設計師在查看任何電子元件目錄時(shí)，能夠很明顯地注意到，會(huì )有很多潛在的微控制器（MCU）選項?？晒┻x擇的產(chǎn)品種類(lèi)繁多，從另一側面也證明MCU已成為現代系統實(shí)現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。

 

考慮到設計師需要為設計找到最佳選項，而且要以一種更有條理的方式區面對快速的變化，這種廣泛的可能性也呈現出巨大的挑戰。在查看MCU選項時(shí)，需要考慮以下七個(gè)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(mǎn)足您的特定需求。

 

架構

對于嵌入式設計，最重要的考慮因素是MCU核心處理器內核性能是否可以充分滿(mǎn)足預期的工作要求?；镜?位流水線(xiàn)（pipeline）型MCU能夠處理涉及監控I/O端口，并根據這些輸入更改狀態(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，則系統可能需要更復雜的指令集，這需要轉移到16位甚至32位流水線(xiàn)型MCU。位數較高的流水線(xiàn)MCU具有將采樣和其他實(shí)際數據一并處理的優(yōu)勢。 而對于一個(gè)8位流水線(xiàn)MCU，除了最小數據值外，所有其他數據均需要分成子單元進(jìn)行處理，這會(huì )影響性能。對于閉環(huán)控制，能夠支持數字信號處理的16位架構通常會(huì )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、通信和管理等復合功能的系統，可能需要更高的32位流水線(xiàn)MCU能力。

圖1：PIC18F46Q10T-I / PT是Microchip深受市場(chǎng)歡迎的PIC系列8位MCU。

 

I/O端口

使用MCU進(jìn)行設計的巨大優(yōu)勢是它們都具有多種集成的I/O端口。通過(guò)精心選擇I/O端口的組合，這些端口可以專(zhuān)門(mén)針對一些特定應用量身定制，端口可以從寄存器可編程數字信號線(xiàn)到智能電機控制單元，再到用于IoT連接的整個(gè)無(wú)線(xiàn)子系統。首先確定應用需要哪些功能，通?？梢灾苯邮褂脜邓阉鱽?lái)創(chuàng )建合適器件的候選清單。在理想的情況下，總有一個(gè)MCU具有應用所需的全部I/O。但是，現實(shí)卻可能不是這樣，尤其是對于更多的細分市場(chǎng)設計。許多外圍設備都符合通用接口規范（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(xiàn)，或者可以通過(guò)控制通用I/O線(xiàn)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。通過(guò)分析設計中所需的外部組件可確定除內置外設之外，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準。由于外部存儲器會(huì )增加總體成本，而且訪(fǎng)問(wèn)所需的額外周期常常會(huì )降低性能，因此，盡管通常在系統斷電時(shí)可使用外部串行存儲器用于存儲配置數據，確保目標應用與所選MCU的存儲器限制能夠匹配非常重要。至于性能評估，設計團隊需要估計具體應用和隨附的操作系統（如果只需要一個(gè)操作系統）會(huì )在程序和數據存儲方面占用多少字節。通常，在選擇MCU之前，應用無(wú)法完全確定。此外，即便使用函數點(diǎn)（function-point）分析之類(lèi)的估算技術(shù)，仍然很難確定實(shí)際存儲器使用情況的準確預測。因此，建議選擇一個(gè)MCU系列，它能夠輕松調節包括閃存和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換到下一個(gè)器件，而不會(huì )影響引腳布局或設計的其他方面。

 

功率

能耗已成為嵌入式系統設計人員考慮的一個(gè)主要問(wèn)題。當今的許多物聯(lián)網(wǎng)項目都會(huì )依靠單節電池運行數年，即使對于采用市電供電的系統，能效目前也已成為工程師的核心考慮標準之一。通過(guò)精心選擇MCU可以有多種方式來(lái)提高能效。一種是繼續轉向更密集的處理，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MCU必須運行的工作載荷較輕時(shí)，通?？梢圆呗孕缘夭捎玫突顒?dòng)性和睡眠模式來(lái)提高能效。將活動(dòng)分解成短脈沖，設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(lái)越多的MCU可提供智能外圍控制器，使得無(wú)需喚醒處理器內核即可執行常規功能。這樣可以使睡眠時(shí)間最大化，因而減少了運行該應用所需的功率。

 

圖2：德州儀器（TI）MSP430F2132QRHBREP的框圖。

 

工具支持是許多領(lǐng)先MCU架構的關(guān)鍵差異化因素。盡管通過(guò)參數搜索會(huì )得到來(lái)自不同處理器體系結構的多個(gè)候選者，但是工具支持在多大程度上能夠適合開(kāi)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(shí)要強調的是需要考慮開(kāi)發(fā)人員的技能和經(jīng)驗。擁有大型系統開(kāi)發(fā)所需高級語(yǔ)言深度知識的工程師自然會(huì )傾向于使用ARM等32位架構，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，或許更應該采用8位或16位體系結構，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，這些工具鏈通常包含在集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）中，并且價(jià)格非常合理。

 

封裝

在許多設計中，容納MCU所需的空間是一個(gè)重要的考慮因素。用戶(hù)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(shí)現緊湊的外形尺寸。但是，核心封裝設計和板級設計可以支持的功能之間需要進(jìn)行折衷權衡。例如，越來(lái)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(huì )對PCB設計造成很大挑戰，需要采用成本更高的堆疊和組裝工藝。電路板空間還會(huì )受到所需支持組件數量以及目標PCB上可用的布線(xiàn)選擇等影響。在較少層數或靈活的PCB方案中，如果需要大量連接，則MCU周?chē)季€(xiàn)到I/O、時(shí)鐘、接地和電源所需的空間會(huì )迅速增大。工程師還需要根據設計的目標用途來(lái)考慮將器件安裝在PCB上時(shí)的可靠性，高振動(dòng)和沖擊等工作環(huán)境可能會(huì )需要采用專(zhuān)用封裝，進(jìn)而可能需要轉向其他MCU系列。

 

圖3：基于A(yíng)RM 32位處理器內核的STMicroelectronics 511-NUCLEO-G070RB開(kāi)發(fā)板。

 

套件

由于MCU能夠極大地簡(jiǎn)化硬件設計，因而在上市時(shí)間非常重要的情況下，它是一個(gè)理想的設計平臺。供應商現在提供的綜合軟件工具可確保最終應用能夠快速整合在一起。即使有了一些項目加速器，設計團隊也可以通過(guò)選擇帶有評估板和開(kāi)發(fā)套件的MCU來(lái)獲得更大的領(lǐng)先優(yōu)勢。這些所選MCU具備現成的開(kāi)發(fā)板，以及典型應用所需的所有附加I/O。此外，許多開(kāi)發(fā)板現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(xiāo)商交付包裹更少的時(shí)間組裝定制的硬件解決方案。團隊可以通過(guò)簡(jiǎn)單地將原型軟件下載到評估系統中來(lái)構建概念設計，并可隨時(shí)向客戶(hù)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(shí)基礎，而硬件設計團隊同時(shí)開(kāi)發(fā)成本優(yōu)化的解決方案，從長(cháng)遠來(lái)看，這種解決方案將更具吸引力。