較長的電池續(xù)航時(shí)間，對(duì)提高消費(fèi)類設(shè)備的用戶滿意度至關(guān)重要。對(duì)于電池供電的物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 端點(diǎn)，延長電池續(xù)航時(shí)間可降低維護(hù)成本，提高可靠性。由于這些設(shè)備所使用的微控制器功耗相對(duì)較大，因此設(shè)計(jì)人員需要選擇并應(yīng)用合適的架構(gòu)以滿足這些應(yīng)用的需求。事實(shí)證明，多數(shù)情況下 16 位微控制器正是最佳選擇。

雖然 8 位微控制器的功能逐漸強(qiáng)大，但是鑒于處理能力和可尋址存儲(chǔ)器有限，性能上存在固有限制，以致于高性能應(yīng)用通常不會(huì)選用 8 位微控制器。另一方面，基于 32 位內(nèi)核的系統(tǒng)對(duì)于這些應(yīng)用往往又稍顯過火，尤其是導(dǎo)致不必要的功耗過大時(shí)。

解決方案恰恰位于 8 位和 32 位內(nèi)核中間的平衡點(diǎn)——16 位微控制器。這類器件既像簡(jiǎn)單的單電源 8 位微控制器一樣功耗較低，又具有 32 位內(nèi)核的部分性能和存儲(chǔ)器優(yōu)勢(shì)。如果應(yīng)用不要求很多線程同時(shí)處理，存儲(chǔ)器要求也不太高，那么 16 位微控制器可以提供適當(dāng)?shù)男阅芩讲⒛茱@著節(jié)能。

本文介紹了 16 位微控制器的架構(gòu)及其如何成為許多電池供電的消費(fèi)類設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)應(yīng)用的最佳選擇。此外，還介紹了Microchip Technology和Texas Instruments推出的幾款 16 位微控制器，并說明如何使用 16 位內(nèi)核著手設(shè)計(jì)。

微控制器選型

在設(shè)計(jì)過程中，定義項(xiàng)目要求后的第一步就是為應(yīng)用選擇合適的微控制器。三種主流選項(xiàng)分別是 8 位、16 位和 32 位微控制器。

不夸張地說，8 位微控制器應(yīng)用極為普遍，堪稱設(shè)計(jì)人員的主力器件。低成本、低功耗的 8 位微控制器幾乎適用于任何小功率應(yīng)用：主流微控制器中功耗最低的器件，某些器件待機(jī)電流低于 100 nA。

使用也相對(duì)簡(jiǎn)單，8 位微控制器大多基于累加器，盡管一些較新的架構(gòu)具有寄存器組，因而編程模型簡(jiǎn)單且有限：累加器或帶單個(gè)狀態(tài)寄存器的小寄存器組、堆棧指針，以及一個(gè)或多個(gè)變址寄存器。堆棧往往都是硬件堆棧，并且固件無法訪問程序計(jì)數(shù)器 (PC)。

盡管 8 位架構(gòu)廣受青睞，可一旦涉及網(wǎng)絡(luò)和通信就遇到了瓶頸。幾乎所有通信堆棧和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都采用 16 位或 32 位，因此不必考慮 8 位架構(gòu)。此外，即便是高端 8 位微控制器也往往局限于 16 位尋址，不具備分頁機(jī)制，限制了固件的大小和復(fù)雜性。

另一方面，32 位微控制器在所有高性能應(yīng)用中廣泛應(yīng)用。基于寄存器的架構(gòu)可輕松支持網(wǎng)絡(luò)和通信；通常使用 32 位尋址，支持浮點(diǎn)運(yùn)算和高等代數(shù)運(yùn)算，并且時(shí)鐘速率可達(dá)千兆赫級(jí)。32 位內(nèi)核具有更復(fù)雜的編程模型，包括多個(gè)狀態(tài)寄存器、固件可訪問的 PC、復(fù)雜的中斷管理以及兩層或多層固件執(zhí)行權(quán)限。

