Použití optimalizovaného 8bitového mikrokontroléru ke zjednodušení návrhu zařízení s omezenými zdroji

Konstruktérům zařízení s omezeným příkonem a prostorem, jako jsou elektrické nářadí, produkty osobní hygieny, hračky, spotřebiče a ovládání osvětlení, tradičně postačuje 8bitový mikrokontrolér („microcontroller unit“, MCU). S tím, jak se však aplikace vyvíjejí, vyžadují vyšší rychlost, výkonnější možnosti periferií a robustnější nástroje pro vývoj softwaru. Migrace na 16bitovou nebo 32bitovou alternativu může pomoct, ale často za cenu větší velikosti pouzdra a vyššího příkonu.

K řešení těchto problémů mohou konstruktéři využít MCU založené na architektuře 8051, které přinášejí mnoho výhod 16bitových a 32bitových procesorů do 8bitové domény. Činí tak v pouzdře o rozměrech 2 × 2 mm a zároveň nabízí moderní vývojové prostředí.

V tomto článku je stručně popsána architektura 8051 a její vhodnost pro aplikace s omezenými zdroji. Poté je zde představena řada MCU založená na architektuře 8051 od společnosti Silicon Labs, popsány hlavní subsystémy a ukázáno, jak tyto jednotlivé MCU řeší kritické konstrukční problémy. Článek končí diskuzí o hardwarové a softwarové podpoře.

Proč používat architekturu 8051?

Při výběru MCU pro prostorově velmi omezenou aplikaci nabízejí 8bitové procesory, jako je osvědčená architektura 8051, mnoho výhod, včetně malých rozměrů, nízké spotřeby energie a jednoduchého provedení. Mnoho procesorů 8051 má však relativně jednoduché periferie, což omezuje jejich vhodnost pro konkrétní případy použití. Například analogově-digitální převodníky („analog-to-digital converter“, ADC) s nízkým rozlišením jsou pro vysoce přesné aplikace, jako jsou lékařské přístroje, nedostatečné.

Problémem může být také relativně pomalé taktování. Typický MCU 8051 pracuje na taktovacích frekvencích 8 MHz až 32 MHz a starší provedení vyžadují ke zpracování instrukcí více taktovacích cyklů. Tato nízká rychlost může omezovat schopnost 8bitových MCU podporovat operace v reálném čase, jako je přesné řízení motorů.

Tradiční prostředí pro vývoj softwaru pro procesory 8051 také nejsou v souladu s očekáváními moderních vývojářů softwaru. V kombinaci s přirozenými omezeními 8bitové architektury to může vést k pomalému a frustrujícímu procesu kódování.

Omezení tradičních 8bitových procesorů mohou vést vývojáře k tomu, aby zvážili migraci na 16bitové nebo 32bitové MCU. Tyto MCU sice nabízejí dostatečný výpočetní výkon, vysoce výkonná periferní zařízení a moderní softwarová prostředí, jsou ale také relativně velké. Díky tomu je jejich integrace do prostorově omezených návrhů náročnější, což může zpozdit vývoj návrhu nebo zvětšit jeho velikost.

Větší velikost kódu a spotřeba energie související se 16- a 32bitovými MCU mohou vést také k neoptimálním návrhům. Tyto nevýhody jsou zvláště problematické u mnoha aplikací, které nezahrnují složitou matematiku, a proto nemají z pokročilých schopností těchto procesorů prospěch.

Ideální rovnováha těchto kompromisů nemusí být na začátku projektu zřejmá a přechod na jiné procesory v polovině návrhu může zpozdit vývoj nebo ohrozit velikost nebo funkčnost produktu. Pro mnoho návrhů s omezeným prostorem tak může být výhodný výkonnější MCU založený na architektuře 8051, který přináší mnoho výhod 16- a 32bitových procesorů do kompaktní 8bitové domény s nízkou spotřebou energie.

Model EFM8BB50 přináší 8bitovým MCU více funkcí

S ohledem na tyto aspekty sestavila společnost Silicon Labs řadu 8bitových MCU EFM8BB50 (obrázek 1). Tyto MCU nabízejí vyšší výkon, pokročilá periferní zařízení a moderní prostředí pro vývoj softwaru.

