使用优化型 8 位微控制器简化资源受限型器件的设计

对于电动工具、个人卫生用品、玩具、电器和照明控制装置等功耗和空间受限设备的设计人员来说，采用传统上的 8 位微控制器单元 (MCU) 就足够了。然而，随着应用的不断发展，他们需要更高的速度、更强大的外设选项和软件开发工具。迁移到 16 位或 32 位替代方案可能会有所帮助，但往往要以更大的封装尺寸和更高的功耗为代价。

为了解决这些问题，设计人员可以利用基于 8051 架构 MCU，这些 MCU 将 16 位和 32 位处理器的许多优点带到了 8 位处理器领域。这些处理器的封装小至 2 x 2 mm，同时提供现代开发环境。

本文简要介绍 8051 架构及其对资源受限应用的适用性。然后介绍 Silicon Labs 基于 8051 的 MCU 系列，描述主要子系统并说明每个子系统如何应对关键设计挑战。文章最后讨论硬件和软件支持。

为什么使用 8051 架构？

为空间高度受限的应用选择 MCU 时，8 位处理器（如久负盛名的 8051）的优势众多，如占用空间小、功耗低和设计简单。然而，许多 8051 处理器的外设相对简单，成为它们能否适用特定用的瓶颈。例如，低分辨率模数转换器 (ADC) 无法满足医疗设备等高精度应用的需要。

相对较慢的时钟也可能是一个问题。典型的 8051 MCU 工作时钟频率为 8 MHz 至 32 MHz，旧设计需要多个时钟周期来处理指令。这种低速率会限制 8 位 MCU 支持实时操作的能力（如精确的电机控制）。

此外，8051 处理器的传统软件开发环境也不符合现代软件开发人员的期望。如果再加上 8 位架构的固有限制，就会导致编码过程缓慢而令人沮丧。

传统 8 位处理器的局限性可能会导致开发人员考虑迁移到 16 位或 32 位 MCU。虽然这些 MCU 具有强大的计算能力、高性能外设以及现代软件环境，但其体积也相对较大。这使得将这些器件集成到空间受限的设计中更具挑战性，可能会延误开发或增加设计规模。

与 16 位和 32 位微控制器相关的代码量和功耗的增加也会导致设计达不到最优。对于许多不涉及复杂数学的应用来说，这些缺点尤其成问题，因为在此类应用无法提现这些处理器的先进功能优势。

这些权衡的理想点在项目开始时可能并不明显，而在设计中期更换处理器可能会延误开发，或影响产品的尺寸或功能。因此，许多空间受限的设计可以采用功能更强大的 8051 架构 MCU，该器件将 16 位和 32 位处理器的许多优势带到了外形紧凑的低功耗 8 位处理器领域。

EFM8BB50 为 8 位 MCU 带来更多功能

Silicon Labs 在设计 EFM8BB50 系列 8 位 MCU 时考虑了这些因素（图 1）。这些 MCU 的性能更强，具有先进的外设和现代软件开发环境。

图 1：所示为 EFM8BB50 MCU 的框图。（图片来源：Silicon Labs）

MCU 的核心是 CIP-51 8051 内核，它是 Silicon Labs 实现的 8051 架构，经过优化，可提高性能、降低功耗并增强功能。其表现尤其值得一提。EFM8BB50 的内核速度高达 50 MHz，70% 的指令可在一个或两个时钟周期内执行。这使得该 MCU 的性能大大高于传统的 8 位处理器，为从而开发人员开发更复杂的应用提供了更大的发挥空间。

体积小也是这些 MCU 的显著特点之一。该系列的 16 引脚变体（如 EFM8BB50F16G-A-QFN16）采用小至 2.5 mm x 2.5 mm 的封装。12 引脚版本（如 EFM8BB50F16G-A-QFN12 ）甚至更小，封装尺寸可小至 2 mm x 2 mm。

尽管 EFM8BB50 MCU 的尺寸很小，却拥有一系列令人印象深刻的功能，具体包括

• 12 位 ADC，这对于需要精确传感器数据的应用来说至关重要
• 集成温度传感器，可使 MCU 无需外部元件即可监控其内部温度或环境温度
• 具有脉宽调制 (PWM) 功能的三通道可编程计数器阵列 (PCA)，可产生 PWM 信号，用于电机控制和 LED 调光等应用中的可变输出控制
• 具有死区时间插入 (DTI) 功能的三通道 PWM 引擎，可增加对电机驱动器或电源转换器等电力电子设备的控制功能

其他输入/输出 (I/O) 包括各种串行通信接口、一组 8 位和 16 位定时器以及四个可配置逻辑单元。该 MCU 系列的所有引脚都支持 5 V 电压，数字 I/O 可灵活分配，以充分利用有限的引脚。

