8位微控制器在SoC中的應(yīng)用
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8051如何跟上今日的效能需求
最早的8051是由英特爾在1980年推出，它讓每一個指令的執(zhí)行跨越12個頻率周期，使得硬件資源的需求減至最少。10年后，DallasSemiconductor(今天的Maxim)利用新設(shè)計來改善這套架構(gòu)，它移除了冗余的總線動作，讓典型指令只需要4個頻率周期；他們還推出可直接取代8051的兼容微控制器，可將既有系統(tǒng)的效能立刻提高三倍。
SiliconLaboratories的8位微控制器系列采用了新的專屬設(shè)計來實作8051指令集架構(gòu)，它能提供最大的指令產(chǎn)出，同時維持完整的目的碼(objectcode)兼容能力，以發(fā)展出采用「硬件連接」(hardwired)實作方式的C8051F中央處理器，而不是原來采用微碼(micro-coded)的設(shè)計。新設(shè)計會將指令集映像到兩級式基本處理管線，以便提高產(chǎn)出，同時維持8位的程序內(nèi)存寬度。這種方法帶來了一系列新組件，它們能在1或2個頻率周期內(nèi)執(zhí)行絕大多數(shù)的指令，效能超過原始8051設(shè)計的20至25倍。有了這樣的效能，工程師只要利用成本更低的8位產(chǎn)品，就能支持原本需要較昂貴的16或32位微控制器才能執(zhí)行的應(yīng)用。
微控制器現(xiàn)能整合那些功能而不會犧牲其效能？
在幾乎所有的電子系統(tǒng)中，工程師都想將最多功能整合至最小空間，這種做法有許多廣為人知的優(yōu)點，包括零件數(shù)目降低、庫存組件減少、制造成本下降、以及可能帶來的更高效能與可靠性。因此，針對特定應(yīng)用評估所選擇的微控制器時，重要的是從解決方案總成本的角度來考慮這些優(yōu)點，而不僅是單顆零件的價格。近幾年來，隨著價格不斷下滑，芯片內(nèi)建閃存已變得日益流行；除了對于價格最敏感的高產(chǎn)量型應(yīng)用之外，其它應(yīng)用現(xiàn)都認為值得付出少許的代價，來換取超越「可程序一次」(one-time-programmable)組件的更大彈性。
在線除錯(In-systemdebug)也是所想要的功能，由于它們能免除原先所需的昂貴仿真器，新組件的應(yīng)用成本將會下降，設(shè)計人員也能更自由的為特定應(yīng)用選擇最合適的組件。雖然32位的微控制器和數(shù)字訊號處理器已廣泛提供在線除錯功能，但是在SiliconLaboratories推出C8051F組件系列之前，8位產(chǎn)品卻極少提供在線除錯功能。精準振蕩器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器是系統(tǒng)最常需要的模擬零件，溫度量測功能、電壓參考和比較器也很常用；在數(shù)字外圍方面，外部通訊最常使用的標(biāo)準包括UART以及SPI、I2C、USB和CAN界面，另外還會加入功能包括定時器和可程序計數(shù)器數(shù)組。 相較于采用離散零件的解決方案，把模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器整合至微控制器常會導(dǎo)致效能下降，特別是模擬功能的線性特性和訊號雜波比；即便如此，仍有些新組件的效能已不輸給使用最佳零件的解決方案或內(nèi)建16位、1MSPS模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的其它產(chǎn)品。
如前所述，8位微控制器現(xiàn)已能提供高達100MIPS的峰值產(chǎn)出，圖1就是這類組件的功能線路圖，它是由SiliconLaboratories所提供的C8051F120，內(nèi)建128kbytes閃存、 8.25kbytesRAM、12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、12位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器以及各種數(shù)字外圍，包括UART、SPI總線、I2C總線、定時器模塊和外部內(nèi)存界面。這顆組件專門支持運算量龐大、又需要高效能模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器及數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的混合訊號嵌入式應(yīng)用，它還提供在線除錯功能。
圖1：模擬及數(shù)字功能的整合讓8位微控制器得以提供接近系統(tǒng)單芯片的功能
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