如果將8/16位微控制器升級(jí)成32位架構(gòu)將會(huì)發(fā)生什么改變？

特定應(yīng)用的微控制器選型分類(lèi)有很多種方法。從內(nèi)核處理器類(lèi)型和存儲(chǔ)器總線系統(tǒng)入手是其中常見(jiàn)的一種。是選擇8位、16位，還是32位架構(gòu)，通常有以下幾個(gè)參考標(biāo)準(zhǔn)：性能級(jí)別、可尋址存儲(chǔ)器和系統(tǒng)成本。

客戶有時(shí)還可能遇到各種需要多內(nèi)核架構(gòu)的應(yīng)用，這種情況意味著用戶不僅要花更多時(shí)間了解并掌握各種內(nèi)核技術(shù)、外設(shè)編程技術(shù)和工具使用，還要在管理不同架構(gòu)特性方面額外增加物流費(fèi)用。

針對(duì)這一問(wèn)題，恩智浦推出了基于32位ARM Cortex-M0處理器內(nèi)核的LPC1100系列微控制器。該處理器是ARM公司Cortex-M系列尺寸最小的一款，具有32位架構(gòu)性能、低功耗和超小封裝等優(yōu)點(diǎn)。LPC1100是恩智浦半導(dǎo)體大獲成功的LPC1000微控制器系列的最新產(chǎn)品(參見(jiàn)圖1)，主要針對(duì)目前8/16位微控制器占主流的低成本應(yīng)用的市場(chǎng)。

圖1: 恩智浦Cortex-Mx微控制器系列

LPC1100完全具有圍繞LPC1300和LPC1700微控制器(均采用Cortex-M3內(nèi)核)建立的生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。從諸如UART、I2C和SPI等標(biāo)準(zhǔn)接口到高端的CAN和USB，LPC1100外設(shè)種類(lèi)齊全。LPC1000生態(tài)系統(tǒng)包括多家供應(yīng)商提供的編譯器和調(diào)試工具、各種操作系統(tǒng)和軟件。由于LPC1100系列微控制器Cortex-M0能夠向上兼容M3內(nèi)核，因此能夠?qū)崿F(xiàn)開(kāi)發(fā)共享。

本文將針對(duì)過(guò)去8/16位微控制器的幾個(gè)薄弱應(yīng)用環(huán)節(jié)，重點(diǎn)介紹LPC1100的優(yōu)勢(shì)。此外，還將涉及LPC1100如何解決成本、功耗和代碼大小等難題，以及如何提高傳統(tǒng)8/16位微控制器應(yīng)用領(lǐng)域的系統(tǒng)效率。

節(jié)能

對(duì)于門(mén)、窗或照明控制等家庭自動(dòng)化應(yīng)用領(lǐng)域，主要采用傳感器連接到家庭自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)部總線，這些總線和傳感器從專(zhuān)用直流電路獲取電流，大部分時(shí)間都處于工作模式。LPC1100在工作模式下出色的低功耗特點(diǎn)為此類(lèi)應(yīng)用提供了理想選擇。

圖2是一個(gè)從閃存執(zhí)行代碼并在RAM里操作動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的典型應(yīng)用示例，顯示了LPC1100在正常工作模式下幾個(gè)內(nèi)部系統(tǒng)模塊的功耗情況。

圖2: 20MHz內(nèi)核頻率的各模塊耗電量

在電流消耗總量中，Cortex-M0內(nèi)核和內(nèi)部存儲(chǔ)系統(tǒng)所占比重最大。盡管Cortex-M0內(nèi)核的處理能力超強(qiáng)，但是采用該內(nèi)核的LPC1100在無(wú)限循環(huán)運(yùn)行時(shí)的平均耗電量?jī)H為150μA/MHz左右。

圖3 正常工作模式下，從閃存執(zhí)行代碼的耗電量

預(yù)計(jì)在推出低功耗(LP)LPC1100新產(chǎn)品后，現(xiàn)有的LPC1100微控制器低功耗表現(xiàn)會(huì)得到進(jìn)一步提升。工作模式耗電量有望降至130uA/MHz左右。