高级电源管理

EFM8BB50 集成了多项能源管理功能，可优化功耗并延长电池寿命。首先是多种功耗模式，包括闲置模式，这种模式可降低内核时钟速度，同时保持外设运行。停止模式则更进一步，在保留 RAM 和寄存器内容的同时，停止内核和大多数外设。某些外设可以设置为从停止模式唤醒内核，这有利于主要地保持低功耗状态的事件驱动型应用。

灵活的时钟选项会进一步帮助节能。具有精密的内部振荡器，在许多情况下无需外部晶体振荡器，从而降低了总功耗。MCU 还支持时钟门控，可选择性地禁用各种外设时钟，使开发人员能够关闭不使用的外设。

外设设计还考虑到了能效。最值得注意的是，可配置逻辑单元 (CLU) 可以独立执行简单的逻辑功能，从而减少了将内核从低功耗模式唤醒以执行简单任务的需要。此外，低能耗 UART（LEUART）可在禁用主振荡器的电源模式下运行，允许在低功耗状态下进行串行通信。

支持直观的软件开发

开发人员可以在 Silicon Labs 的 Simplicity Studio Suite 环境下为 EFM8BB50 系列构建软件。该环境用于 8 位 EFM8BB50、公司的 32 位 MCU 及其无线片上系统 (SoC)。因此，开发人员拥有了一个现代软件环境，可获得他们所期望的更强大的处理器功能。例如，该环境提供了能耗分析器，可实时对代码进行能耗分析器（图 2）。

图 2：Simplicity Studio 包含一个能耗分析器，可实时分析代码能耗。（图片来源：Silicon Labs）

这些工具在一个集成开发环境 (IDE) 内构建，该环境包含行业内标准的代码编辑器、编译器、调试器和一个用户界面（UI）引擎，可用于开发现代响应式界面。通过该开发环境，可访问具体设备的网络和 SDK 资源，以及专门的软件和硬件配置工具。

Simplicity Studio 还支持 Silicon Labs Secure Vault。Secure Vault 是一款非常先进的安全套件，具有 PSA 3 级认证，有助于设计人员加固物联网 (IoT) 设备，保护其攻击面免受不断升级的网络威胁，同时符合不断发展的网络安全法规。

快速开始使用评估套件

有兴趣尝试 EFM8BB50 的开发人员可以考虑图 3 所示的 BB50-EK2702A 探索者套件。该套件外形小巧，与试验板大小一致，便于安装到原型系统和实验室硬件上。该器件有一个 USB 接口、一个板载 SEGGER J-Link 调试器、一个 LED 指示灯和一个用户交互按钮。该套件完全受 Simplicity Studio Suite 支持，并可与 能耗分析器 实用程序一起使用。为每个外设提供了软件示例，并演示了 LED、按钮和 UART。

图 3：所示为 BB50-EK2702A 探索者套件。（图片来源：Silicon Labs）

该套件包括一个 mikroBUS 插座和一个 Qwiic 连接器。这种硬件扩展板支持能够让开发人员使用不同供应商的现成电路板快速创建应用并制作原型。

对更全面的入门知识感兴趣的开发人员，可以使用图 4 所示的 BB50-PK5208A 专业套件。该套件专为深入评估和测试而设计，包含传感器和外设，可展示 MCU 的多种功能。

图 4：所示为用于深入评估和测试的 BB50-PK5208A 专业套件。（图片来源：Silicon Labs）

专业套件包括 USB 连接、超低功耗 128 x 128 像素存储器 LCD、八向模拟操纵杆、LED 和用户按钮。该套件还配备了 Silicon Labs 的 Si7021 相对湿度和温度传感器以及多种电源，包括 USB 和钮扣电池。

为便于扩展，该电路板提供了一个 20 针 2.54 mm 针座。该套件还提供用于直接访问 I/O 引脚的分线焊盘。与探索者套件一样，专业支持能耗分析器，并随附每个外设的软件示例。

选配 EFM8BB50 调试器

Silicon Labs 提供多种支持其 MCU 的调试器对于通用调试，该公司提供的 DEBUGADPTR1-USB 是一款 8 位 USB 调试适配器，带有一个简单的 10 针连接器。

SI-DBG1015A 的 Simplicity Link 调试器可提供更多专业功能。该连接器与上述两个套件中的小型 Simplicity Link 相连。除基本功能外，Simplicity Link 还提供了多种其他功能，包括 SEGGER J-Link 调试器、数据包跟踪接口、虚拟 COM 端口和用于轻松探测单信号的分线板。

结束语

EFM8BB50 等现代 8051 MCU 能将通常与 16 位和 32 位器件相关的功能引入 8 位领域。凭借快速的时钟速度、高性能外设和强大的软件开发环境，该系列 MCU 为开发人员提供了合适的功能组合，可满足越来越多空间和功耗均有限，但又需要更高性能和灵活性的应用。