使用最佳化的 8 位元微控制器簡化資源受限型裝置的設計

對於設計功率受限和空間受限裝置 (如電動工具、個人衛生用品、玩具、電器和照明控制) 的人員來說，傳統的 8 位元微控制器單元 (MCU) 就已足夠。然而，隨著應用演進，則需要更高速、更強大的週邊選項和更完備的軟體開發工具。改用 16 或 32 位元的替代方案可能有所幫助，但代價是封裝尺寸更大且功耗更高。

為了解決這些問題，設計人員可以利用 8051 架構的 MCU，將 16 和 32 位元處理器的諸多優勢帶到 8 位元領域。採用最小僅有 2 x 2 mm 的封裝，同時還提供現代開發環境。

本文將概述 8051 架構及其對資源受限型應用的適用性。接著會介紹 Silicon Labs 推出的 8051 架構 MCU 系列，說明其主要子系統，並展示各個子系統如何應對關鍵的設計挑戰。本文最後將探討硬體和軟體的支援。

為什麼使用 8051 架構？

針對空間嚴重受限的應用挑選 MCU 時，8 位元處理器 (如成熟的 8051) 可提供許多優勢，包括佔用空間小、功耗低和設計簡單。但是，許多 8051 處理器的周邊都相對簡單，因此會限制其在特定使用案例中的適用性。舉例而言，低解析度的類比數位轉換器 (ADC) 就不足以滿足醫療裝置等高精度應用的需求。

相對較慢的時脈也會是個問題。典型的 8051 MCU 會以 8 MHz 至 32 MHz 的時脈頻率工作，而較舊的設計則需要多個時脈週期來處理指令。低速會限制 8 位元 MCU 支援即時操作的能力 (如精密馬達控制)。

此外，8051 處理器的傳統軟體開發環境對應不上現代軟體開發人員的期望。再加上 8 位元架構固有的限制，可能會導致程式編寫過程緩慢而令人沮喪。

傳統 8 位元處理器的侷限可能會導致開發人員考慮轉用 16 或 32 位元的 MCU。雖然這些 MCU 提供充裕的運算能力、高效能的週邊和現代化的軟體環境，但體積也相對較大。因此要將其整合到空間受限的設計中更具挑戰性，可能會導致開發延遲或設計尺寸增加。

16 和 32 位元 MCU 的程式碼大小與功耗皆有增加，也可能會導致設計欠佳。對於許多不涉及複雜數學的應用來說，這些缺點特別容易產生問題，因此無法從這些處理器的進階功能受益。

將這些取捨達到理想的平衡，在專案開始時的效益可能不明顯，但若在設計過程中切換處理器，可能會導致開發延遲或有損產品尺寸或功能。因此，許多空間受限的設計都可以從功能更強大的 8051 架構 MCU 受益，可將 16 和 32 位元處理器的眾多優勢引進到低功耗、緊湊的 8 位元領域中。

EFM8BB50 為 8 位元 MCU 帶來更強大的功能

Silicon Labs 就依據上述考量打造了 EFM8BB50 系列 8 位元 MCU (圖 1)。這些 MCU 提供增強的效能、先進的週邊和現代化的軟體開發環境。

圖 1：此為 EFM8BB50 MCU 的方塊圖。(圖片來源：Silicon Labs)

MCU 的中心是 CIP-51 8051 核心，由 Silicon Labs 依據 8051 架構進行最佳化實作，可提高效能、降低功耗並增強功能性。效能尤其值得注意。在 EFM8BB50 中，核心速度高達 50 MHz，70% 的指令可在一或兩個時脈週期內執行。因此，MCU 的效能比傳統 8 位元處理器高出許多，能讓開發人員在面對更複雜的應用時更游刃有餘。

MCU 還以其小巧的尺寸而著稱。此系列的 16 引腳型號，如 EFM8BB50F16G-A-QFN16，就採用最小 2.5 mm x 2.5 mm 的封裝。EFM8BB50F16G-A-QFN12 等 12 引腳款式甚至更小，封裝尺寸小至 2 mm x 2 mm。

儘管尺寸很小，但 EFM8BB50 MCU 具有一系列令人印象深刻的功能，包括：

• 12 位元 ADC 對於需要精確感測器數據的應用來說不可或缺
• 透過整合式溫度感測器，MCU 無需外部元件，就可監測其內部溫度或環境溫度
• 三通道可編程計數器陣列 (PCA) 具有脈寬調變 (PWM) 功能，可產生 PWM 訊號，在馬達控制和 LED 調光等應用中達到可變輸出控制
• 三通道 PWM 引擎具有失效時間插入 (DTI) 功能，能對馬達驅動器或電源轉換器等電力電子產品進行額外的控制

其他輸入／輸出 (I/O) 包括多種序列通訊介面、一組 8 位元和 16 位元計時器，以及四個可配置的邏輯單元。MCU 系列中的所有引腳都支援 5 V，而且數位 I/O 可彈性指定，以充分利用有限的引腳數量。

