【導讀】在半導體領(lǐng)域，微控制器（MCU）是一個(gè)很卷的賽道。為了能夠從眾多競爭者中脫穎而出，MCU產(chǎn)品一直在不斷添加新“技能”，以適應市場(chǎng)環(huán)境的新要求。因此，時(shí)至今日，如果你“打開(kāi)”一顆MCU，會(huì )發(fā)現其早已不再是一顆傳統意義上簡(jiǎn)單的計算和控制芯片，而是集成了CPU內核以及豐富外設功能模塊的SoC。
在半導體領(lǐng)域，微控制器（MCU）是一個(gè)很卷的賽道。為了能夠從眾多競爭者中脫穎而出，MCU產(chǎn)品一直在不斷添加新“技能”，以適應市場(chǎng)環(huán)境的新要求。因此，時(shí)至今日，如果你“打開(kāi)”一顆MCU，會(huì )發(fā)現其早已不再是一顆傳統意義上簡(jiǎn)單的計算和控制芯片，而是集成了CPU內核以及豐富外設功能模塊的SoC。
尤其是在CPU內核趨向同質(zhì)化的今天，想要在產(chǎn)品設計上實(shí)現差異化，MCU廠(chǎng)商更是要在CPU內核之外的外設功能的集成上大做文章，讓自己的產(chǎn)品具有與眾不同的賣(mài)點(diǎn)。
“可以將哪類(lèi)外設功能集成到MCU中”，對于這個(gè)問(wèn)題，MCU廠(chǎng)商已經(jīng)進(jìn)行了諸多嘗試：存儲器、定時(shí)器、模擬外設、通信接口，甚至是射頻收發(fā)器……不一而足。今天，Microchip更是腦洞大開(kāi)，給出了一個(gè)新思路——將一個(gè)“微型FPGA”集成到MCU中！
在8位MCU中集成可編程邏輯
電子工程師都知道，在相當長(cháng)的時(shí)間里，MCU和以FPGA為代表的可編程邏輯，是兩個(gè)特性迥異的開(kāi)發(fā)平臺：前者是在通用CPU架構的基礎上，通過(guò)軟件編程去滿(mǎn)足不同應用的設計要求，具有較高的靈活性和可擴展性，不過(guò)代價(jià)就是在性能和功耗上有所折中；而后者由于具有硬件可編程特性，開(kāi)發(fā)者可以根據應用“定制”所需的硬件電路，在性能和功耗上自然更勝一籌，不過(guò)開(kāi)發(fā)門(mén)檻相對較高。
之前也有?商將兩者結合在?起，開(kāi)發(fā)出兼具靈活性和?能效的異構平臺，不過(guò)它們?都定位于中?端的產(chǎn)品。將可編程邏輯與8位MCU整合在?起的嘗試，并不多?。?Microchip正是找到了這個(gè)獨特的市場(chǎng)切?點(diǎn)，推出了PIC16F13145 系列MCU。
圖1：PIC16F13145系列MCU
（圖源：Microchip）
具體來(lái)講，與傳統的8位MCU不同，PIC16F13145系列的外設中，除了ADC、DAC、?較器和定時(shí)器等這些“常規”配置，還有?個(gè)特別的可配置邏輯塊（CLB）模塊。
CLB由32個(gè)基本邏輯元件（BLE）陣列（每個(gè)BLE都能夠模擬AND / OR / NAND / NOR?）以及緩沖器/反相緩沖器、D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、多路復?器或四輸?LUT構成。
這意味著(zhù)，開(kāi)發(fā)者可以利?CLB直接在MCU內創(chuàng )建基于硬件的定制組合邏輯功能，實(shí)現??想要的硬件電路，?不受通?MCU固定硬件架構的限制，就好像在MCU中添加了?個(gè)“微型FPGA”。
圖2：可配置邏輯塊（CLB）架構
（圖源：Microchip）
從架構上看，CLB與FPGA的可編程邏輯結構很相似。構成CLB的每個(gè)BLE由?個(gè)4輸?LUT(Lookup-Table, 查找表)和?個(gè)D觸發(fā)器組成。CLB的輸入接口提供了16個(gè)輸入的選擇鎖存器，每個(gè)選擇鎖存器可以選擇最多40種不同的信號之一的信號來(lái)作為輸入，這些信號可以是通過(guò)外部引腳輸入的信號，內部外設的輸出信號以及軟件操作的寄存器的信號。CLB輸入端都嵌入了可編程的邊沿檢測器，這些邊沿檢測器默認由上升沿觸發(fā)，但可以編程為由下降沿觸發(fā)或完全旁路。
另外，CLB支持8路輸出可以路由到外部引腳、內部寄存器或內部外圍設備的輸?。CLB還包含?個(gè)3位硬件計數器，以幫助使?CLB構建狀態(tài)機。當MCU需要執?簡(jiǎn)單的多任務(wù)并?處理，或者需要實(shí)現少量硬件級實(shí)時(shí)處理時(shí)，CLB的作?就會(huì )更?程度地顯現出來(lái)。開(kāi)發(fā)者可以使?CLB來(lái)實(shí)現狀態(tài)機或“?速”外設，例如軟件驅動(dòng)的信號多路復?器、計數器、正交解碼器、步進(jìn)電機控制器或?速PWM（脈寬調制器）等。
全新的開(kāi)發(fā)體驗