此外，由于M0內(nèi)核采用32位架構(gòu)，因此電流利用效率要高于8/16位架構(gòu)。對(duì)于執(zhí)行相同的計(jì)算任務(wù)，M0內(nèi)核的實(shí)際運(yùn)行速度可比8/16位微控制器低2-4倍，因此功耗要遠(yuǎn)低于8/16位微控制器。

對(duì)于“深度睡眠”或“深度掉電”模式，Cortex-M0內(nèi)核的強(qiáng)大處理能力同樣有用武之地，與8/16位架構(gòu)相比，32位架構(gòu)執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間更短，因此微控制器更多時(shí)間會(huì)處于低功耗模式運(yùn)行。新型LP系列產(chǎn)品將大幅減少深度睡眠模式(2uA)和深度掉電模式(220nA)耗電量。

運(yùn)算能力

LPC1100非常適合同時(shí)處理微控制器(MCU)基本任務(wù)和各種操作數(shù)(8位、16位或更高位)運(yùn)算。嵌入快速的32位Cortex-M0內(nèi)核(最大頻率50MHz)并保持微控制器操作和編程靈活性(Cortex-M0 內(nèi)核可以完全采用C語(yǔ)言)是代替16位混合系統(tǒng)的最好解決方案。

Cortex-M0微控制器可以輕松超越高端8/16位單片機(jī)。Cortex-M0內(nèi)核的額定處理能力高達(dá)0.8DMIPS/MHz，是高端8 /16位單片機(jī)的2-4倍。由于DMIPS和MIPS有時(shí)并不能準(zhǔn)確反映用戶器件性能，因此圖4根據(jù)一些通用的測(cè)試基準(zhǔn)程序給出了各器件的相對(duì)性能。大多數(shù)常用Cortex-M0 Thumb2指令為單周期指令，所有8位、16位和32位數(shù)據(jù)傳輸在一個(gè)指令周期內(nèi)完成。在8位和16位單片機(jī)中處理長(zhǎng)字乘法運(yùn)算通常要花很長(zhǎng)時(shí)間，但由于Cortex-M0內(nèi)核是32位架構(gòu)，恩智浦在LPC1100中采用了32x32位硬件乘法器，通過(guò)MULS指令，成功地在一個(gè)指令周期內(nèi)完成了兩個(gè)32位字的乘法運(yùn)算。

圖4 Cortex-M0相對(duì)性能

除法運(yùn)算可通過(guò)軟件完成，Cortex-M0對(duì)于各種操作數(shù)除法運(yùn)算有同樣出色的表現(xiàn)。

對(duì)于具體的應(yīng)用，復(fù)雜的計(jì)算通常會(huì)涉及多次加法、乘法和除法。圖5顯示了一個(gè)復(fù)雜計(jì)算的執(zhí)行時(shí)間，其執(zhí)行條件是從閃存執(zhí)行代碼，采用浮點(diǎn)操作數(shù)共進(jìn)行5次乘法、5次加法和1次除法計(jì)算。對(duì)于浮點(diǎn)運(yùn)算，C語(yǔ)言代碼可通過(guò)一個(gè)特定的Cortex-M0數(shù)學(xué)庫(kù)函數(shù)做優(yōu)化。

如果將8/16位微控制器升級(jí)成32位架構(gòu)將會(huì)發(fā)生什么改變?

從數(shù)學(xué)庫(kù)向RAM重新優(yōu)化一些重要的函數(shù)可以進(jìn)一步提升性能。應(yīng)該在RAM中調(diào)用這些庫(kù)函數(shù)，這樣可避免從ROM頁(yè)到RAM頁(yè)的分配過(guò)程出現(xiàn)長(zhǎng)分支，以縮短執(zhí)行時(shí)間。

中斷處理

微控制器的性能不僅要看執(zhí)行速度，中斷處理也一個(gè)重要方面。中斷性能一般通過(guò)延遲時(shí)間和抖動(dòng)(jitter)體現(xiàn)。延遲是指從中斷事件產(chǎn)生到進(jìn)入中斷服務(wù)程序的時(shí)間，抖動(dòng)用以描述延遲的變化。