Obrázek 1: Blokové schéma MCU EFM8BB50. (Zdroj obrázku: společnost Silicon Labs)

Srdcem MCU je jádro CIP-51 8051, implementace architektury 8051 od společnosti Silicon Labs optimalizovaná pro vyšší výkon, nižší spotřebu energie a rozšířenou funkčnost. Zvláště pozoruhodný je výkon. V modelu EFM8BB50 dosahuje jádro rychlosti až 50 MHz a 70 % instrukcí se provádí v jednom nebo dvou taktovacích cyklech. To dává MCU podstatně vyšší výkon než tradiční 8bitové procesory, což poskytuje vývojářům prostor pro složitější aplikace.

MCU jsou význačné také svými maličkými rozměry. 16pinové varianty této řady, jako je např. model EFM8BB50F16G-A-QFN16, jsou k dispozici v pouzdru o rozměrech 2,5 mm × 2,5 mm. 12pinové verze, jako je např. model EFM8BB50F16G-A-QFN12, jsou ještě menší, s rozměry pouzdra do 2 mm × 2 mm.

Přes své malé rozměry jsou MCU EFM8BB50 nabité působivou řadou funkcí, včetně následujících:

• 12bitový ADC, který je nezbytný pro aplikace vyžadující přesná data senzorů
• Integrovaný teplotní senzor, který MCU umožňuje monitorovat svou vnitřní teplotu nebo okolní teplotu bez nutnosti externích součástek
• Tříkanálové programovatelné pole čítačů („programmable counter array“, PCA) s pulzně šířkovou modulací („pulse-width modulation“, PWM), která dokáže generovat signály PWM pro variabilní řízení výstupu v aplikacích, jako je řízení motoru a stmívání LED diod
• Tříkanálový modul PWM s vkládáním mrtvé doby („dead-time insertion“, DTI) pro přídavné ovládání výkonové elektroniky, jako jsou ovladače motoru nebo výkonové převodníky

Další vstupy/výstupy („input/output“, I/O) zahrnují řadu sériových komunikačních rozhraní, sadu 8- a 16bitových časovačů a čtyři konfigurovatelné logické jednotky. Všechny piny v řadě MCU jsou schopné 5 V a digitální I/O lze flexibilně přiřadit tak, aby bylo možné co nejlépe využít omezeného počtu pinů.

Pokročilé řízení spotřeby energie

MCU EFM8BB50 obsahuje několik funkcí řízení spotřeby energie k optimalizaci spotřeby energie a prodloužení životnosti baterie. Začíná to několika režimy napájení, včetně režimu nečinnosti, který snižuje takt jádra a zároveň udržuje periferie aktivní. Režim zastavení jde ještě dál, zastavuje jádro a většinu periferií a zároveň zachovává obsah paměti RAM a registrů. Některé periferie lze nastavit tak, aby probudily jádro z režimu zastavení, což přináší výhody aplikacím řízeným událostmi, které zůstávají převážně ve stavu nízké spotřeby.

Šetřit energii dále pomáhají flexibilní možnosti taktování. Přesný interní oscilátor eliminuje v mnoha scénářích potřebu externích krystalových oscilátorů a snižuje celkovou spotřebu energie. MCU také podporuje hradlování hodin („clock gating“), které selektivně deaktivuje hodiny na různých periferiích, což umožňuje vývojářům vypnout ty, které se nepoužívají.

Periferie jsou také navrženy s ohledem na energetickou účinnost. Nejpozoruhodnější je, že konfigurovatelná logická jednotka („Configurable Logic Unit“, CLU) může provádět jednoduché logické funkce nezávisle, což snižuje potřebu probouzení jádra z režimů nízké spotřeby pro jednoduché úlohy. Kromě toho může rozhraní UART s nízkou spotřebou energie („Low Energy UART“, LEUART) pracovat v režimech spotřeby, kde je primární oscilátor deaktivován, což ve stavech nízké spotřeby umožňuje sériovou komunikaci.

Podpora intuitivního vývoje softwaru

Vývojáři mohou vytvářet software pro řadu EFM8BB50 v sadě Simplicity Studio Suite od společnosti Silicon Labs. Toto prostředí se používá pro 8bitový model EFM8BB50, 32bitové MCU společnosti a bezdrátové systémy na čipu („systems on chip“, SoC). Vývojáři tak získají moderní prostředí s funkcemi, které by očekávali od výkonnějších procesorů. Nabízí například energetický profilovač, který poskytuje výkonové profilování kódu v reálném čase (obrázek 2).

