物聯(lián)網(wǎng) MCU：小尺寸產(chǎn)生大影響

　　MCU 幾乎是每一個(gè)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的關(guān)鍵元件，并有望推動(dòng)數(shù)百萬(wàn)物聯(lián)網(wǎng) （IoT）“終端節(jié)點(diǎn)”的部署。每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)都包括各種不同的元件，如表計(jì)、傳感器、顯示器、預(yù)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(diǎn)的常見(jiàn)要求是小尺寸，因?yàn)檫@些器件通常被限制在很小的基底面內(nèi)。例如，當(dāng)考慮可穿戴設(shè)備時(shí)，體積小和重量輕是獲得客戶認(rèn)可的關(guān)鍵。

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

　　小引腳數(shù)封裝

　　在 IoT 端點(diǎn)允許的狹窄板空間內(nèi)，將 MCU 放入其中的關(guān)鍵促成要素是小型封裝。可穿戴設(shè)備的空間尤其有限，但仍需要強(qiáng)大的處理和存儲(chǔ)能力來(lái)執(zhí)行傳感器、感測(cè)聚合器和控制器要求的各種前端功能。芯片級(jí)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(xì)間距下采用 20 個(gè)焊球，可適合最小的板空間。

圖1：采用芯片級(jí)封裝的 Freescale KL03 系列 MCU

　　不過(guò)，小封裝未必表示處理能力也小。KL03 擁有強(qiáng)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(gè)串行接口（LPUART、SPI、I²C）能讓 MCU 和輕松連接標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)。一個(gè)帶有模擬比較器和內(nèi)部電壓基準(zhǔn)的 12 位 ADC 能滿足常見(jiàn)的感測(cè)要求。為支持 IoT 中極為常見(jiàn)的定時(shí)運(yùn)行，還采用了一個(gè)低功耗定時(shí)器和一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘。也可采用脈寬調(diào)制 （PWM） 定時(shí)器來(lái)簡(jiǎn)化機(jī)械控制應(yīng)用。在非常小的 20 引腳 CSP 格式內(nèi)實(shí)現(xiàn)如此眾多的功能，對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)這就是一個(gè)可用的大能力的典范。

　　智能集成

　　然而，MCU 制造商不會(huì)僅僅滿足于在小裝內(nèi)放入功能強(qiáng)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(shí)現(xiàn)大量功能的又一種途徑。舉例來(lái)說(shuō)，您每經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間就需要將少數(shù)幾個(gè)超簡(jiǎn)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(dāng)由 CPU 管理的位檢測(cè)回路過(guò)慢或者消耗過(guò)多寶貴的 CPU 時(shí)間時(shí)，您是否也需要通過(guò)這樣做來(lái)加快輸入信號(hào)處理速度。通過(guò)添加用戶片上邏輯器件，MCU 制造商正開(kāi)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(hào)來(lái)構(gòu)建簡(jiǎn)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(shè)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(dá) 16 個(gè)輸入，然后就可形成一個(gè)邏輯功能，用來(lái)構(gòu)建四個(gè)生成的輸出。根據(jù)具體用途，可單獨(dú)對(duì)每個(gè)輸出進(jìn)行使能、極性選擇、邊緣探測(cè)或者寄存。八個(gè)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(jiàn)功能。例如，您可將電路板上的一些簡(jiǎn)單的門集成到 MCU 中，或者也可構(gòu)建一些簡(jiǎn)單的功能，以消除常用來(lái)合并或調(diào)節(jié)器件輸入的 CPU 周期。

　　請(qǐng)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(shù)來(lái)合并外設(shè)。這樣，簡(jiǎn)單的外設(shè)搖身一變成為智能型外設(shè)，不必在 CPU 監(jiān)管下工作。現(xiàn)在，ADC、定時(shí)器、中斷控制器都可以輕松集成到一個(gè)完整的感測(cè)子系統(tǒng)中，且僅在子系統(tǒng)發(fā)出請(qǐng)求時(shí)才需要 CPU 介入，此時(shí)也許是出現(xiàn)了超時(shí)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(shí)面臨的問(wèn)題之一。在許多 MCU 中，多個(gè)外設(shè)共會(huì)用一個(gè)輸出引腳，而且您希望使用的外設(shè)還可能與 IO 分配相沖突。這樣，就很難在最小的封裝中實(shí)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(hào)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(hào)層來(lái)解決。

　　一些 MCU 制造商正通過(guò)提高引腳布局靈活性來(lái)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(yīng)對(duì)各種不同的片上外設(shè)信號(hào)。在 NXP 提供的 LPC82x 系列器件中（圖 3），IO 切換陣列使 29 個(gè)引腳具有了交換功能。GPIO 信號(hào)、定時(shí)器、串行外設(shè)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(gè) IO 引腳中的任何一個(gè)連接至任何內(nèi)部外設(shè)。 （不過(guò)也有少數(shù)例外，例如，當(dāng)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(shí)。JTAG 引腳始終分配給引腳 PIO_0 至 PIO_4。由于相關(guān)的功能針對(duì)性特別強(qiáng)，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(gè)外設(shè)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(shè)計(jì)能力，讓您從正確的引腳上獲取正確的信號(hào)，從而在具體應(yīng)用中采用最小化的封裝和板空間。

　　外設(shè)自主運(yùn)行

　　借助能夠?qū)⑤斎胍_與外設(shè)連接的 MCU 引腳，即可高效地使用 MCU 引腳。 這樣，我們就可構(gòu)建引腳高效的自主運(yùn)行外設(shè)，而且僅需 CPU 稍加介入或者根本不需要 CPU 介入。 我們來(lái)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(shí)器中斷或者比較匹配結(jié)果），然后將其通過(guò)硬件與所需的外設(shè)輸入連接。如圖 4 所示，該器件采用外部中斷來(lái)觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換。無(wú)需 CPU 參與即可實(shí)現(xiàn)該功能，此時(shí) 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(shí)保持盡可能低的功率耗散，后者是大多數(shù) IoT 應(yīng)用的另一個(gè)關(guān)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(yīng)用的理想選擇，且使用這些小封裝時(shí)您仍能獲得強(qiáng)大的處理能力。通過(guò) IO 切換陣列、事件鏈路控制器或片上可配置邏輯單元實(shí)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(yīng)用中使用最小的板空間。