小型微控制器可以適應緊湊的空間并很好地完成所需的目的，但幾乎按照定義，它們將受I/O限制。即使是小型6引腳微處理器，其中一個解決方案是使用串行總線或移位寄存器來擴展可用的I/O量。具有并行總線的稍大的部件可以使用外部多路復用器和鎖存器以及地址解碼和讀/寫信號。這些方法可以很容易地一次按8，16或32位的塊擴展I/O量。

問題是這些解決方案需要更多芯片，特殊代碼塊來移位和寫入（或讀取），并且可能會引入延遲時間。雖然較小的微處理器可以比較大的部件便宜，但是當你將分立式鎖存器，解碼器，多路復用器，解復用器，采集成本和部件所有權的所有成本加起來，加上每個器件的插入成本，成本方面它既可以是洗滌，也可以使用較大的包裝而不是較小的包裝。

本文介紹具有高I/O引腳數的16位微控制器。我們將檢查一些提供I/O數量為100或更多的部件，以及一些具有增強性能的特殊功能的部件。在此過程中，我們將指出只有外部部件可以解決的好處和限制。

優點和缺點有時候，帶有外部鎖存器或邏輯的小型微處理器可以做大型部件無法做到的事情。例如，散布在印刷電路板（PCB）周圍的混合I/O信號電平可能需要特定的電平移位器，這種電平移位器在本機方式中很少支持微支撐（如LVDS）。當開路集電極部分偏置在較高電壓電平時，電平轉換到較高電壓輸出非常容易。輸入電平可以通過電阻器被動衰減，但在高速時，電流限制會延長上升和下降時間，因為結電容成為一個更普遍的問題。這里可以更好地使用活動緩沖區。

高I/O部件也可能導致路由問題。當大量I/O散布在電路板周圍時，將并行總線和來自中央處理器的信號路由到各種鎖存器或緩沖器會導致一點一點的信號偏移，并且可能需要額外的布線層。這增加了PCB的成本并且還可能影響可靠性。使用如此密集布線的電路板，調試和故障排除可能是一場噩夢（圖1，左）。

圖1：可以使用外部并行鎖存器和驅動器來擴展I/O（左）的較小的微控制器可能需要額外的PCB層，因為需要很多跡線。串行方案（右）可以解決這個問題，但會引入延遲時間。

使用高速串行總線，只有來自中心微處理器的少量信號需要以菊花鏈方式穿過PCB區域。鎖存器的所有輸出同時改變，幾乎消除了信號到信號的偏斜和抖動。這也極大地簡化了PCB布線（圖1，右圖）。端點可能需要終止。

大多數大型微型計算機的最大限制是用于直接連接到功率LED和執行器的更高驅動信號的數量。 8位7段LED顯示器可能需要8個高電流吸收器和7或8個高電流源線，以滿足多路復用共陽極顯示器的需求。這可能是很多電流通過微型電路，因此，具有更高驅動能力的外部鎖存器，驅動器和多路復用器可能是更好的選擇。

盡管如此，有時候具有大量I/O的中央處理器是更好的解決方案。首先，可以通過微加電非常快速地設置上電狀態，并且通常更具確定性。觸發器和鎖存器可以在隨機狀態下上電，這在驅動功率信號時可能是一個問題，尤其是正交和H橋，如果突然處于錯誤狀態，則可能導致過大的電流。

另一個好處是更嚴格地控制I/O狀態。高值電阻上拉（或下拉）可以消耗非常小的電流，尤其是當微型I/O線處于三態模式時。對于功耗敏感的設計來說，這是理想的情況，特別是如果微型器件長時間處于休眠狀態并且I/O電平需要保持靜態。

一些例子

通常情況下，功能組合以及高而靈活的I/O計數將決定一個部件是否合適。許多芯片制造商的部件提供高引腳和I/O數，具有各種時鐘速度，存儲器資源，外設和性能。一些脫穎而出。

以144引腳LQFP中的16位80 MHz Freescale MC9S12XD256CAG為例。這款性能相對較高的處理器是該公司S12內核的增強版，性能是之前25 MHz器件的五倍。

可用的119個I/O引腳（其中25個可產生中斷）可實現標準外部總線接口，用于與外部存儲器或TFT等外設的高速并行連接。相當獨特的是該公司的內部XGATE協處理器，它可以將閃存，EEPROM，RAM或外設數據輸出到I/O引腳和從I/O引腳輸出（圖2）。這是一個獨立的并行處理器，可以卸載主CPU并自動提供高速數據傳輸和處理。

