物聯(lián)網(wǎng) MCU：小尺寸產(chǎn)生大影響

　　MCU 幾乎是每一個聯(lián)網(wǎng)設備的關鍵元件，并有望推動數(shù)百萬物聯(lián)網(wǎng) （IoT）“終端節(jié)點”的部署。每個終端節(jié)點都包括各種不同的元件，如表計、傳感器、顯示器、預處理器，以及將多種功能合并在單一器件中的數(shù)據(jù)融合元件。IoT 終端節(jié)點的常見要求是小尺寸，因為這些器件通常被限制在很小的基底面內(nèi)。例如，當考慮可穿戴設備時，體積小和重量輕是獲得客戶認可的關鍵。

　　小封裝 MCU 是控制體積受限型 IoT 終端節(jié)點應用的理想元件。許多 MCU 還有其它功能，能讓我們將一個功能非常強大的設計輕松放入引腳受限的形狀內(nèi)。靈活的引腳分配、自主運行以及智能化外設互連器件就是小引腳數(shù) MCU 先進特性的一些示例，它們進一步提升了MCU 的能力，對尺寸受限型應用產(chǎn)生很大的影響。

　　小引腳數(shù)封裝

　　在 IoT 端點允許的狹窄板空間內(nèi)，將 MCU 放入其中的關鍵促成要素是小型封裝?？纱┐髟O備的空間尤其有限，但仍需要強大的處理和存儲能力來執(zhí)行傳感器、感測聚合器和控制器要求的各種前端功能。芯片級封裝 （CSP） 的外形超小，不需要特殊的制造能力。例如，F(xiàn)reescale 的 Kinetis KL03 20 引腳 CSP MCU 系列采用 20 引腳 CSP 型 1.6 x 2.0 mm 雙封裝尺寸。如圖 1 所示，這種 20 引腳在細間距下采用 20 個焊球，可適合最小的板空間。

圖1：采用芯片級封裝的 Freescale KL03 系列 MCU

　　不過，小封裝未必表示處理能力也小。KL03 擁有強大的 48 MHZ 32 位 ARM Cortex-M0 處理器內(nèi)核，以及 32 KB 片上閃存和 2 KB 片上 SRAM。多個串行接口（LPUART、SPI、I²C）能讓 MCU 和輕松連接標準外設。一個帶有模擬比較器和內(nèi)部電壓基準的 12 位 ADC 能滿足常見的感測要求。為支持 IoT 中極為常見的定時運行，還采用了一個低功耗定時器和一個實時時鐘。也可采用脈寬調(diào)制 （PWM） 定時器來簡化機械控制應用。在非常小的 20 引腳 CSP 格式內(nèi)實現(xiàn)如此眾多的功能，對于設計人員來說這就是一個可用的大能力的典范。

　　智能集成

　　然而，MCU 制造商不會僅僅滿足于在小裝內(nèi)放入功能強大的 CPU。增加智能集成——能夠?qū)⑼獠枯o助器件數(shù)量降至最少的專門化硬件，是在小型板空間內(nèi)實現(xiàn)大量功能的又一種途徑。舉例來說，您每經(jīng)過多長時間就需要將少數(shù)幾個超簡單的元件與外部功能組合，使其能夠放入引腳有限的器件中？當由 CPU 管理的位檢測回路過慢或者消耗過多寶貴的 CPU 時間時，您是否也需要通過這樣做來加快輸入信號處理速度。通過添加用戶片上邏輯器件，MCU 制造商正開始滿足這些要求，以集成更多的邏輯器件。

　　例如，Microchip PIC16(＄1.2500)（L）F1503(＄0.3645) MCU 就屬于此類型智能集成。該器件包含少量使用所謂的可配置邏輯單元 （CLC） 的可配置邏輯器件。這些邏輯單元可用于從器件輸入和內(nèi)部信號來構建簡單的邏輯功能?？稍谄骷敵龆耸褂?CLC 輸出，或者將其與內(nèi)部外設配合使用。圖 2 所示為 CLC 邏輯圖。

