【導讀】追溯到20世紀70年代，單片機（MCU）在控制各種汽車(chē)、消費品和工業(yè)產(chǎn)品方面發(fā)揮了重要作用。如今，單片機的應用已擴展到包括便攜式、無(wú)線(xiàn)和可穿戴物聯(lián)網(wǎng)（IoT）產(chǎn)品。除了物聯(lián)網(wǎng)以外，醫療保健行業(yè)也出現了大規模發(fā)展，各種應用中都采用了8位MCU。
追溯到20世紀70年代，單片機（MCU）在控制各種汽車(chē)、消費品和工業(yè)產(chǎn)品方面發(fā)揮了重要作用。如今，單片機的應用已擴展到包括便攜式、無(wú)線(xiàn)和可穿戴物聯(lián)網(wǎng)（IoT）產(chǎn)品。除了物聯(lián)網(wǎng)以外，醫療保健行業(yè)也出現了大規模發(fā)展，各種應用中都采用了8位MCU。
具有8位MCU的嵌入式電子產(chǎn)品需要在規模經(jīng)濟中具有競爭力的設備（每個(gè)應用需要數十萬(wàn)甚至數百萬(wàn)個(gè)器件）。例如，在汽車(chē)應用中，8位MCU控制許多子系統，如電動(dòng)座椅和車(chē)窗、智能門(mén)把手，甚至輪胎壓力傳感器。這意味著(zhù)幾美分的價(jià)格差相當重要。應用成本的另一方面是數百萬(wàn)設備的維護成本，在設計階段通常會(huì )忽視這一點(diǎn)?？煽啃院驮O備耐用性可以通過(guò)簡(jiǎn)化代碼和硬件來(lái)提高，而不需要軟件冗余。
多年來(lái)，8位MCU一直在發(fā)展并保持競爭力的原因在于，它能夠為用戶(hù)提供價(jià)值。這是通過(guò)在多個(gè)方面持續創(chuàng )新而實(shí)現的，特別是存儲器、功耗、封裝和獨立于內核的外設（CIP）等方面。
8位MCU的顯著(zhù)改進(jìn)
隨著(zhù)如今對物聯(lián)網(wǎng)關(guān)注度的提升，同時(shí)整個(gè)城市都在使用智能設備進(jìn)行升級，大規模實(shí)現智能的能力對于許多行業(yè)變得至關(guān)重要。這些升級包括智能路燈以及每個(gè)停車(chē)點(diǎn)的停車(chē)場(chǎng)探測器，而不僅僅是入口處的一個(gè)計數器。需要單片機的某些功能來(lái)打造支持物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境。具體可以歸結為三個(gè)功能：收集數據、處理數據，以及隨后將數據傳輸給其他聯(lián)網(wǎng)設備的能力。
在許多情況下，數據的收集、處理和傳輸可以由具有片上模數轉換器（ADC）的8位MCU完成，而設備的內核會(huì )保持低功耗模式。例如，智能停車(chē)場(chǎng)中的傳感器/指示器、聯(lián)網(wǎng)路燈、自動(dòng)化城市園藝和植物監測都會(huì )用到該方法。當系統日夜運轉時(shí)，每mW電力乘以數千倍實(shí)際上可以積累起來(lái)。
小型設備的優(yōu)勢和價(jià)值不僅體現在其降低的功耗方面，更體現在其更小巧的外形上，這使它們非常適合空間受限的便攜式電池供電類(lèi)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。
最新一代單片機的開(kāi)發(fā)正是基于這種價(jià)值理念。這些單片機采用新的流程，允許以低成本實(shí)現更大的存儲器，在為應用提供所需功能的同時(shí)還會(huì )兼顧到用戶(hù)的成本。
存儲器
幾年前的單片機與目前市場(chǎng)上的器件有很大區別。這些單片機在當時(shí)是革命性的產(chǎn)品，改變了嵌入式電路的適用范圍。如今，由于閃存的迅猛發(fā)展，通過(guò)編程使得單片機幾乎可以適用所有領(lǐng)域。