Obrázek 2: Nástroj Simplicity Studio obsahuje energetický profilovač, který poskytuje výkonové profilování kódu v reálném čase. (Zdroj obrázku: společnost Silicon Labs)

Nástroje jsou postaveny na integrovaném vývojovém prostředí („integrated development environment“, IDE) s editory kódu, kompilátory, debuggery a modulem uživatelského rozhraní („user interface“, UI) standardními v oboru pro vývoj moderních, responzivních rozhraní. Toto vývojové prostředí poskytuje přístup k webovým zdrojům a zdrojům SDK specifickým pro zařízení a také ke specializovaným softwarovým a hardwarovým konfiguračním nástrojům.

Nástroj Simplicity Studio podporuje také technologii Secure Vault společnosti Silicon Labs. Secure Vault, vysoce pokročilá sada zabezpečení s certifikací PSA úrovně 3, umožňuje konstruktérům zabezpečit zařízení internetu věcí („Internet of Things“, IoT) a chránit jejich útočnou plochu před eskalujícími kybernetickými hrozbami a zároveň je udržovat v souladu s vyvíjejícími se předpisy o kybernetické bezpečnosti.

Rychlý začátek s vyhodnocovacími sadami

Vývojáři, kteří mají zájem experimentovat s modelem EFM8BB50, mohou zvážit sadu BB50-EK2702A Explorer Kit uvedenou na obrázku 3. Tato sada s malými rozměry je ke snadnému připojení k prototypovým systémům a laboratornímu hardwaru sladěna s rozměry nepájivého pole. Je vybavena rozhraním USB, integrovaným debuggerem SEGGER J-Link, LED diodou a tlačítkem pro interakci uživatele. Sada je plně podporována sadou Simplicity Studio Suite a lze ji použít s nástrojem Energy Profiler. Pro jednotlivé periferie jsou k dispozici příklady softwaru a ukázky využívající LED diodu, tlačítko a rozhraní UART.

Obrázek 3: Sada BB50-EK2702A Explorer Kit. (Zdroj obrázku: společnost Silicon Labs)

Sada obsahuje zásuvku mikroBUS a konektor Qwiic. Tato podpora hardwarových doplňků umožňuje vývojářům rychle vytvářet a prototypovat aplikace pomocí běžně dostupných desek od různých výrobců.

Vývojáři, kteří mají zájem o komplexnější výchozí bod, mohou použít sadu BB50-PK5208A Pro Kit uvedenou na obrázku 4. Tato sada, navržená pro hloubkové vyhodnocování a testování, obsahuje senzory a periferie demonstrující mnoho funkcí MCU.

Obrázek 4: Sada BB50-PK5208A Pro Kit pro hloubkové vyhodnocování a testování. (Zdroj obrázku: společnost Silicon Labs)

Sada Pro Kit obsahuje USB připojení, paměťový LCD displej s ultra nízkou spotřebou energie a rozlišením 128 × 128 pixelů, osmisměrný analogový joystick, LED diodu a uživatelské tlačítko. Obsahuje také senzor relativní vlhkosti a teploty Si7021 společnosti Silicon Labs a více zdrojů napájení, včetně USB připojení a knoflíkové baterie.

Pro rozšíření nabízí deska 20pinovou patici 2,54 mm. Poskytuje také vylamovací plošky pro přímý přístup k I/O pinům. Stejně jako u sady Explorer Kit podporuje sada Pro Kit také nástroj Energy Profiler a dodává se s příklady softwaru pro jednotlivé periferie.

Možnosti debuggeru EFM8BB50

Společnost Silicon Labs nabízí pro podporu svých MCU několik debuggerů. Pro univerzální debugování nabízí společnost model DEBUGADPTR1-USB, 8bitový USB ladicí adaptér s jednoduchým 10pinovým konektorem.

Specializovanější možnosti nabízí nástroj Simplicity Link Debugger SI-DBG1015A. Připojuje se k rozhraní Mini Simplicity, které je součástí obou výše uvedených sad. Kromě svých základních funkcí nabízí nástroj Simplicity Link další možnosti, včetně debuggeru SEGGER J-Link, rozhraní pro sledování paketů, virtuálního portu COM a vylamovacích plošek pro snadné sondování jednotlivých signálů.

Závěr

Moderní MCU 8051, jako je řada EFM8BB50, přinášejí funkce obvykle spojované s 16bitovými a 32bitovými zařízeními do 8bitové domény. Se svými rychlými taktovacími frekvencemi, vysoce výkonnými periferiemi a robustním prostředím pro vývoj softwaru poskytuje tato řada MCU vývojářům správnou kombinaci schopností pro stále větší počet aplikací, kde je omezený prostor a příkon, ale vyžaduje se vyšší výkon a flexibilita.