Tento článek stručně popisuje architekturu 8051 a její vhodnost pro aplikace s omezeným prostorem a nízkou spotřebou. Dále si představíme rodinu mikrokontrolerů na bázi 8051 od Silicon Labs a jejich hardwarovou a softwarovou podporu.
Proč používat architekturu 8051?
8bitové mikrokontrolery jsou velmi malých rozměrů, mají velmi nízkou spotřebu energie a zjednodušují design. Mnoho mikrokontrolerů 8051 má však relativně jednoduché periferie, a to omezuje jejich použití. Například analogově-digitální převodníky ADC mají nízké rozlišení, a proto nejsou vhodné pro vysoce přesné aplikace. Problémem mohou být také relativně pomalé hodiny. Typický MCU 8051 pracuje na hodinových frekvencích 8 MHz až 32 MHz. Díky této nízké rychlosti nejsou 8bitové MCU vhodné pro operace v reálném čase jako je například přesné řízení motoru. Standardní prostředí pro vývoj software pro MCU 8051 nejsou v souladu s očekáváními moderních vývojářů. To může vést k pomalému až frustrujícímu programování.
Výše zmíněné omezení tradičních 8bitových MCU mohou vést vývojáře k tomu, aby zvážili migraci na 16bitové nebo 32bitové MCU. I když tyto MCU nabízejí dostatečný výpočetní výkon, vysoce výkonné periferie a moderní softwarová prostředí, jsou bohužel relativně velké a mají daleko větší spotřebu. Díky tomu je jejich integrace do prostorově omezených zařízení náročnější. Navíc zvýšená velikost kódu a spotřeba energie související s 16bitovými a 32bitovými MCU často vedou k neoptimálním návrhům. Proto je nutné hned na začátku projektu zvážit výběr mikrokontroleru, který je vhodný pro danou aplikaci.
EFM8BB50 přináší rozšíření funkcionality 8bitových MCU
Silicon Labs postavila rodinu 8bitových MCU EFM8BB50 s ohledem na výše uvedené problémy (obrázek 1). Tyto MCU nabízejí zvýšený výkon, pokročilé periferie a moderní prostředí pro vývoj softwaru.
Obrázek 1: Blokové schéma MCU EFM8BB50. (Zdroj obrázku: Silicon Labs)
Srdcem EFM8BB50 je jádro CIP-51 8051. Architektura 8051 od Silicon Labs je optimalizována pro vyšší výkon, nízkou spotřebu energie a vylepšenou funkcionalitu. Hlavně byl kladen důraz na vyšší výkon. Jádro dosahuje rychlosti až 50 MHz a 70 % instrukcí se provádí v jednom nebo dvou hodinových cyklech. To dává MCU podstatně vyšší výkon než tradiční 8bitové procesory, a to umožňuje použití i pro složitější aplikace. 6 pinové varianty této rodiny jako je například EFM8BB50F16G-A-QFN16 jsou k dispozici v pouzdrech o velikosti 2,5 mm x 2,5 mm. 12 pinová varianta jako EFM8BB50F16G-A-QFN12 je ještě menší, a to 2 mm x 2 mm. Přes své malé rozměry jsou MCU EFM8BB50 nabité řadou funkcí:
- 12bitový ADC převodník, který je nezbytný pro aplikace vyžadující přesná měření
- Integrovaný teplotní senzor umožňuje MCU monitorovat svou vnitřní teplotu nebo okolní teplotu bez potřeby externích komponent
- Tříkanálové programovatelné pole čítačů (PCA) s PWM modulací dokáže generovat signály pro řízení motoru nebo stmívání LED
- Tříkanálový motorový PWM engine s vkládáním mrtvého času (DTI) pro dodatečné ovládání výkonové elektroniky jako jsou drivery motoru nebo výkonové měniče
Dále obsahuje řadu sériových komunikačních rozhraní, sadu 8bitových a 16bitových časovačů a čtyři konfigurovatelné logické jednotky. Všechny piny jsou nastaveny na 5 V logiku a digitální I/O lze flexibilně přiřadit tak, aby bylo co nejlépe využito omezeného počtu pinů.
Pokročilá správa napájení
EFM8BB50 obsahuje několik funkcí správy energie pro optimalizaci spotřeby energie a prodloužení životnosti baterie. K dispozici je několik režimů napájení jako je například režim nečinnosti (Idle Mode), který snižuje takt jádra a zároveň udržuje periferní zařízení aktivní. Režim zastavení (Stop Mode) jde ještě dále. Dochází k zastavení jádra a většiny periferií, ale je zachován obsah paměti RAM. Některé periferie lze nastavit tak, aby probudily jádro z režimu zastavení. To přináší výhody aplikacím řízeným událostmi, které převážně zůstávají ve stavu nízké spotřeby.
