微控制器：小封装多功能

微控制器：小封装多功能

     不要轻信关于32位和64位处理器天花乱坠的广告宣传；事实上，现时的8位微控制器仍然是用得最普遍的。据康纳斯(Cahners)的In-Stat集团报告，8位微控制器销售额今年将达到48亿美元。这个数字将远远高于原来预计的16位处理器销售额36亿美元和32位的4.52亿美元。当你把销售总额折换成销售单价时，结果会更加令人惊奇，因为8位器件的平均售价更低。据说，8位微控制器普及的原因不只是因为器件成本较低，与其相关的开发工具也并不贵，而且8位的器件用起来也更容易。半导体器件厂家正在设法给他们的8位产品注入新的生命活力。这就可能会提供新的功能空间，为设计工程师们提供使用8位微控制器的新天地。
    
     当笔者在准备行文之前时，曾对微控制器生产厂厂家做过一次调查。调查中第一个问题，也许是最重要的问题，是关于价格问题。笔者向15个微控制器厂询问了他们8位器件的最低价格。但首先要说明的一点是，当你谈论价格尤其是大量销售的单价时，价格可能就变成了一种游戏。
    
     正像一家厂商所说的那样，“我为什么要公布我的最低价，好让买量少的客户发疯地与我讨价还价呢？这会使本不打算与我们使劲讨价的买主，下次也有理由与我们讨价还价了”。这个说法解释了批量的范围是10000到1000000。
    
     另外值得指出的一点是，你花多少钱就买多少货。Zilog公司的Z8E000是价格最低的器件，但它的性能不能与外国封装型Philips公司的P87LPC 762BN或Motorola公司的MC68HC908GP32器件相比。虽然Philips公司的器件比Zilog公司的贵3倍，但是不要忘记，价格在谈判桌上是可变的。
    
     闪速器件并未闪亮
    
     在任何嵌入式系统的设计中，存储器都是最重要的一环。许多用8位微控制器做的嵌入式系统由于制造工艺的不断改进使得用较低的成本便可提高片上的存储器的数量。
    
     对于半导体器件制造商来说，ROM的制造工艺复杂性最小，从而使半导体器件的制造成本也最低。虽然对于量大而又要求稳定的应用项目ROM是有用的，但一次可编程（OTP）存储器对于用量小的应用项目却更有优势，这是因为系统制造商可以作为标准产品来购买这些存储器。通过利用尚未使用的存储器单元，OTP使你能进行一定限度的现场升级。除了价格更昂贵的EEPROM外，闪速存储器虽有成本高、编程慢等弱点，但却提供最大的灵活性。当然，闪速存储器的灵活性也提出了各种挑战，因为系统复杂性不断提高，不要求有系统内的重编程能力。例如，你必须设计自己的系统使之能适应某些异常现象，如现场升级期间，调制解调器是接上或是断开。
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     调查中的询问微控制器厂家的第二个问题是关于存储器备选品种的提供和策略问题。从调查结果可以明显的看出，在多数厂家决心设法降低成本并提高密度时，闪速存储器成了问题的焦点。
    
     日立公司宣称，其闪速器件生产工艺已成熟，不会拉嵌套EPROM价格的后腿。结果，该公司就用闪速器件取代老式的EPROM微控制器，这种新的8位微控制器，有高达60千字节的闪速存储器。另外，日立公司也已经用闪速器件取代了OTP控制器。NEC公司也采取了同样的作法，虽然NEC宣称掩膜ROM在几年内还会是性能价格比最好的器件。但该公司还在其8位器件内提供高达60千字节的ROM。Atmel公司是闪速器件的另一家强大的支持者，Atmel称，他们用闪速工艺做的8051和AVR微控制器，卖价与掩膜ROM一样。
    
     摩托罗拉公司也意识到，8位系统的众多设计师日益要求更多的闪速器件，因此，它与AMD公司的开发部门联手共同努力降低制造成本。除制造成本外，闪速器件的另一个大问题是编程成本。摩托罗拉公司用闪速器件做的HC08器件带有闪速线（Flashwire），这是一种单根通信线的方式，使你能很快地就在生产线上编程，而不要什么特别的模式或以类似VDD的高压来操作。摩托罗拉公司的第二代闪速器件体现在68HC908GP32器件上，它含有64字节的编程程序，编程时间最少2ms。另外，这种制造工艺还支持多到10000个擦除周期。
    
     东芝公司虽然也相信闪速存储器的价值，但却又是为数不多的提供8位无闪速产品的厂家之一。该公司计划今年提供片上闪速器件，并采用单片式，或“整体可擦除”方案以降低裸芯片的尺寸。不过，东芝公司也相信，其掩膜ROM器件会是支持96千字节和更大ROM的，占领占优势地位的存储器类型。Infineon公司的结论也是掩膜ROM会主宰其8051型微控制器。该公司承认，闪速器件制造工艺，以及产量等，在ROM数量相同时，成本要高得多。
    
     Microchip公司却极力推崇他的“可移植存储器”（Migratable Memory）技术。这种技术在其等效的ROM、OTP和闪速存储器微控制器之间，提供插座和软件兼容功能。“可移植存储器”技术意味着该公司对ROM、OTP和闪速存储器内的逻辑晶体管，用的是同样的电性能规范，都是该公司的0.7μm工艺。
    