16 位微控制器雖都基于寄存器，但架構(gòu)同 8 位內(nèi)核一樣簡(jiǎn)單。因此，16 位內(nèi)核往往都具有良好的低功耗性能，電流消耗明顯低于 32 位架構(gòu)，功耗則幾乎與 8 位內(nèi)核一樣低。如果應(yīng)用需要進(jìn)行高等數(shù)學(xué)運(yùn)算，一些 16 位微控制器具有數(shù)學(xué)協(xié)處理器，在相同的內(nèi)部時(shí)鐘速度下其數(shù)學(xué)性能可與 32 位內(nèi)核媲美。

此外，許多通信協(xié)議棧都支持 16 位微控制器聯(lián)網(wǎng)。對(duì)于以太網(wǎng)、CAN、USB 和 Zigbee 等協(xié)議棧，只要應(yīng)用程序代碼的性能足以支持堆棧，那么使用 16 位微控制器的運(yùn)行速度可與 32 位微控制器一樣快。

使用 16 位微控制器進(jìn)行大型閃存陣列尋址

32 位與 16 位架構(gòu)的一大差異在于存儲(chǔ)器尋址范圍。32 位微控制器具有 32 位地址總線，可以訪問高達(dá) 4 GB 的存儲(chǔ)器。傳統(tǒng) 16 位微控制器使用 16 位尋址，只能訪問 64 KB 的存儲(chǔ)器。不過，如今許多 16 位架構(gòu)都使用高達(dá) 24 位的擴(kuò)展尋址，相當(dāng)于擴(kuò)充了 16 MB 的地址空間。

Microchip Technology 的低功耗PIC24F微控制器系列是擴(kuò)展尋址方式的典型范例。其中一款微控制器PIC24FJ1024GA，32 MHz 的 16 位微控制器具有 1 MB 的板載閃存和 32 KB 的板載 SRAM，使用類似于許多 8 位微控制器的簡(jiǎn)單編程模型（圖 1）。

圖 1：Microchip 的 PIC24F 編程模型類似于高端 8 位微控制器，采用基于寄存器的架構(gòu)，具有 16 個(gè)通用 16 位寄存器、堆棧指針、PC 和 5 個(gè)輔助寄存器。（圖片來源：Microchip Technology）

PIC24 具有 23 位程序計(jì)數(shù)器，可以訪問高達(dá) 8 MB 的程序閃存。16 個(gè) 16 位寄存器，稱為工作寄存器 (WREG)，記作 W0 至 W15：W0 至 W13 寄存器是通用寄存器 (GP)，可在固件控制下用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；W15 是專用堆棧指針 (SP)，除了可以通過函數(shù)和子例程調(diào)用、編程異常處理和調(diào)用返回使其自動(dòng)遞增和遞減外，SP 也可如 W0 至 W13 寄存器一樣通過固件修改。

使用 LINK 和 UNLINK 匯編指令可將 W14 用作堆棧幀指針 (FP)。堆棧指針限制寄存器 (SPLIM) 是一個(gè)獨(dú)立寄存器，可與 SP 配合使用以防止堆棧溢出。

PIC24 采用具有獨(dú)立地址和數(shù)據(jù)空間的哈佛架構(gòu)。與特殊指令配合使用，數(shù)據(jù)表頁地址 (TBLPAG) 寄存器和程序空間可視性頁地址 (PSVPAG) 寄存器可用于訪問并在地址和數(shù)據(jù)空間之間傳輸數(shù)據(jù)。這是 32 位架構(gòu)的常用功能，但 8 位內(nèi)核卻鮮少具備。

16 位重復(fù)循環(huán)計(jì)數(shù)器 (RCOUNT) 寄存器包含循環(huán)計(jì)數(shù)器，可用于 REPEAT 匯編指令。

16 位 CPU 內(nèi)核控制 (CORCON) 寄存器用于配置 PIC24 內(nèi)核的內(nèi)部操作模式。

最后，16 位狀態(tài)寄存器包含 PIC24 內(nèi)核狀態(tài)的工作狀態(tài)位，包括上次執(zhí)行匯編指令所產(chǎn)生的結(jié)果狀態(tài)。

