較長的電池續(xù)航時間,，對提高消費(fèi)類設(shè)備的用戶滿意度至關(guān)重要,。對于電池供電的物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 端點,，延長電池續(xù)航時間可降低維護(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較大,，因此設(shè)計人員需要選擇并應(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)用通常不會選用8位微控制器。另一方面,，基于32位內(nèi)核的系統(tǒng)對于這些應(yīng)用往往又稍顯過火,，尤其是導(dǎo)致不必要的功耗過大時。
解決方案恰恰位于8位和32位內(nèi)核中間的平衡點——16位微控制器,。這類器件既像簡單的單電源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器優(yōu)勢。如果應(yīng)用不要求很多線程同時處理,，存儲器要求也不太高,，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,。
微控制器選型
在設(shè)計過程中,，定義項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100nA,。
使用也相對簡單,，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,，因而編程模型簡單且有限：累加器或帶單個狀態(tài)寄存器的小寄存器組,、堆棧指針，以及一個或多個變址寄存器,。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,?；诩拇嫫鞯募軜?gòu)可輕松支持網(wǎng)絡(luò)和通信；通常使用32位尋址,，支持浮點運(yùn)算和高等代數(shù)運(yùn)算,，并且時鐘速率可達(dá)千兆赫級。32位內(nèi)核具有更復(fù)雜的編程模型,，包括多個狀態(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,。
支持大型閃存陣列尋址
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)4GB的存儲器,。傳統(tǒng)16位微控制器使用16位尋址，只能訪問64KB的存儲器,。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16MB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，32MHz的16位微控制器具有1MB的板載閃存和32KB的板載SRAM,，使用類似于許多8位微控制器的簡單編程模型（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個通用16位寄存器,、堆棧指針、PC和5個輔助寄存器,。（圖片來源：Microchip Technology）
PIC24具有23位程序計數(shù)器,，可以訪問高達(dá)8MB的程序閃存。16個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)計數(shù)器 （RCOUNT） 寄存器包含循環(huán)計數(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PIC24FJ1024GA606T的性能評定,，工作頻率為32MHz時可達(dá)16MIPS,。對于16位內(nèi)核而言，這一指標(biāo)著實令人印象深刻,。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。對于需要對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行計算的物聯(lián)網(wǎng)端點而言,，這些功能相當(dāng)管用,。此外，該架構(gòu)還可以同時讀寫數(shù)據(jù)存儲器,，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)?。所需的供電電壓僅為2.0V至3.6V,，微控制器以32MHz的工作頻率全速運(yùn)行時電流消耗最大值為7.7mA，換作是32位內(nèi)核則極難實現(xiàn)這一指標(biāo),。通過固件可以控制核心和外設(shè)時鐘,。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）和外部中斷檢測外所有器件的操作,。空閑模式下,，最大電流僅為2.8mA,，而休眠模式下，最大電流范圍為10至45?A,，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)存取存儲器（RAM） 中的內(nèi)容，PIC24F的消耗電流低至190nA,。
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70MIPS微處理器,，具有512KB的閃存,。dsPIC的內(nèi)核寄存器與PIC24大致相同,，只是增加了支持?jǐn)?shù)字信號處理 （DSP） 指令的寄存器，包括兩個40位累加器且支持32位乘法,。如需對PIC24進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)升級,，PIC24微控制器大多可以進(jìn)行引腳兼容的dsPIC升級，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3.6V,，運(yùn)行速度達(dá)70MIPS時，最大電流為60mA,。
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)存取存儲器 （FRAM） 程序存儲器，實現(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，時鐘頻率達(dá)16MHz,，具有256KB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（由四個行寬為64字節(jié)的緩存塊組成），從而實現(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。面對這些應(yīng)用時,，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的編程模型非常簡單（圖2）,，共有16個16位寄存器R0至R15：R0是程序計數(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：TexasInstruments）
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以實時時鐘（RTC） 運(yùn)行,，電流消耗僅為350nA,。關(guān)斷模式下，電流消耗僅為45nA,。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3.6V,。固件以FRAM運(yùn)行而緩存命中率為零時,，MSP430FR的電流消耗僅為3mA。若從緩存運(yùn)行代碼,，則電流消耗僅為790?A,。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-EXP430FR5994LaunchPad具有開發(fā)人員上手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具有兩個按鈕,、兩個LED和一個microSD卡插槽。為了證明MSP430FR5994微控制器的低功耗性能,，該LaunchPad具有0.22F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還可用于測量MSP430及其應(yīng)用的電流消耗。J101隔離塊具有包括3V電源跳線3V3在內(nèi)的七根跳線,。移除跳線3V3,，即可通過這兩個引腳測量應(yīng)用的電流,。
該LaunchPad還支持TI的EnergyTrace?技術(shù),，可以連接計算機(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觀測MSP430微控制器和應(yīng)用的功耗數(shù)據(jù)，從而微調(diào)應(yīng)用以實現(xiàn)最低功耗,。
例如,，實時電流監(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)的錯誤配置、外部電感或電容負(fù)載,，甚至是由于固件試圖同時啟動所有功能,。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，卻仍然可以實現(xiàn)所需的性能,。