Cortex-M0通過(guò)將中斷控制器和內(nèi)核緊密耦合，最大程度縮短了延遲時(shí)間。最高優(yōu)先級(jí)中斷延遲時(shí)間固定為16個(gè)時(shí)鐘周期。中斷控制器最多可支持32個(gè)不同的中斷源，包含一個(gè)非屏蔽中斷輸入。LPC1100對(duì)各種中斷事件提供了專(zhuān)用中斷向量，任何中斷都會(huì)自動(dòng)分配一個(gè)專(zhuān)用中斷服務(wù)程序(ISR, Interupt Service Routine)，無(wú)須軟件處理。

為了縮短嵌套中斷的延遲時(shí)間，LPC1100采用了一種集成機(jī)制，如果高優(yōu)先級(jí)中斷在低優(yōu)先級(jí)中斷進(jìn)入服務(wù)程序前到達(dá)，可避免重新堆棧。此外，LPC1100還支持尾鏈功能(tail chaining)，通過(guò)疊合異常出棧順序以及隨后出現(xiàn)的異常進(jìn)棧順序可直接進(jìn)入ISR，縮短延遲時(shí)間。

系統(tǒng)成本

影響系統(tǒng)總成本有幾個(gè)方面的因素，對(duì)于小型系統(tǒng)，內(nèi)核和內(nèi)存所占比重最大。

內(nèi)核尺寸：Cortex-M0內(nèi)核專(zhuān)門(mén)針對(duì)低成本應(yīng)用開(kāi)發(fā)，主要面向以往的8/16位小型微控制器架構(gòu)市場(chǎng)。Cortex-M0內(nèi)核的尺寸僅為Cortex-M3的1/4，參見(jiàn)圖6。對(duì)于外設(shè)較少、Flash空間有限的小型系統(tǒng)，較小的內(nèi)核可以減少芯片的整體尺寸。Cortex-M0邏輯門(mén)數(shù)量達(dá)到了最經(jīng)典的8位內(nèi)核水平，卻帶來(lái)了更出色的處理能力，并為更強(qiáng)大的Cortex-M系列處理器提供向上兼容性。

圖6 Cortex-M0內(nèi)核尺寸

閃存占用量?。簝?chǔ)存應(yīng)用程序代碼所需的閃存尺寸是影響系統(tǒng)總成本的另一個(gè)重要因素?？紤]到32位指令比8位指令性能更強(qiáng)，并且能一次代替多條8位指令，因此可以假設(shè)應(yīng)用代碼尺寸基本相同(不包括常數(shù)表)。不過(guò)，通過(guò)輸入LPC1100的8位代碼的實(shí)際測(cè)試結(jié)果看，應(yīng)用代碼尺寸要小很多，甚至可以達(dá)到50%以下。

ARM Cortex-M0執(zhí)行Thumb指令集，包括少量使用Thumb-2技術(shù)的32位指令，參見(jiàn)圖7。Thumb指令集是ARM Cortex-M3和ARM Cortex-M4支持的指令集的子集，并與之二進(jìn)制編碼向上兼容。

將ARM7TDMI的16位Thumb指令和部分Thumb-2功能強(qiáng)大的32位指令結(jié)合在一起使用，可以提高代碼密度。編譯器會(huì)選擇是使用16位還是32位指令，最終代碼中兩者可以完全共存。運(yùn)行期間系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)16位和32位代碼無(wú)縫切換，無(wú)需像在使用ARM7TDMI時(shí)那樣，需要專(zhuān)用指令。下表是一張Cortex-M0完整的指令集。

總體來(lái)看，LPC1100在低成本MCU市場(chǎng)具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，其出色的靈活性和強(qiáng)大的性能將成為8位和16位架構(gòu)占統(tǒng)治地位的各應(yīng)用領(lǐng)域最有力的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。LPC1100支持超小封裝(16引腳CSP，2.5 x 2.5mm)以及易于操作的HVQFN和LQFP封裝。該系列所有產(chǎn)品均支持UART、I2C和SPI等常見(jiàn)外設(shè)，并可在LPC1000系列其他產(chǎn)品上復(fù)用這些外設(shè)的驅(qū)動(dòng)。此外，LPC1100還支持USB和CAN等高端外設(shè)，其驅(qū)動(dòng)代碼內(nèi)嵌在ROM掩膜中， 因此Flash閃存可完全用于用戶自己的應(yīng)用程序。