實(shí)際上，對于Microchip來(lái)說(shuō)，在MCU中集成可編程邏輯功能并不是?個(gè)全新的課題。早在?多年前，Microchip就曾在其MCU中引?了?種被稱(chēng)為可配置邏輯單元（CLC）的可編程邏輯外設，這?設計思路的價(jià)值已經(jīng)被市場(chǎng)所驗證。隨著(zhù)實(shí)際應?中對更復雜的可編程邏輯需求的增加，終在PIC16F13145系列中演化出了CLB這個(gè)規模更?、更復雜的可編程邏輯塊，完成了?次重要的迭代升級，也使得該系列MCU能夠?于以往屬于獨?可編程邏輯器件的應?領(lǐng)域。
PIC16F13145系列MCU這一獨特的定位，可以為開(kāi)發(fā)者帶來(lái)諸多好處。
首先，集成到MCU的CLB，是通過(guò)硬件的方式實(shí)現邏輯功能，在性能上明顯優(yōu)于“通用MCU+軟件”的模式，有利于優(yōu)化嵌入式控制系統的速度和響應時(shí)間，提升整體的系統性能。而且由于在系統設計時(shí)，無(wú)需增加額外的外部邏輯器件，還可以降低BOM成本，可謂是一舉兩得。
其次，作為獨立于CPU內核的外設，PIC16F13145中的CLB可以在CPU處于睡眠模式時(shí)運行，以響應和處理來(lái)自外部和內部的任務(wù)，更大限度地降低MCU的功耗。CLB還可以與其他外設（如定時(shí)器、ADC、PWM模塊等）結合使用，進(jìn)一步優(yōu)化系統功耗性能。
此外，CLB還有助于PIC16F13145系列MCU實(shí)現更強的可擴展性。在實(shí)際工作中，隨著(zhù)需求的變化，設計的調整在所難免，而PIC16F13145系列MCU所具備的可編程邏輯功能，使得開(kāi)發(fā)者無(wú)需“從頭再來(lái)”徹底修改整個(gè)設計，就能夠通過(guò)靈活的硬件編程快速完成設計迭代，簡(jiǎn)化整個(gè)設計流程。
由此可見(jiàn)，憑借CLB模塊而帶來(lái)的更高的性能、更低的功耗以及更強的可擴展性，加之其他豐富的片上資源（包括具有內置計算功能的快速10位ADC、8位DAC、快速比較器、8位和16位定時(shí)器，以及I2C和SPl等通信模塊），PIC16F13145系列MCU無(wú)疑為嵌入式開(kāi)發(fā)者提供了一個(gè)強大而靈活的開(kāi)發(fā)利器。
完善的開(kāi)發(fā)生態(tài)
當然，?個(gè)嵌?式硬件平臺，加上配套的軟件開(kāi)發(fā)?具以及相關(guān)技術(shù)資源，才能夠提供完整的開(kāi)發(fā)體驗。具體到PIC16F13145系列MCU這個(gè)創(chuàng )新的硬件架構，更是需要完善開(kāi)發(fā)?態(tài)的?持，盡可能降低開(kāi)發(fā)者上?“嘗鮮”的?檻。
好消息是，這?點(diǎn)Microchip已經(jīng)準備好了。PIC16F13145 系列MCU 的開(kāi)發(fā)， 可以得到MPLAB? 代碼配置器（MCC）的?持，MCC是Microchip的MPLAB X IDE中?個(gè)免費軟件插件，為開(kāi)發(fā)者提供了?個(gè)基于GUI的簡(jiǎn)便開(kāi)發(fā)界?，?于配置器件和片上外設（包括CLB）。CLB所需的?定義邏輯配置可通過(guò)MCC創(chuàng )建原理圖，因此??減少了開(kāi)發(fā)時(shí)間，?且?戶(hù)可以使?硬件描述語(yǔ)?（Verilog）作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，增加了開(kāi)發(fā)的靈活性。自定義邏輯配置的原理圖也可以通過(guò)在線(xiàn)方式創(chuàng )建（logic.microchip.com）。
同時(shí)，PIC16F13145 Curiosity Nano評估套件可為使?PIC16F13145系列MCU進(jìn)?設計提供全??持，?需外部?具、編程和調試，簡(jiǎn)單易?，有助于開(kāi)發(fā)者實(shí)現?縫嵌?式開(kāi)發(fā)體驗，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。
本文小結
今天，競爭激烈的MCU市場(chǎng)，迫切需要差異化的創(chuàng )新產(chǎn)品。Microchip的PIC16F13145系列MCU，創(chuàng )造性地將可編程邏輯外設功能與8位MCU架構相結合，在繼承MCU固有優(yōu)勢特性的同時(shí)，?帶來(lái)了更佳的性能、低功耗特性和可擴展性，在實(shí)時(shí)控制、數字傳感器節點(diǎn)，以及?業(yè)和汽?等細分市場(chǎng)，為嵌?式開(kāi)發(fā)者提供了全新的想象空間和開(kāi)發(fā)體驗。
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