當(dāng)代系統(tǒng)設(shè)計中MCU的主要選擇技巧

作者：貿(mào)澤電子Mark Patrick

設(shè)計師在查看任何電子元件目錄時，能夠很明顯地注意到，會有很多潛在的微控制器（MCU）選項?？晒┻x擇的產(chǎn)品種類繁多，從另一側(cè)面也證明MCU已成為現(xiàn)代系統(tǒng)實現(xiàn)中必不可少的一部分，目前很難找到不包含MCU的電子產(chǎn)品。

考慮到設(shè)計師需要為設(shè)計找到最佳選項，而且要以一種更有條理的方式區(qū)面對快速的變化，這種廣泛的可能性也呈現(xiàn)出巨大的挑戰(zhàn)。在查看MCU選項時，需要考慮以下七個關(guān)鍵方面，這樣能夠有助于找出目錄中哪些產(chǎn)品最能滿足您的特定需求。

架構(gòu)

對于嵌入式設(shè)計，最重要的考慮因素是MCU核心處理器內(nèi)核性能是否可以充分滿足預(yù)期的工作要求?；镜?位流水線（pipeline）型MCU能夠處理涉及監(jiān)控I/O端口，并根據(jù)這些輸入更改狀態(tài)等控制任務(wù)。但是，如果任務(wù)中涉及算法（例如閉環(huán)控制）中輸入的算術(shù)操作，則系統(tǒng)可能需要更復(fù)雜的指令集，這需要轉(zhuǎn)移到16位甚至32位流水線型MCU。位數(shù)較高的流水線MCU具有將采樣和其他實際數(shù)據(jù)一并處理的優(yōu)勢。 而對于一個8位流水線MCU，除了最小數(shù)據(jù)值外，所有其他數(shù)據(jù)均需要分成子單元進行處理，這會影響性能。對于閉環(huán)控制，能夠支持數(shù)字信號處理的16位架構(gòu)通常會在成本與算術(shù)性能之間具備最佳平衡。但是，對于需要支持控制、通信和管理等復(fù)合功能的系統(tǒng)，可能需要更高的32位流水線MCU能力。

I/O端口

使用MCU進行設(shè)計的巨大優(yōu)勢是它們都具有多種集成的I/O端口。通過精心選擇I/O端口的組合，這些端口可以專門針對一些特定應(yīng)用量身定制，端口可以從寄存器可編程數(shù)字信號線到智能電機控制單元，再到用于IoT連接的整個無線子系統(tǒng)。首先確定應(yīng)用需要哪些功能，通常可以直接使用參數(shù)搜索來創(chuàng)建合適器件的候選清單。在理想的情況下，總有一個MCU具有應(yīng)用所需的全部I/O。但是，現(xiàn)實卻可能不是這樣，尤其是對于更多的細分市場設(shè)計。許多外圍設(shè)備都符合通用接口規(guī)范（例如I2C或SPI），或者可以采用并行接口，由此可以連接到存儲器總線，或者可以通過控制通用I/O線進行訪問。通過分析設(shè)計中所需的外部組件可確定除內(nèi)置外設(shè)之外，MCU是需要串行I/O還是并行I/O端口。

存儲器

存儲器通常是在MCU系列中選擇特定部件的主要考慮標(biāo)準(zhǔn)。由于外部存儲器會增加總體成本，而且訪問所需的額外周期常常會降低性能，因此，盡管通常在系統(tǒng)斷電時可使用外部串行存儲器用于存儲配置數(shù)據(jù)，確保目標(biāo)應(yīng)用與所選MCU的存儲器限制能夠匹配非常重要。至于性能評估，設(shè)計團隊需要估計具體應(yīng)用和隨附的操作系統(tǒng)（如果只需要一個操作系統(tǒng)）會在程序和數(shù)據(jù)存儲方面占用多少字節(jié)。通常，在選擇MCU之前，應(yīng)用無法完全確定。此外，即便使用函數(shù)點（function-point）分析之類的估算技術(shù)，仍然很難確定實際存儲器使用情況的準(zhǔn)確預(yù)測。因此，建議選擇一個MCU系列，它能夠輕松調(diào)節(jié)包括閃存和SRAM等存儲器大小。由于MCU都具有配置多種存儲器大小的變型，因此通?？梢灾苯愚D(zhuǎn)換到下一個器件，而不會影響引腳布局或設(shè)計的其他方面。