     Microchip公司抱怨闪速存储器编程时间太长，为10ms，而相对EPROM器件每个单元编程时间只为10μs。制造商必须有整体编程能力。而且要比OTP器件要求的能力要高得多。此外，对于小的闪速存储器阵列，设计也不能分摊行和列解码要求的额外逻辑。
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     如果你计划使用的存储器数量，比你在微控制器上所能利用的还多。就可以通过扩展片子来扩展微控制器的能力。例如，Waferscale公司用闪速器件做的PSD8XXFIC，就提供各种外部存储器和逻辑器件的组合。这种IC提供256千字节的闪速存储器、一个可选的闪速存储器或EEPROM的32千字节第二阵列，多达8千字节的SRAM、一个3000门的CPLD和额外的I／O接口。PSD8XXF器件有一个内设的接口，可以用来配置使之与任何8位的CISC微控制器连接，包括那些有脉冲和页面结构的器件共同运行。还有一个JTAG口，可用于初次编程和后续的现场升级。
    
     外设前景高抬了8位器件
    
     在8位微控制器领域，厂家提供的集成外设类型，关系到设计的成败。虽然有些外设，如定时器和基本串行口，都是多数器件上的标准件，但每个厂家一般都提供有特别功能的微控制器。许多厂家推荐多数应用项目要求的模／数转换器(ADC)。如Atmel、Infineon、东芝以及一些其他的公司都提供快速的10位ADC。Infineon公司声称其转换时间可以低到6μs，工作电压为0到5V时，精度在5至10mV以内。Microchip公司自称是唯一一家能在8位微控制器上提供12位分辨率的ADC；该公司的PCI16C770和PIC16C771型器件都以20引脚封装形式提供。
    
     另一种人们熟知的外设是控制器／区域／网络（CAN）接口。Dallas半导体公司对其用8051做的微控制器提供一个双CAN接口。这个特性使片子在大型的CAN网络中起桥联作用。其接口也支持Device Net规范，这是一种高级的CAN规约。Infineon的CAN接口提供CAN2.0B技术规范的全部特性。许多公司包括Microchip、摩托罗拉和STMicroelectronics，也提供CAN控制器。
    
     Cypress Semiconductor公司的8位产品集中用在“通用串行总线”（USB）接口上。该公司提供低档的CY7Cxxxx和EZ-USB。对于1.5Mbps USB的应用，CY7Cxxxx使用一个Cypress开发的8位结构，为手动接口器件（HID）市场配套，包括鼠标、键盘和操作杆，由于USB应用要求完全的12Mbps的速率，因此，Cypress公司把这个接口与一个24MHz8051片芯和用RAM做的EZ-USB组合在一起。这个系列有一个智能的USB片芯，把USB作业的90％从8051卸载转移。该公司还设计了三种方式对8051固件加载。一种有意思而且也很独特的对8051固件下载的方法，是在加电或计数的过程中通过USB口。Infineon、STMicroelectronics以及其他的公司，也提供USB外设。与Cypress公司的产品相类似，Infineor公司的USB接口也支持全速和低速的USB通信。
    
     还有一种与8位器件有意思的牵连关系，使用户能动态地产生自己的外设。例如Triscend公司用8051做的Fastchip，使你能把从器件库拿来的外设模块就放在专用处理器片芯的周围，并用Triscend FPGA式的半导体器件安装新设计。Scenix半导体公司也允许用户以动态方式生成外设，并以虚拟外设方法用软件而不是硬件实现外设功能。该公司提供的虚拟外设模块包括UART、多主机I2C功能和双音调多频率检测。Scenix公司还提供一个虚拟外设网络连接规约堆栈，以便直接上英特网。
    
     根据Forward Concepts工业分析公司总裁Will Strauss的说法，Scenix公司的微控制"似乎有能力体现规约的全部功能，提供一个物理接口，同时还运行应用程序"，不过他本人又说没有验证过这个事实。SX堆栈能与任何Web浏览器通信，并使你能收发电子邮件。堆栈有带"传送控制规约／英特网规约"的物理接口层，使系统设计师不用外部物理存取片子或网关PC，就产生嵌套式的英特网器件。
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     真正的SOC
    
     今年的“时髦话”好像是“片上系统”（SOC）。但是，半导体器件的销售人员却做手脚歪曲了这个术语的本身含义。就某种意义上说，在同一块裸芯片上再注入几种功能使之变成一个处理器芯核，就构成了一个SOC在8位处理器中，成本几乎高于一切，“片上系统”就是术语的字面本义。除了成本低以外，SOC的其他附带好处，还包括了缩小PC板占用面积、功耗低、EMI小和可靠性高等多种优越功能。为了充分利用这些特性，除了用几个电阻、电容、电源模块和接插件等之外，厂家常常把整个系统就放在一块芯片上。
    
     系统成本与许多因素有关。你可以减少或取消外部器件，办法是在I／O引脚设置可编程提升，以帮助取消外部电阻器，同时也消除了在板上焊接的成本。摩托罗拉、STMicroelecytronics以及其他公司，都提供在I／O引脚上降低大电流和吸取电流源的能力，这样做可以帮助用户不使用外部驱动器。另外，一个8位器件应该也有相邻的VDD和VSS引脚，以便易于连接旁通电容器。
    
     器件上还应该集成上可编程低压复位电路，以省下使用外部监视电路（成本约0.25美元）或更多的费用，同时也可以防止供电部门为节电降压而引起的系统闭锁问题。摩托罗拉公司的HC08器件有一种双选低压接口选择，可用于3V或5V系统。STMicroelectronics公司提出三级低电源电压检测。Microchip公司提供的可编程低压检测，使用户能用软件对系统电平选择低