作者：Kenton Williston

對于電動工具、個人衛(wèi)生用品、玩具、電器和照明控制裝置等功耗和空間受限設備的設計人員來說，采用傳統(tǒng)上的 8 位微控制器單元 (MCU) 就足夠了。然而，隨著應用的不斷發(fā)展，他們需要更高的速度、更強大的外設選項和軟件開發(fā)工具。遷移到 16 位或 32 位替代方案可能會有所幫助，但往往要以更大的封裝尺寸和更高的功耗為代價。

為了解決這些問題，設計人員可以利用基于 8051 架構 MCU，這些 MCU 將 16 位和 32 位處理器的許多優(yōu)點帶到了 8 位處理器領域。這些處理器的封裝小至 2 x 2 mm，同時提供現(xiàn)代開發(fā)環(huán)境。

本文簡要介紹 8051 架構及其對資源受限應用的適用性。然后介紹 [Silicon Labs]基于 8051 的 MCU 系列，描述主要子系統(tǒng)并說明每個子系統(tǒng)如何應對關鍵設計挑戰(zhàn)。文章最后討論硬件和軟件支持。

為什么使用 8051 架構？

為空間高度受限的應用選擇 MCU 時，8 位處理器（如久負盛名的 8051）的優(yōu)勢眾多，如占用空間小、功耗低和設計簡單。然而，許多 8051 處理器的外設相對簡單，成為它們能否適用特定用的瓶頸。例如，低分辨率模數(shù)轉換器 (ADC) 無法滿足醫(yī)療設備等高精度應用的需要。

相對較慢的時鐘也可能是一個問題。典型的 8051 MCU 工作時鐘頻率為 8 MHz 至 32 MHz，舊設計需要多個時鐘周期來處理指令。這種低速率會限制 8 位 MCU 支持實時操作的能力（如精確的電機控制）。

此外，8051 處理器的傳統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境也不符合現(xiàn)代軟件開發(fā)人員的期望。如果再加上 8 位架構的固有限制，就會導致編碼過程緩慢而令人沮喪。

傳統(tǒng) 8 位處理器的局限性可能會導致開發(fā)人員考慮遷移到 16 位或 32 位 MCU。雖然這些 MCU 具有強大的計算能力、高性能外設以及現(xiàn)代軟件環(huán)境，但其體積也相對較大。這使得將這些器件集成到空間受限的設計中更具挑戰(zhàn)性，可能會延誤開發(fā)或增加設計規(guī)模。

與 16 位和 32 位微控制器相關的代碼量和功耗的增加也會導致設計達不到最優(yōu)。對于許多不涉及復雜數(shù)學的應用來說，這些缺點尤其成問題，因為在此類應用無法提現(xiàn)這些處理器的先進功能優(yōu)勢。

這些權衡的理想點在項目開始時可能并不明顯，而在設計中期更換處理器可能會延誤開發(fā)，或影響產(chǎn)品的尺寸或功能。因此，許多空間受限的設計可以采用功能更強大的 8051 架構 MCU，該器件將 16 位和 32 位處理器的許多優(yōu)勢帶到了外形緊湊的低功耗 8 位處理器領域。

EFM8BB50 為 8 位 MCU 帶來更多功能

Silicon Labs 在設計 [EFM8BB50]系列 8 位 MCU 時考慮了這些因素（圖 1）。這些 MCU 的性能更強，具有先進的外設和現(xiàn)代軟件開發(fā)環(huán)境。

圖 1：所示為 EFM8BB50 MCU 的框圖。（圖片來源：Silicon Labs）

MCU 的核心是 CIP-51 8051 內(nèi)核，它是 Silicon Labs 實現(xiàn)的 8051 架構，經(jīng)過優(yōu)化，可提高性能、降低功耗并增強功能。其表現(xiàn)尤其值得一提。EFM8BB50 的內(nèi)核速度高達 50 MHz，70% 的指令可在一個或兩個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行。這使得該 MCU 的性能大大高于傳統(tǒng)的 8 位處理器，為從而開發(fā)人員開發(fā)更復雜的應用提供了更大的發(fā)揮空間。

體積小也是這些MCU 的顯著特點之一。該系列的16 引腳變體（如[EFM8BB50F16G-A-QFN16]）采用小至2.5 mm x 2.5 mm 的封裝。 12 引腳版本（如[EFM8BB50F16G-A-QFN12] ）甚至更小，封裝尺寸可小至2 mm x 2 mm。

盡管 EFM8BB50 MCU 的尺寸很小，卻擁有一系列令人印象深刻的功能，具體包括

• 12 位 ADC，這對于需要精確傳感器數(shù)據(jù)的應用來說至關重要
• 集成溫度傳感器，可使 MCU 無需外部元件即可監(jiān)控其內(nèi)部溫度或環(huán)境溫度
• 具有脈寬調(diào)制 (PWM) 功能的三通道可編程計數(shù)器陣列 (PCA)，可產(chǎn)生 PWM 信號，用于電機控制和 LED 調(diào)光等應用中的可變輸出控制
• 具有死區(qū)時間插入 (DTI) 功能的三通道 PWM 引擎，可增加對電機驅動器或電源轉換器等電力電子設備的控制功能

其他輸入/輸出 (I/O) 包括各種串行通信接口、一組 8 位和 16 位定時器以及四個可配置邏輯單元。該 MCU 系列的所有引腳都支持 5 V 電壓，數(shù)字 I/O 可靈活分配，以充分利用有限的引腳。