隨著(zhù)應用程序越來(lái)越復雜，新程序需要更多空間/存儲器。因此，新一代MCU在必要時(shí)會(huì )提供更大的存儲器，以滿(mǎn)足日益增長(cháng)的代碼空間需求。
經(jīng)過(guò)嚴苛汽車(chē)測試的證實(shí)，嵌入式閃存可持續數年滿(mǎn)足要求，且具有極高的耐擦寫(xiě)能力。這些功能為8位單片機的價(jià)值定位增加了新的維度。如今，8位單片機的存儲器大小范圍為最低384位到最高128 KB甚至更高，可滿(mǎn)足日益增長(cháng)的應用數量要求。
功耗
由于電池供電類(lèi)應用中用到了許多8位MCU，因此出現的重大變化之一是追求最低功耗。
例如，nanoWatt XLP超低功耗PIC? MCU包括專(zhuān)為電池供電類(lèi)產(chǎn)品而設計的系統監控電路。這意味著(zhù)這些單片機可以為“運行”和“休眠”模式提供業(yè)界最低的電流，而超低功耗應用中有90%-99%的時(shí)間都處于“運行”和“休眠”模式?！巴庠O模塊禁止”等電路從電源軌和時(shí)鐘樹(shù)中完全移除了外設，以實(shí)現零功耗泄漏。nanoWatt XLP技術(shù)的優(yōu)勢包括：
? 休眠電流低于20 nA
? 欠壓復位電流低至45 nA
? 看門(mén)狗定時(shí)器電流低至220 nA
? 實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷電流低至470 nA
? 運行電流低至50 μA/MHz
? 完全模擬和自寫(xiě)能力低至1.8V
這些低電流加起來(lái)可以延長(cháng)電池壽命，非常適合便攜式應用。通過(guò)優(yōu)化的外設，可以提高節能效果，這將在后面加以討論。
封裝
8位MCU與16位或32位MCU的另一個(gè)主要區別是小型封裝，這使8引腳器件非常適合安裝在空間受限的無(wú)線(xiàn)/便攜式和可穿戴產(chǎn)品的狹小空間中。例如，8引腳SOIC或8引腳DFN。常見(jiàn)的封裝是20引腳超薄正方扁平無(wú)引線(xiàn)封裝（VQFN），其尺寸為3x3 mm。因為增加更多功能需要更多連接和更大封裝，但具有足夠功能的8位MCU可以安裝在無(wú)法使用16位或32位MCU的電路板空間中。
圖1. 許多新的PIC?和AVR?產(chǎn)品系列提供小到3x3 mm VQFN器件的各種封裝，非常適合空間受限的應用
如果由于8位單片機功能的增加而使系統復雜性提高，導致需要更大區域和更多連接，那么也會(huì )使用更大的封裝，包括40引腳PDIP和VQFN以及44引腳TQFP版本。
獨立于內核的外設
將單片機的某些功能從中央內核中分離出來(lái)，可提供獨立于內核的自主性和一些優(yōu)勢，尤其適合低功耗/低成本設計。這些獨立于內核的外設增加了內置功能來(lái)降低功耗，并通過(guò)模塊化設計簡(jiǎn)化了觸摸界面的實(shí)現、傳感器數據積累和調節，以及將復雜的軟件實(shí)現簡(jiǎn)化到硬件中等。
CIP設計了額外的功能來(lái)處理各種任務(wù)，無(wú)需單片機中央處理單元（CPU）的干預。這種設計方法提供了一種基于外設的預封裝式事件編程。例如，事件系統可以在多個(gè)通道上基于通用輸入/輸出（GPIO）或程序中斷來(lái)觸發(fā)事件。
圖2按外設類(lèi)別以顏色區分顯示了8位PIC?和AVR?單片機目前可用的CIP。這八個(gè)類(lèi)別及其子類(lèi)別實(shí)現了經(jīng)濟高效型嵌入式控制器中預期的大部分功能。請注意，綠色部分為前面提到的部分提供了額外的降低功耗可能性。
