較長的電池續(xù)航時間，對提高消費類設(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?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，支持浮點運算和高等代數(shù)運算，并且時鐘速率可達千兆赫級。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)用需要進行高等數(shù)學運算，一些16位微控制器具有數(shù)學協(xié)處理器，在相同的內(nèi)部時鐘速度下其數(shù)學性能可與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24位的擴展尋址，相當于擴充了16MB的地址空間。
Microchip Technology的低功耗 PIC24F微控制器系列是擴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） 是一個獨立寄存器，可與SP配合使用以防止堆棧溢出。
PIC24采用具有獨立地址和數(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16MIPS。對于16位內(nèi)核而言，這一指標著實令人印象深刻。該內(nèi)核具有32位微控制器的許多功能，例如同時支持分數(shù)運算的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)進行計算的物聯(lián)網(wǎng)端點而言，這些功能相當管用。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等多種標準外設(shè)，但在電池供電應(yīng)用中其功耗相當?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。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入低功耗模式的匯編指令：IDLE指令使PIC24內(nèi)核停止運行，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，只是增加了支持數(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進行系統(tǒng)內(nèi)升級，PIC24微控制器大多可以進行引腳兼容的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，運行速度達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16MHz，具有256KB的FRAM。
MSP430FR微控制器內(nèi)核的性能增強功能包括雙向關(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)學密集型操作的性能；以及獨立于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。待機模式下，TI的MSP430FR5994以實時時鐘（RTC） 運行，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運行而緩存命中率為零時，MSP430FR的電流消耗僅為3mA。若從緩存運行代碼，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。