根據(jù) Microchip Technology 對(duì) PIC24FJ1024GA606T 的性能評(píng)定，工作頻率為 32 MHz 時(shí)可達(dá) 16 MIPS。對(duì)于 16 位內(nèi)核而言，這一指標(biāo)著實(shí)令人印象深刻。該內(nèi)核具有 32 位微控制器的許多功能，例如同時(shí)支持分?jǐn)?shù)運(yùn)算的 17 位 × 17 位硬件乘法器以及 32 位/16 位硬件除法器。對(duì)于需要對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)而言，這些功能相當(dāng)管用。此外，該架構(gòu)還可以同時(shí)讀寫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，卻絲毫不影響性能。

雖然 PIC24FJ1024GA606T 具有 USB OTG 等多種標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，但在電池供電應(yīng)用中其功耗相當(dāng)?shù)汀Ｋ璧墓╇婋妷簝H為 2.0 V 至 3.6 V，微控制器以 32 MHz 的工作頻率全速運(yùn)行時(shí)電流消耗最大值為 7.7 mA，換作是 32 位內(nèi)核則極難實(shí)現(xiàn)這一指標(biāo)。通過固件可以控制核心和外設(shè)時(shí)鐘。目前有兩種使器件進(jìn)入低功耗模式的匯編指令：IDLE 指令使 PIC24 內(nèi)核停止運(yùn)行，但外設(shè)可以繼續(xù)工作；SLEEP 指令將停止除看門狗（可選）和外部中斷檢測(cè)外所有器件的操作。空閑模式下，最大電流僅為 2.8 mA，而休眠模式下，最大電流范圍為 10 至 45 μA，具體取決于外設(shè)配置。在最低功耗模式，即休眠模式下，仍保存隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (RAM) 中的內(nèi)容，PIC24F 的消耗電流低至 190 nA。

為了獲得更高的性能，Microchip Technology 在dsPIC?系列中推出高端 16 位微控制器。Microchip 的dsPIC33EP512GP506T是其中一款 16 位 70 MIPS 微處理器，具有 512 KB 的閃存。dsPIC 的內(nèi)核寄存器與 PIC24 大致相同，只是增加了支持數(shù)字信號(hào)處理 (DSP) 指令的寄存器，包括兩個(gè) 40 位累加器且支持 32 位乘法。如需對(duì) PIC24 進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)升級(jí)，PIC24 微控制器大多可以進(jìn)行引腳兼容的 dsPIC 升級(jí)，因而使用同一塊印刷電路板亦可提高性能。

當(dāng)然，性能越高，功率也就越大。這款 dsPIC33 的供電電壓為 3.0 至 3.6 V，運(yùn)行速度達(dá) 70 MIPS 時(shí)，最大電流為 60 mA。

降低功耗，提高性能

Texas Instruments 的MSP430FR599x微控制器系列采用該公司的鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (FRAM) 程序存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)更高的讀/寫性能，而功耗較之閃存微控制器更低。MSP430FR5994IPNR16 位微控制器是該系列產(chǎn)品之一，時(shí)鐘頻率達(dá) 16 MHz，具有 256 KB 的 FRAM。

MSP430FR 微控制器內(nèi)核的性能增強(qiáng)功能包括雙向關(guān)聯(lián)緩存（由四個(gè)行寬為 64 字節(jié)的緩存塊組成），從而實(shí)現(xiàn)更高的 FRAM 性能；32 位硬件乘法器可提高數(shù)學(xué)密集型操作的性能；以及獨(dú)立于 MSP430 主內(nèi)核的低能耗加速器 (LEA) 協(xié)處理器。該 LEA 可執(zhí)行 256 點(diǎn)復(fù)數(shù)快速傅立葉變換 (FFT)、有限沖激響應(yīng) (FIR) 濾波器和矩陣乘法。根據(jù) TI 的介紹，矩陣乘法的運(yùn)算速度比Arm? Cortex?-M0+ 最多快 40 倍。該 LEA 可提高傳感器融合操作、圖像增強(qiáng)和超聲波傳感器數(shù)據(jù)處理的性能。面對(duì)這些應(yīng)用時(shí)，開發(fā)人員通常都優(yōu)先考慮 32 位內(nèi)核，而非超低功耗的 16 位微控制器。

MSP430R 的編程模型非常簡(jiǎn)單（圖 2），共有 16 個(gè) 16 位寄存器 R0 至 R15：R0 是程序計(jì)數(shù)器，R1 是堆棧指針，R2 是狀態(tài)寄存器，R3 是常數(shù)發(fā)生器（用于立即操作數(shù)），R4 至 R15 是通用寄存器。其他寄存器配置則采用內(nèi)存映射方式，與多數(shù) 32 位內(nèi)核類似。

