如何選擇合適的微控制器
微控制器無處不在,其使用范圍也在不斷擴大。但對其特性和潛在使用場景的深入理解,可以幫助我們在選擇和部署這項技術(shù)時做出更明智的決策。
微控制器還是微處理器:做出正確選擇
首先要考慮的問題是,你需要的是微控制器還是微處理器?這兩者雖然有些相似,但在使用場景上有所重疊,因此理解它們的相對優(yōu)勢是必要的第一步。
微處理器通常只有一個處理核心(CPU),一般來說,足夠強大,可以處理涉及大量內(nèi)存的復(fù)雜應(yīng)用程序。它們是面向通用應(yīng)用的。而微控制器則包括CPU、內(nèi)存和輸入輸出(I/O),足夠支持單一或少量功能或應(yīng)用,例如醫(yī)療設(shè)備或家居自動化系統(tǒng)。
微處理器通常與外部設(shè)備和系統(tǒng)(如內(nèi)存)協(xié)同工作,而微控制器則更有可能由一個單獨的封裝組成。
微控制器非常適合低功耗、實時應(yīng)用和數(shù)據(jù)收集,以及空間或電力有限的應(yīng)用場景。
選擇微控制器的基本步驟
訪問調(diào)試器可以加速并簡化任何包括微控制器的產(chǎn)品的部署過程。調(diào)試器能夠支持代碼上傳和實時調(diào)試,如設(shè)置斷點。如果選擇某個廠商的微控制器產(chǎn)品,通常該廠商也會提供專用調(diào)試器,這可能會有所幫助,但也有通用的調(diào)試器可供選擇。
構(gòu)建完整的產(chǎn)品
要實現(xiàn)成功的微控制器應(yīng)用,還需要考慮很多因素。
微控制器需要電源,通常是3.3V的電壓,并且電力需要通過供電軌道進行傳輸。引腳還需要去耦電容。為了適應(yīng)任何模擬外設(shè),你可能還需要一個所謂的Pi濾波器,以防止噪聲影響模擬信號。
通常可以通過調(diào)試探針或引導(dǎo)加載程序來上傳代碼。
振蕩器也是一個重要的考慮因素。大多數(shù)微控制器內(nèi)部都帶有振蕩器,但有時也需要外部晶振,尤其是在更高頻率或更高精度的情況下。這并不是一個簡單的“即插即用”過程,你可能需要根據(jù)晶體的數(shù)據(jù)表在電路中包含負載電容,以及一個饋電電阻來避免晶體過載。這可以減少或防止諧波的產(chǎn)生。
“解碼”微控制器引腳以創(chuàng)建完整的設(shè)備是實現(xiàn)微控制器應(yīng)用的另一重要步驟。同樣,數(shù)據(jù)表至關(guān)重要。更好的是,一些微控制器供應(yīng)商提供開發(fā)環(huán)境和工具,以簡化這些活動。
根據(jù)項目的性質(zhì),列出需要適應(yīng)的外部接口可能很有幫助。硬件框圖是完成此任務(wù)的一種方法,通常從通信接口開始。UART、USB、I2C和SPI是微控制器可能使用的接口之一。USB和以太網(wǎng)較為不常見。如果它們在使用范圍內(nèi),應(yīng)該注意,它們往往需要更多的程序空間??赡苓€需要數(shù)字或模數(shù)轉(zhuǎn)換I/O。
在軟件方面,弄清楚給定程序如何在所考慮的硬件上運行是非常重要的一步。哪些處理步驟會大量使用資源?它們會同時發(fā)生嗎?是否有類似的軟件運行在所考慮的硬件上,可以提供一個粗略的概念驗證?
長遠的考慮
選擇控制器并不是一次性任務(wù)。隨著技術(shù)的進步或產(chǎn)品升級的需求,很可能需要在產(chǎn)品生命周期內(nèi)多次升級微控制器。因此,在設(shè)計過程的早期進行長期思考,可能會在以后有所收益。通過一些快速計算可以明確,選擇8位、16位、32位甚至64位微控制器是否適合并且能夠在合理的時間內(nèi)滿足產(chǎn)品的預(yù)期需求。
微控制器未來的發(fā)展
微控制器市場的未來可能會如何發(fā)展?根據(jù)Grandview Research專家的說法,32位微控制器市場最近占據(jù)了整個微控制器市場價值的50.0%,而整個市場預(yù)計在2030年之前將以12.3%的年復(fù)合增長率(CAGR)增長。因此,盡管目前市場上仍有大量8位和16位微控制器,但隨著時間的推移,更強大、功能更強的32位和64位設(shè)備可能會成為主流。
研究人員還注意到一個重要的新興架構(gòu)趨勢。在2023年,馮·諾依曼架構(gòu)的微控制器主導(dǎo)了市場,占據(jù)了超過42.0%的收入份額。馮·諾依曼架構(gòu)因其經(jīng)濟性和熟悉性以及相對簡單的設(shè)計和開發(fā)過程而具有優(yōu)勢。
然而,哈佛架構(gòu)的微控制器,其指令和數(shù)據(jù)采用了分離的存儲和信號路徑,也以每年12%的速度增長。哈佛架構(gòu)特別適用于實時應(yīng)用和需要高性能的場景。這是另一個值得考慮的選擇。
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