圖2：一旦設置完成，XGATE協處理器就可以自動卸載核心CPU以實現許多I/O功能。數據可以來自或轉到外設，I/O，RAM，ROM，EEPROM等。

該器件可在5 V和3.3 V環境中運行，并具有CAN總線接口，24個10位A/D通道，PWM，多個串行接口，片上穩壓器，時鐘頻率發生器等功能和外設（最多256個頻率），等等。還提供了強大的調試和開發鉤子。

另一個有趣的16位器件是瑞薩的176引腳LFBGA封裝的H8S系列128 I/O DF2117VBG20V。如圖3所示，這些高I/O部件包含許多外設和功能。高引腳數器件專為3至3.6 V工作而設計，還具有多個串行接口，如UART，IIC，LIN和CSI，以及16個10位A/D通道。

圖3：許多I/O線為很多外圍設備和資源打包高I/O設備提供了大量機會。靈活的總線架構可以為在高速設計中移動數據提供更好的性能。

這些8至20 MHz器件還針對數據移動應用，并提供靈活的DMA和數據傳輸控制，內置多達85個通道。這允許單個中斷啟動并發或后臺數據傳輸操作，而其他塊正在處理，休眠或關閉。當然，I/O可以是并行數據傳輸的源或目標，因此實現多個總線的設計可以從大量I/O和快速，高效的數據傳輸機制的組合中受益。

另一個值得關注的特性是，有多達40個引腳設計用于驅動或吸收LED驅動器的大量電流。這可以為多路復用或直接驅動的數字或字母數字LED顯示屏節省外部解碼器和驅動芯片。

STMicroelectronics也在這個領域中發揮作用。查看具有111 I/O的32-MIPS，144引腳ST10F276Z5Q3和全24通道10位A/D轉換器。雖然只有一個5伏的部分（但核心運行在1.8 V），該公司ST10系列的成員還包含兩個CAN總線，UART，I2C端口，捕獲/比較單元，以及廣泛的布爾和位操作功能，包括能夠按位逐位配置輸出端口引腳，用于推挽，開漏，CMOS，TTL或三態。另請注意，分區為8位，15位和16位端口以及外部總線接口設備的總線控制信號（圖4）。

圖4：端口分區和外部總線接口信號與24通道A/D輸入相結合，使ST10器件成為高I/O混合信號設計的理想選擇。雖然許多需要大量I/O的嵌入式控制設計可能也不需要繁重的數字計算器，但是一些基于算法的PID和反饋控制系統可以通過添加專用的固定和浮點硬件而受益匪淺。以60-MIPS，120-I/O，144引腳，16位Microchip DSPIC33EP256MU814-I/PL為例，它直接針對高性能電機控制（圖5）。該芯片是Microchip dsPIC33E電機控制系列數字信號控制器（DSC）的成員，具有帶集成DSP和增強型片上外設的dsPIC DSC內核。

圖5：Microchip電機控制器部件可以處理過程密集型應用，同時監控和控制大量I/O.這些設備非常適用于洗衣機，烘干機和洗碗機等設備，這些洗衣機可能具有用戶界面，鍵盤，按鈕和顯示器以及電源控制，電機，轉速計和傳感器的高I/O.

I/O連接到專用MOSFET或IGBT驅動器電路，片上傳感器接口可實現快速可靠的位置，速度，方向和功耗。此外，輸入部分具有多達32個A/D通道（10和12位），允許并行信號控制或串行通信電機控制，包括扭矩。

該部件的改進型哈佛DSP架構具有雙周期操作，可實現單周期操作，并具有高達60 MIPS的性能。其架構針對C編碼進行了優化。單電源部分具有雙40位累加器，有助于PID控制環路，包括片上EEPROM和閃存。

到目前為止，我們已經討論了低于100 MHz的器件，因為它們最常用于通用設計。對于那些需要更高性能和更高級別外設和連接的用戶，德州儀器（TI）提供基于337針Hercules 220MHzARM?Cortex?的RM48L952ZWTT以及以太網和120 I/O.借助該MCU，TI的目標是高端醫療應用，如除顫器，輸液泵，呼吸機和機器人手術。有關TI Hercules處理器的產品培訓模塊概述，請訪問Digi-Key網站。

下一步

本文重點介紹了一些示例MCU，它們具有超越簡單輸入和輸出指令的優點。這些部件可以通過發揮高級功能來簡化開發時間，從而簡化從電路板布局到算法編碼的所有功能。工程師需要做一些研究才能找到具有正確混合通信，傳感器和用戶界面外圍設備的部件。