Flexibilní možnosti taktování pomáhají šetřit energii. Díky přesnému internímu oscilátoru není potřeba přidávat externí oscilátor a sníží se celková spotřeba energie. MCU také podporuje clock gating, který selektivně deaktivuje hodiny na různých periferiích. Díky tomu lze vypnout ty periferie, které se nepoužívají. Konfigurovatelná logická jednotka (CLU) je schopna provádět jednoduché logické operace nezávisle. To snižuje potřebu probouzení jádra z režimů nízké spotřeby pro jednoduché úkoly. Kromě toho může Low Energy UART (LEUART) pracovat v režimech napájení, kde je primární oscilátor deaktivován. Díky tomu je sériová komunikace plně funkční i v režimech nízké spotřeby.
Podpora vývoje
Pro rodinu EFM8BB50 je určeno prostředí Simplicity Studio Suite od Silicon Labs . Toto prostředí se používá pro 8bitové EFM8BB50 i 32bitové MCU a bezdrátové SoC systémy. Vývojáři tak získají moderní prostředí s funkcemi, které by očekávali u výkonnějších mikrokontrolerů. Nabízí například energetický profiler, který umožňuje nastavit výkonový profil kódu v reálném čase (obrázek 2).
Obrázek 2: Simplicity Studio obsahuje energetický profiler, který umožňuje nastavit výkonový profil kódu v reálném čase. (Zdroj obrázku: Silicon Labs)
Nástroje jsou postaveny na integrovaném vývojovém prostředí (IDE) s průmyslovými standardními editory kódu, kompilátory, debuggery a enginem uživatelského rozhraní (UI) pro vývoj moderních rozhraní. Toto vývojové prostředí poskytuje přístup k SDK zdrojům specifickým pro daný mikrokontroler a také ke specializovaným softwarovým a hardwarovým konfiguračním nástrojům. Simplicity Studio také podporuje Silicon Labs Secure Vault. Secure Vault je pokročilá bezpečnostní sada s certifikací PSA Level 3, která je v souladu s vyvíjejícími se předpisy pro kybernetickou bezpečnost.
Rychlý začátek s vývojovými sadami
Vývojová sada BB50-EK2702A Expoler Kit zobrazenou na obrázku 3 je malé velikosti a je vybavena rozhraním USB, integrovaným debuggerem SEGGER J-Link, LED diodou a tlačítkem pro interakci uživatele. Sada je plně podporována prostředím Simplicity Studio Suite a lze ji použít s nástrojem Energy Profiler. Pro každou periferii je k dispozici příklad software a ukázky využívající LED, tlačítko a UART.
Obrázek 3: Na obrázku je sada Explorer BB50-EK2702A. (Zdroj obrázku: Silicon Labs)
Sada obsahuje konektor mikroBUS a konektor Qwiic. Tato podpora hardwarových doplňků umožňuje rychle vytvořit prototyp aplikace pomocí běžně dostupných desek od různých výrobců. Komplexnější vývojová sada BB50-PK5208A Pro Kit je zobrazena na obrázku 4. Tato sada je navržena pro důkladné vyhodnocení a testování.
Obrázek 4: Sada BB50-PK5208A Pro Kit pro důkladné vyhodnocení a testování. (Zdroj obrázku: Silicon Labs)
Sada Pro Kit obsahuje USB konektivitu, ultra-nízkoenergetický paměťový LCD displej s rozlišením 128 x 128 pixelů, osmisměrný analogový joystick, LED a uživatelské tlačítko. Obsahuje také snímač relativní vlhkosti a teploty Si7021 a několik zdrojů napájení (USB a knoflíkové baterie). Pro rozšíření nabízí deska 20 pinový 2,54 mm header. Poskytuje také plošky pro přímý přístup k I/O pinům. Stejně jako u sady Explorer Kit podporuje sada Pro Kit Energy Profiler a dodává se s příklady software pro každou periferii.
Možnosti debuggeru EFM8BB50
Silicon Labs nabízí několik debuggerů pro podporu svých MCU. Pro všeobecné ladění nabízí DEBUGADPTR1-USB. Jedná se o 8bitový USB ladicí adaptér s jednoduchým 10pinovým konektorem. Specializovanější funkce jsou dostupné z SI-DBG1015A Simplicity Link Debugger. Ten se připojuje k rozhraní Mini Simplicity, které je součástí obou výše uvedených sad. Kromě své základní funkčnosti nabízí Simplicity Link další možnosti, a to debugger SEGGER J-Link, rozhraní pro sledování paketů, virtuální COM port a breakout padů pro snadné snímání jednotlivých signálů.
Závěr
Moderní MCU 8051 jako je EFM8BB50 přinášejí funkce typicky spojené s 16bitovými a 32bitovými mikrokontrolery. Díky rychlým taktovacím frekvencím, vysoce výkonným periferiím a robustnímu vývojovému prostředí poskytuje tato rodina tu správnou kombinaci schopností pro stále větší počet aplikací, kde je sice omezený prostor, ale vyžaduje se vysoký výpočetní výkon, nízká spotřeba a flexibilita.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com