進階電源管理

EFM8BB50 整合了多項能源管理功能，能讓功耗最佳化並延長電池續航力。具有多種電源模式，包括閒置模式，可降低核心時脈速度，同時讓週邊處於作用狀態。停止模式可進一步省電，會讓核心與大多數週邊都停止，同時保留 RAM 和暫存器的內容。某些週邊可進行設定，以便在停止模式中喚醒核心，這對事件驅動的應用來說相當有益，因為在事件之前主要停留在低功率狀態。

靈活的時脈選項可進一步協助節能。具有精密的內部振盪器，在許多情況下，都不需要外部晶體振盪器，因此可降低整體功耗。此 MCU 還支援時脈閘控，可選擇性地停用各種週邊的時脈，能讓開發人員將未使用的週邊關閉。

週邊在設計時也將電源效率納入考量。最值得注意的是，可配置邏輯單元 (CLU) 可以獨立執行簡單的邏輯功能，因此可降低核心從低功率模式中喚醒以進行簡單任務的需求。此外，低功耗 UART (LEUART) 可以在主振盪器停用的電源模式中運作，因此可在低功耗狀態下達到序列通訊。

支援直覺式軟體開發

開發人員可以在 Silicon Labs 的 Simplicity Studio Suite 中打造 EFM8BB50 系列用的軟體。此環境可用於 8 位元 EFM8BB50、該公司的 32 位元 MCU 及其無線型系統單晶片 (SoC)。因此，開發人員可以享有現代化的環境，具有符合期望的更強大處理器功能。例如，有提供 Energy Profiler，可即時提供程式碼的功率剖析 (圖 2)。

圖 2：Simplicity Studio 含有 Energy Profiler，可即時提供程式碼的功率剖析。(圖片來源：Silicon Labs)

這些工具以整合式開發環境 (IDE) 為基礎打造，具有業界標準的程式碼編輯器、編譯器、除錯器和使用者介面 (UI) 引擎，可開發現代化的回應式介面。此開發環境可用來存取裝置專用的 Web 和 SDK 資源，以及專用軟體和硬體配置工具。

Simplicity Studio 還支援 Silicon Labs 的 Secure Vault。Secure Vault 是具有 PSA 認證第 3 級的超先進安全套件，能讓設計人員強化物聯網 (IoT) 裝置並保護其攻擊面不受日益加遽的網路威脅，同時跟上不斷發展的網路安全規範。

快速開始使用評估套件

有興趣試用 EFM8BB50 的開發人員，可以考慮圖 3 所示的 BB50-EK2702A 探索套件。這款小尺寸套件與試驗板的尺寸一致，可輕鬆連接到原型系統和實驗室硬體。此套件具有一個 USB 介面、一個板載 SEGGER J-Link 除錯器、一個 LED 和一個使用者互動按鈕。此套件具有 Simplicity Studio Suite 的完整支援，並可以搭配 Energy Profiler 公用程式一起使用。有針對各項週邊提供軟體範例，也可示範操作 LED、按鈕和 UART。

圖 3：此為 BB50-EK2702A 探索套件。(圖片來源：Silicon Labs)

此套件含有一個 mikroBUS 插槽和一個 Qwiic 連接器。此硬體外掛支援能讓開發人員使用不同供應商的現成板件，快速建構並製作應用的原型。

若開發人員一開始就想要達到更完備的狀態，可以使用圖 4 所示的 BB50-PK5208A 專業套件。此套件專為深入評估和測試而設計，含有感測器和週邊，可展示 MCU 的許多功能。

圖 4：此為用於深入評估和測試的 BB50-PK5208A 專業套件。(圖片來源：Silicon Labs)

專業套件含有 USB 連接、超低功耗 128 x 128 像素記憶體 LCD、八向類比搖桿、LED 和使用者按鈕。還具有 Silicon Labs 的 Si7021 相對濕度和溫度感測器，以及多種電源，包括 USB 和鈕釦電池。

若要擴充，此板件也提供一個 20 引腳、2.54 mm 的排針座。還提供分接墊，可直接取用 I/O 引腳。專業套件與探索套件一樣，都支援 Energy Profiler，且針對各項週邊都有提供軟體範例。

EFM8BB50 除錯器選項

Silicon Labs 提供多種除錯器以支援其 MCU。若要進行一般除錯，該公司提供的 DEBUGADPTR1-USB 是一款帶有簡單 10 針連接器的 8 位元 USB 除錯配接器。

若要更多專用功能，可在 SI-DBG1015A Simplicity Link Debugger 取得。將此連接到上述兩個套件隨附的 Mini Simplicity 介面即可。除了基本功能外，Simplicity Link 還提供其他功能，包括 SEGGER J-Link 除錯器、封包追蹤介面、虛擬 COM 埠和可輕鬆探測個別訊號的分接墊。

結論

像 EFM8BB50 這樣的現代化 8051 MCU，通常可將 16 和 32 位元裝置的功能引進 8 位元領域。憑藉快速的時脈速度、高效能週邊和完備的軟體開發環境，此 MCU 系列能讓開發人員享有正確的功能組合，以因應越來越多在空間和功耗上受限，但卻需要更高效能和靈活性的應用。