圖2：PIC 片上可配置邏輯器件框圖

　　這里可選擇多達 16 個輸入，然后就可形成一個邏輯功能，用來構建四個生成的輸出。根據(jù)具體用途，可單獨對每個輸出進行使能、極性選擇、邊緣探測或者寄存。八個可能的邏輯功能包括 AND-OR、OR-XOR 、鎖存器和寄存器等精選功能，這些都是引腳受限型器件所需的常見功能。例如，您可將電路板上的一些簡單的門集成到 MCU 中，或者也可構建一些簡單的功能，以消除常用來合并或調(diào)節(jié)器件輸入的 CPU 周期。

　　請注意，我們現(xiàn)在可以使用硬件而非 CPU 密集型輪詢和“位拆裂”技術來合并外設。這樣，簡單的外設搖身一變成為智能型外設，不必在 CPU 監(jiān)管下工作?，F(xiàn)在，ADC、定時器、中斷控制器都可以輕松集成到一個完整的感測子系統(tǒng)中，且僅在子系統(tǒng)發(fā)出請求時才需要 CPU 介入，此時也許是出現(xiàn)了超時或者越界。

　　高效的引腳分配

　　為 IO 引腳分配正確的功能是使用小引腳數(shù) MCU 時面臨的問題之一。在許多 MCU 中，多個外設共會用一個輸出引腳，而且您希望使用的外設還可能與 IO 分配相沖突。這樣，就很難在最小的封裝中實現(xiàn)您希望的功能數(shù)量。根據(jù)您的具體資源組合，您可能需要采用較大的封裝。IO 分配也可能影響電路板布局和信號布線。如果引腳分布在不方便的位置，則可以采用比理想情況更多的板空間或者信號層來解決。

　　一些 MCU 制造商正通過提高引腳布局靈活性來消除這些限制。例如，NXP 為此增加了能夠用于“交換”引腳位置的 IO 引腳陣列，以應對各種不同的片上外設信號。在 NXP 提供的 LPC82x 系列器件中（圖 3），IO 切換陣列使 29 個引腳具有了交換功能。GPIO 信號、定時器、串行外設或者甚至是模擬輸入都能任意切換至您希望連接的器件引腳。

圖3：NXP LPC82x 系列器件上的 IO 引腳切換陣列

　　這種切換陣列具有全連接功能，可以把 29 個 IO 引腳中的任何一個連接至任何內(nèi)部外設。 （不過也有少數(shù)例外，例如，當該器件處于邊界掃描模式且 PIO_4 用于從深度省電狀態(tài)喚醒時。JTAG 引腳始終分配給引腳 PIO_0 至 PIO_4。由于相關的功能針對性特別強，因此這些例外也是可以理解的。） 這種切換陣列如此靈活，您甚至可以把多個外設輸入分配給相同的器件引腳，以更多地減少引腳數(shù)量。在 LPC82x MCU 上增加切換陣列可以極大地提高設計能力，讓您從正確的引腳上獲取正確的信號，從而在具體應用中采用最小化的封裝和板空間。

　　外設自主運行

　　借助能夠?qū)⑤斎胍_與外設連接的 MCU 引腳，即可高效地使用 MCU 引腳。 這樣，我們就可構建引腳高效的自主運行外設，而且僅需 CPU 稍加介入或者根本不需要 CPU 介入。 我們來考慮 Renesas 的 RL78/G13 MCU 系列（以其中的 R5F1007DANA(＄1.4632)#U0 為例），該器件具有事件鏈路控制器 （ELC），可選取不同的事件（如外部輸入中斷、內(nèi)部中斷、定時器中斷或者比較匹配結(jié)果），然后將其通過硬件與所需的外設輸入連接。如圖 4 所示，該器件采用外部中斷來觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換。無需 CPU 參與即可實現(xiàn)該功能，此時 CPU 甚至可以處于低功耗睡眠模式。這樣就能高效使用 IO 資源，同時保持盡可能低的功率耗散，后者是大多數(shù) IoT 應用的另一個關鍵要求。

圖4：Renesas 的 RL78/G13 MCU 系列上事件鏈路控制器的使用

　　總結(jié)

　　小引腳數(shù)封裝是許多 IoT 應用的理想選擇，且使用這些小封裝時您仍能獲得強大的處理能力。通過 IO 切換陣列、事件鏈路控制器或片上可配置邏輯單元實現(xiàn)的高效率引腳映射，能提高引腳利用效率，確保您在大多數(shù)尺寸有限的 IoT 應用中使用最小的板空間。