設計僅用於執行單一功能，而最新一代的8-bit微控制器設計之初旨在創建新構思與傳統架構完全不同的產品，這一構思需要採用全新的終端產品設計方法。
這些新的8-bit微控制器整合了若干個獨特的週邊，可以按需求執行多個功能和任務，同時，設計人員也可以透過配置及組合這些週邊方式來創建新的功能，而這些新功能在其他傳統類型的微控制器上是無法或難以實現的。
這些新型週邊大多無需內核監管即可獨自運作，在執行必要功能時也是以獨立運作的模式為主，如此便可大大降低對CPU的倚賴。此外，這些週邊多數在休眠模式下使用，非常適合各類功耗敏感型應用。
使用獨立於內核外的週邊
新元件中最常用的週邊之一就是可配置邏輯單元(CLC)，它是一個非常簡單但功能強大的週邊，可提供標準的邏輯功能，如AND、OR、XOR、SR鎖存器和J-K正反器，用戶可對這些功能進行配置，以創建出基本的邏輯閘功能或複雜的循序邏輯來調整訊號。
CLC模組的輸入、輸出訊號可以經由內部連接至任何的I/O、週邊或暫存器，可以用作一個簡單的訊號路由器、邏輯群組或控制喚醒的智慧型狀態機。傳統的微控制器需要外部的可程式化邏輯元件(PLD)或額外的編碼來實現所需的邏輯控制功能，然而即便是這樣的設定也如CLC那樣靈活。
如圖一所示，一個可配置週邊模組──數字控制振盪器(NCO)可用作20-bit計時器或具有高解析度、可變頻率控制的PWM控制單元。這不是一般傳統的PWM？計時器能比擬的，由圖中可見其性能與功能幾乎完全相反。
NCO具有更高的解析度和線性頻率控制功能，可透過對電路電流的高精度控制來簡化應用於許多電源應用中的複雜控制算法，例如帶有調光照明功能的安定器控制應用。由於NCO可提供變頻控制來輕鬆改變警報聲音的音效，還可用於驅動煙霧報警器的聲音警報。透過對所產生的頻率實施更精細的控制，NCO無須任何外部類比零件即可對產生聲音的音調和音高進行更好的調整。
這種整合式週邊也可以單獨使用，但是把多個週邊組合在一起建立不同的功能才是其真正的絕妙之處，例如，曼徹斯特編碼廣泛應用於各種電信和資料儲存應用。傳統的曼徹斯特算法需要大量韌體的支援，並要佔用CPU資源來進行任務管理。而透過串聯使用NCO和CLC模組即可構建出的曼徹斯特解碼器，可以完全在硬體環境中運作。順帶一提，曼徹斯特的編碼器設計可以僅由一個CLC模組來實現，無需進行韌體位元拆解。
其餘的週邊，諸如角度計時器(AT)、訊號測量計時器(SMT)和數學加速器(MathAcc)等週邊是比CLC或NCO模組稍微複雜一點的週邊。無論馬達速度還是訊號頻率，AT可用於測量馬達控制和AC電源應用中任意一種週期訊號──如光學編碼器、過零點檢測器和霍爾感應器。
在傳統量測角度的方法上往往需要多個計時器來計算和測量時間單位元，然後借助數學計算(透過韌體)將數值轉換成相角域；如果週期已知的話，則需要進行程式記憶體的查表方式。這種方法需要更多的硬體設定和更多的CPU資源來進行數學計算，還需要限定查表範圍的大小，限制了可用數值的數量，進而導致近似值和差錯。
AT模組使用獨立的硬體架構，無需耗用額外的 CPU 功能，即可在瞬間完成角度域的轉換。且AT模組可以直接根據設計人員配置的相位角值自動產生中斷和事件。此外，AT模組還有三個比較？捕捉？PWM(CCP)功能供用戶自行支配。
對比傳統方法與獨立於內核外週邊的設計
另一個透過組合多個週邊以簡化任務的實例，是廣泛應用於小型引擎中的電容放電式點火(CDI)控制系統。如圖二所示。在數位控制CDI系統中，微控制器有兩大主要任務︰第一，基於各個感測器提供的訊息確定火星塞的點火提前角；第二，透過設定PWM訊號佔空比將觸發脈波傳送至DC/DC轉換器，以實現火星塞點火功能 。
使用相關週邊可有效管理RPM的計算及控制引擎火星塞的點火時間，這些動作只需要極少的CPU干預，設計人員無需掌握引擎控制系統的所有設計細節，即可將AT、CLC、SMT和MathACC等其他週邊組合起來實現基於PIC16F161x MCU的CDI，大幅提升整體性能。
圖三使用傳統方法與採用獨立於內核外的週邊來設計CDI系統做了一個對比。如圖所示，運用AT方法，執行時間和CPU使用率減少了50%以上，同時，程式碼空間減少了40%，大大提升了系統性能。
有許多方式可以產生PWM訊號，或透過韌體或硬體；然而涉及到測量和從PWM輸入訊號中攫取訊息時，選擇範圍就比較有限了。典型的方法是使用計時器和CCP，以及大量的CPU週期來確定脈波、週期或佔空比值。將CLC和NCO模組組合起來，並進行一些額外的編碼工作，也有可能完成這些任務。
然而，前文例子中提及的SMT週邊是一個帶有進階時脈和閘控邏輯功能的24-bit計數器？計時器，可支援不同的採樣模式。這些模式包括自動測量並儲存週期和佔空比的數值，且無須內核的監管或任何額外的計算。SMT週邊對任何一個需要測量PWM訊號的設計而言都是非常有用的，比如馬達控制應用。
儘管這些進階週邊具有更多的功能，設計人員的顧慮之一是︰如何管理有限的I/O及可用的MCU資源以實現元件性能最優化。模組太多，接腳卻不夠，一直是傳統8-bit低接腳數微控制器擴展功能的致命傷。
如今在增添了週邊接腳選擇(PPS)等功能以後，設計人員現下無需使用任何外部組件即可任意將內部的數位訊號傳送到任何一個I/O接腳。比如使用傳統MCU來設計，一旦需求多個UART的功能時，這只能無奈的找一個具備多個UART模組的多接腳數微控制器來實現。
有了新一代的8-bit MCU，任何一款微控制器只須擁有一個UART和PPS或CLC就可實現將傳送通訊訊號切換到多個接腳上，輕鬆完成這項任務。
最新一代的8-bit微控制器比傳統的8-bit MCU功能更多、更強大。與以軟體為中心的32-bit MCU相比，它們往往可以借助整合的、獨立於內核外的硬體執行許多功能，在性能上提升至新的高度。
此外，獨立於內核外的週邊為設計人員提供了更大的靈活性，可以透過配置和組合若干週邊來建立多種應用功能而無須犧牲CPU性能或功耗。這些新型硬體週邊消除了傳統設計對內核的倚賴，同時增強了系統整體設計的決定性。
(本文由Microchip Technology Inc. MCU8產品部亞太業務拓展經理徐進提供。)