功率

能耗已成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員考慮的一個主要問題。當(dāng)今的許多物聯(lián)網(wǎng)項目都會依靠單節(jié)電池運行數(shù)年，即使對于采用市電供電的系統(tǒng)，能效目前也已成為工程師的核心考慮標(biāo)準(zhǔn)之一。通過精心選擇MCU可以有多種方式來提高能效。一種是繼續(xù)轉(zhuǎn)向更密集的處理，以便利用擴展的優(yōu)勢（不僅局限在邏輯和存儲容量上，而且在功耗方面）。然而，當(dāng)MCU必須運行的工作載荷較輕時，通?？梢圆呗孕缘夭捎玫突顒有院退吣Ｊ絹硖岣吣苄?。將活動分解成短脈沖，設(shè)計人員可以利用睡眠模式將電流消耗降低到僅為nA級。此外，越來越多的MCU可提供智能外圍控制器，使得無需喚醒處理器內(nèi)核即可執(zhí)行常規(guī)功能。這樣可以使睡眠時間最大化，因而減少了運行該應(yīng)用所需的功率。

工具

工具支持是許多領(lǐng)先MCU架構(gòu)的關(guān)鍵差異化因素。盡管通過參數(shù)搜索會得到來自不同處理器體系結(jié)構(gòu)的多個候選者，但是工具支持在多大程度上能夠適合開發(fā)團隊的需求，這是決定選擇哪種MCU的重要考慮因素，同時要強調(diào)的是需要考慮開發(fā)人員的技能和經(jīng)驗。擁有大型系統(tǒng)開發(fā)所需高級語言深度知識的工程師自然會傾向于使用ARM等32位架構(gòu)，因為它們能夠提供最廣泛的編譯器選擇。而如果存儲器和成本限制是主要的考慮因素，或許更應(yīng)該采用8位或16位體系結(jié)構(gòu)，并考慮它們對C代碼可能施加的某些限制。在許多情況下，可以使用各種各樣的工具。編譯器、調(diào)試器和鏈接器（linkers）的完整工具鏈支持主要的8位和16位MCU架構(gòu)，這些工具鏈通常包含在集成開發(fā)環(huán)境（IDE）中，并且價格非常合理。

封裝

在許多設(shè)計中，容納MCU所需的空間是一個重要的考慮因素。用戶經(jīng)常傾向于選擇采用高集成度MCU解決方案，因為這種方案可以實現(xiàn)緊湊的外形尺寸。但是，核心封裝設(shè)計和板級設(shè)計可以支持的功能之間需要進行折衷權(quán)衡。例如，越來越多的MCU以芯片級封裝提供，以便盡可能減少這些器件所占用的空間。封裝下方的互連密度可能會對PCB設(shè)計造成很大挑戰(zhàn)，需要采用成本更高的堆疊和組裝工藝。電路板空間還會受到所需支持組件數(shù)量以及目標(biāo)PCB上可用的布線選擇等影響。在較少層數(shù)或靈活的PCB方案中，如果需要大量連接，則MCU周圍布線到I/O、時鐘、接地和電源所需的空間會迅速增大。工程師還需要根據(jù)設(shè)計的目標(biāo)用途來考慮將器件安裝在PCB上時的可靠性，高振動和沖擊等工作環(huán)境可能會需要采用專用封裝，進而可能需要轉(zhuǎn)向其他MCU系列。

套件

由于MCU能夠極大地簡化硬件設(shè)計，因而在上市時間非常重要的情況下，它是一個理想的設(shè)計平臺。供應(yīng)商現(xiàn)在提供的綜合軟件工具可確保最終應(yīng)用能夠快速整合在一起。即使有了一些項目加速器，設(shè)計團隊也可以通過選擇帶有評估板和開發(fā)套件的MCU來獲得更大的領(lǐng)先優(yōu)勢。這些所選MCU具備現(xiàn)成的開發(fā)板，以及典型應(yīng)用所需的所有附加I/O。此外，許多開發(fā)板現(xiàn)在都提供能夠插入主板的I/O板系列，以便工程師可以用比分銷商交付包裹更少的時間組裝定制的硬件解決方案。團隊可以通過簡單地將原型軟件下載到評估系統(tǒng)中來構(gòu)建概念設(shè)計，并可隨時向客戶展示。非常有潛力的是，這些評估套件有可能為產(chǎn)品盡早入市打好堅實基礎(chǔ)，而硬件設(shè)計團隊同時開發(fā)成本優(yōu)化的解決方案，從長遠來看，這種解決方案將更具吸引力。

審核編輯：湯梓紅