圖2. 獨立于內核的外設適用于各種8位MCU設計領(lǐng)域
CIP通過(guò)降低代碼開(kāi)銷(xiāo)來(lái)提高可靠性。利用硬件結構實(shí)現的功能避免了潛在的軟件沖突。此外，硬件中的外設互連減少了外部連接，從而提高了終端系統的可靠性。隨著(zhù)組件可靠性的提高，整個(gè)項目生命周期內的成本也會(huì )降低。
許多新的8位系列在存儲器和引腳數方面提供了大量選項。這些選項允許在大型設備上完成開(kāi)發(fā)，并且實(shí)際代碼大小經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，可將生產(chǎn)規模降低為適合使用小型設備。
例如，在用于成本敏感型傳感器和實(shí)時(shí)控制應用的各種產(chǎn)品中，PIC16F152XX單片機系列的簡(jiǎn)化功能集包括10位模數轉換器（ADC）、外設引腳選擇（PPS）、數字通信外設和定時(shí)器。存儲器功能包括存儲器訪(fǎng)問(wèn)分區（MAP），可在數據保護和自舉程序中為用戶(hù)提供支持。
加速和簡(jiǎn)化設計導入的設計工具
隨著(zhù)開(kāi)發(fā)工具的進(jìn)步，許多必須硬編碼的過(guò)程可通過(guò)適當的設計工具簡(jiǎn)化和產(chǎn)生，例如MPLAB?代碼配置器（MCC）。這樣可帶來(lái)諸多好處，不但有助于減少開(kāi)發(fā)應用程序所需的時(shí)間，還能夠實(shí)現更精簡(jiǎn)的代碼，這樣開(kāi)發(fā)人員便無(wú)需進(jìn)行多次代碼迭代或從頭開(kāi)始編寫(xiě)匯編代碼即可進(jìn)行開(kāi)發(fā)。例如，具有完整編程和調試功能的PIC16F15244 Curiosity Nano評估工具包（部件編號：EV09Z19A）可為新設計提供全面支持。
圖3. Curiosity Nano評估工具包簡(jiǎn)化設計中的PIC16F15244 Curiosity Nano評估板和兩個(gè)100 mil，1x15引腳排針
最后，MPLAB X集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）為8位（以及16位和32位）MCU代碼開(kāi)發(fā)提供了免費的開(kāi)發(fā)環(huán)境，用來(lái)模擬、與硬件工具接口和訪(fǎng)問(wèn)Microchip以及第三方插件。
廣闊（和經(jīng)濟高效的）前景
單片機歷史悠久，8位MCU通過(guò)在存儲器、功耗、封裝和外設方面的進(jìn)步展示出巨大的靈活性和應用創(chuàng )新。它們不僅具有復雜應用所需的較大存儲器，而且還能提供用于簡(jiǎn)化復雜應用的各種方法。這種簡(jiǎn)化既可以減少開(kāi)發(fā)項目所花費的金錢(qián)/時(shí)間，也可以降低MCU投入生產(chǎn)時(shí)的成本。
如今，8位MCU不僅僅局限于數據收集，還支持在大量物聯(lián)網(wǎng)應用中收集、處理和傳輸數據。全新的8位產(chǎn)品顯著(zhù)增加了存儲器大小并優(yōu)化了外設，可滿(mǎn)足日益復雜的應用需求。不過(guò)，小型和經(jīng)濟高效型設計（包括傳感器和簡(jiǎn)單實(shí)時(shí)控制應用）均可從8位PIC16F152xx系列的簡(jiǎn)化功能集中受益。憑借其獨立于內核的外設，這些MCU顯然是大多數設計人員的理想選擇。
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