圖 2：MSP430 微控制器寄存器組配置與其他基于寄存器的 16 位內(nèi)核類似。其他寄存器配置則采用內(nèi)存映射方式。（圖片來源：Texas Instruments）

雖然提高了性能，卻絲毫沒有增加功耗。待機(jī)模式下，TI 的 MSP430FR5994 以實(shí)時(shí)時(shí)鐘 (RTC) 運(yùn)行，電流消耗僅為 350 nA。關(guān)斷模式下，電流消耗僅為 45 nA。這一指標(biāo)低于目前市面上任何一款 32 位微控制器，甚至低于多數(shù) 8 位微控制器。

MSP430FR5994IPNR 的工作電壓范圍為 1.8 至 3.6 V。固件以 FRAM 運(yùn)行而緩存命中率為零時(shí)，MSP430FR 的電流消耗僅為 3 mA。若從緩存運(yùn)行代碼，則電流消耗僅為 790 μA。結(jié)合 LEA，這款 16 位微控制器可提供極高的處理性能和極低的功耗。

通過 TI 的MSP-EXP430FR5994 LaunchPad? 可輕松開發(fā) MSP430FR5994 系列的低功耗應(yīng)用。該 LaunchPad 開發(fā)套件包含了開發(fā)人員著手 MSP-EXP430FR5994 微控制器編碼和固件調(diào)試所需的一切（圖 3）。

圖 3：TI 的 MSP-EXP430FR5994 LaunchPad 具有開發(fā)人員著手 MSP-EXP430FR5994 16 位 FRAM 微控制器編碼和固件調(diào)試所需的一切。（圖片來源：Texas Instruments）。

該 LaunchPad 具有兩個(gè)按鈕、兩個(gè) LED 和一個(gè) microSD 卡插槽。為了證明 MSP430FR5994 微控制器的低功耗性能，該 LaunchPad 具有 0.22 F 的超大電容為 LaunchPad 供電。將 LaunchPad 接入外部電源并將跳線 J8 設(shè)置為“充電”，即可為電容充電。只需 2 至 3 分鐘就可將電容完全充滿。三分鐘后，將跳線 J8 設(shè)置為“使用”，移除外部電源，MSP430 即可運(yùn)行數(shù)分鐘，具體視應(yīng)用而定。

此外，該 LaunchPad 還可用于測(cè)量 MSP430 及其應(yīng)用的電流消耗。J101 隔離塊具有包括 3 V 電源跳線 3V3 在內(nèi)的七根跳線。移除跳線 3V3，即可通過這兩個(gè)引腳測(cè)量應(yīng)用的電流。

該 LaunchPad 還支持 TI 的 EnergyTrace? 技術(shù)，可以連接計(jì)算機(jī)使用 Texas Instruments 的EnergyTrace 圖形用戶界面(GUI)，使開發(fā)人員能夠?qū)崟r(shí)觀測(cè) MSP430 微控制器和應(yīng)用的功耗數(shù)據(jù)，從而微調(diào)應(yīng)用以實(shí)現(xiàn)最低功耗。

例如，實(shí)時(shí)電流監(jiān)控和記錄可以顯示 MSP430 微控制器的電流消耗偶爾出現(xiàn)激增。電流激增會(huì)降低電池質(zhì)量，縮短電池壽命。電流激增可能緣于片上外設(shè)的錯(cuò)誤配置、外部電感或電容負(fù)載，甚至是由于固件試圖同時(shí)啟動(dòng)所有功能。通過電流監(jiān)控和記錄，開發(fā)人員可以明確應(yīng)該如何調(diào)整固件，從而控制尖峰電流。

總結(jié)

對(duì)于許多低功耗、中等性能的電池供電嵌入式應(yīng)用而言，開發(fā)人員可以選擇合適的 16 位微控制器，而非 32 位內(nèi)核。如上所述，在許多應(yīng)用中，16 位微控制器的功耗比 32 位內(nèi)核低得多，卻仍然可以實(shí)現(xiàn)所需的性能。