高級電源管理

EFM8BB50 集成了多項能源管理功能，可優(yōu)化功耗并延長電池壽命。首先是多種功耗模式，包括閑置模式，這種模式可降低內(nèi)核時鐘速度，同時保持外設運行。停止模式則更進一步，在保留 RAM 和寄存器內(nèi)容的同時，停止內(nèi)核和大多數(shù)外設。某些外設可以設置為從停止模式喚醒內(nèi)核，這有利于主要地保持低功耗狀態(tài)的事件驅動型應用。

靈活的時鐘選項會進一步幫助節(jié)能。具有精密的內(nèi)部振蕩器，在許多情況下無需外部晶體振蕩器，從而降低了總功耗。MCU 還支持時鐘門控，可選擇性地禁用各種外設時鐘，使開發(fā)人員能夠關閉不使用的外設。

外設設計還考慮到了能效。最值得注意的是，可配置邏輯單元 (CLU) 可以獨立執(zhí)行簡單的邏輯功能，從而減少了將內(nèi)核從低功耗模式喚醒以執(zhí)行簡單任務的需要。此外，低能耗 UART（LEUART）可在禁用主振蕩器的電源模式下運行，允許在低功耗狀態(tài)下進行串行通信。

支持直觀的軟件開發(fā)

開發(fā)人員可以在 Silicon Labs 的 [Simplicity Studio Suite] 環(huán)境下為 EFM8BB50 系列構建軟件。該環(huán)境用于 8 位 EFM8BB50、公司的 32 位 MCU 及其無線片上系統(tǒng) (SoC)。因此，開發(fā)人員擁有了一個現(xiàn)代軟件環(huán)境，可獲得他們所期望的更強大的處理器功能。例如，該環(huán)境提供了能耗分析器，可實時對代碼進行能耗分析器（圖 2）。

圖 2：Simplicity Studio 包含一個能耗分析器，可實時分析代碼能耗。（圖片來源：Silicon Labs）

這些工具在一個集成開發(fā)環(huán)境 (IDE) 內(nèi)構建，該環(huán)境包含行業(yè)內(nèi)標準的代碼編輯器、編譯器、調(diào)試器和一個用戶界面（UI）引擎，可用于開發(fā)現(xiàn)代響應式界面。通過該開發(fā)環(huán)境，可訪問具體設備的網(wǎng)絡和 SDK 資源，以及專門的軟件和硬件配置工具。

Simplicity Studio 還支持 Silicon Labs Secure Vault。Secure Vault 是一款非常先進的安全套件，具有 PSA 3 級認證，有助于設計人員加固物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設備，保護其攻擊面免受不斷升級的網(wǎng)絡威脅，同時符合不斷發(fā)展的網(wǎng)絡安全法規(guī)。

快速開始使用評估套件

有興趣嘗試 EFM8BB50 的開發(fā)人員可以考慮圖 3 所示的 [BB50-EK2702A]探索者套件。該套件外形小巧，與試驗板大小一致，便于安裝到原型系統(tǒng)和實驗室硬件上。該器件有一個 USB 接口、一個板載 SEGGER J-Link 調(diào)試器、一個 LED 指示燈和一個用戶交互按鈕。該套件完全受 Simplicity Studio Suite 支持，并可與 [能耗分析器] 實用程序一起使用。為每個外設提供了軟件示例，并演示了 LED、按鈕和 UART。

圖 3：所示為 BB50-EK2702A 探索者套件。（圖片來源：Silicon Labs）

該套件包括一個 mikroBUS 插座和一個 Qwiic 連接器。這種硬件擴展板支持能夠讓開發(fā)人員使用不同供應商的現(xiàn)成電路板快速創(chuàng)建應用并制作原型。

對更全面的入門知識感興趣的開發(fā)人員，可以使用圖 4 所示的 [BB50-PK5208A]專業(yè)套件。該套件專為深入評估和測試而設計，包含傳感器和外設，可展示 MCU 的多種功能。

圖 4：所示為用于深入評估和測試的 BB50-PK5208A 專業(yè)套件。（圖片來源：Silicon Labs）

專業(yè)套件包括 USB 連接、超低功耗 128 x 128 像素存儲器 LCD、八向模擬操縱桿、LED 和用戶按鈕。該套件還配備了 Silicon Labs 的 [Si7021]相對濕度和溫度傳感器以及多種電源，包括 USB 和鈕扣電池。

為便于擴展，該電路板提供了一個 20 針 2.54 mm 針座。該套件還提供用于直接訪問 I/O 引腳的分線焊盤。與探索者套件一樣，專業(yè)支持能耗分析器，并隨附每個外設的軟件示例。

選配 EFM8BB50 調(diào)試器

Silicon Labs 提供多種支持其 MCU 的調(diào)試器對于通用調(diào)試，該公司提供的 [DEBUGADPTR1-USB] 是一款 8 位 USB 調(diào)試適配器，帶有一個簡單的 10 針連接器。

[SI-DBG1015A]的 Simplicity Link 調(diào)試器可提供更多專業(yè)功能。該連接器與上述兩個套件中的小型 Simplicity Link 相連。除基本功能外，Simplicity Link 還提供了多種其他功能，包括 SEGGER J-Link 調(diào)試器、數(shù)據(jù)包跟蹤接口、虛擬 COM 端口和用于輕松探測單信號的分線板。

結束語

EFM8BB50 等現(xiàn)代 8051 MCU 能將通常與 16 位和 32 位器件相關的功能引入 8 位領域。憑借快速的時鐘速度、高性能外設和強大的軟件開發(fā)環(huán)境，該系列 MCU 為開發(fā)人員提供了合適的功能組合，可滿足越來越多空間和功耗均有限，但又需要更高性能和靈活性的應用。

審核編輯 黃宇