【導讀】在半導體領(lǐng)域，微控制器（MCU）是一個很卷的賽道。為了能夠從眾多競爭者中脫穎而出，MCU產(chǎn)品一直在不斷添加新“技能”，以適應(yīng)市場環(huán)境的新要求。因此，時至今日，如果你“打開”一顆MCU，會發(fā)現(xiàn)其早已不再是一顆傳統(tǒng)意義上簡單的計算和控制芯片，而是集成了CPU內(nèi)核以及豐富外設(shè)功能模塊的SoC。
在半導體領(lǐng)域，微控制器（MCU）是一個很卷的賽道。為了能夠從眾多競爭者中脫穎而出，MCU產(chǎn)品一直在不斷添加新“技能”，以適應(yīng)市場環(huán)境的新要求。因此，時至今日，如果你“打開”一顆MCU，會發(fā)現(xiàn)其早已不再是一顆傳統(tǒng)意義上簡單的計算和控制芯片，而是集成了CPU內(nèi)核以及豐富外設(shè)功能模塊的SoC。
尤其是在CPU內(nèi)核趨向同質(zhì)化的今天，想要在產(chǎn)品設(shè)計上實現(xiàn)差異化，MCU廠商更是要在CPU內(nèi)核之外的外設(shè)功能的集成上大做文章，讓自己的產(chǎn)品具有與眾不同的賣點。
“可以將哪類外設(shè)功能集成到MCU中”，對于這個問題，MCU廠商已經(jīng)進行了諸多嘗試：存儲器、定時器、模擬外設(shè)、通信接口，甚至是射頻收發(fā)器……不一而足。今天，Microchip更是腦洞大開，給出了一個新思路——將一個“微型FPGA”集成到MCU中！
在8位MCU中集成可編程邏輯
電子工程師都知道，在相當長的時間里，MCU和以FPGA為代表的可編程邏輯，是兩個特性迥異的開發(fā)平臺：前者是在通用CPU架構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過軟件編程去滿足不同應(yīng)用的設(shè)計要求，具有較高的靈活性和可擴展性，不過代價就是在性能和功耗上有所折中；而后者由于具有硬件可編程特性，開發(fā)者可以根據(jù)應(yīng)用“定制”所需的硬件電路，在性能和功耗上自然更勝一籌，不過開發(fā)門檻相對較高。
之前也有?商將兩者結(jié)合在?起，開發(fā)出兼具靈活性和?能效的異構(gòu)平臺，不過它們?都定位于中?端的產(chǎn)品。將可編程邏輯與8位MCU整合在?起的嘗試，并不多?。?Microchip正是找到了這個獨特的市場切?點，推出了PIC16F13145 系列MCU。
圖1：PIC16F13145系列MCU
（圖源：Microchip）
具體來講，與傳統(tǒng)的8位MCU不同，PIC16F13145系列的外設(shè)中，除了ADC、DAC、?較器和定時器等這些“常規(guī)”配置，還有?個特別的可配置邏輯塊（CLB）模塊。
CLB由32個基本邏輯元件（BLE）陣列（每個BLE都能夠模擬AND / OR / NAND / NOR?）以及緩沖器/反相緩沖器、D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、多路復(fù)?器或四輸?LUT構(gòu)成。
這意味著，開發(fā)者可以利?CLB直接在MCU內(nèi)創(chuàng)建基于硬件的定制組合邏輯功能，實現(xiàn)??想要的硬件電路，?不受通?MCU固定硬件架構(gòu)的限制，就好像在MCU中添加了?個“微型FPGA”。
圖2：可配置邏輯塊（CLB）架構(gòu)
（圖源：Microchip）
從架構(gòu)上看，CLB與FPGA的可編程邏輯結(jié)構(gòu)很相似。構(gòu)成CLB的每個BLE由?個4輸?LUT(Lookup-Table, 查找表)和?個D觸發(fā)器組成。CLB的輸入接口提供了16個輸入的選擇鎖存器，每個選擇鎖存器可以選擇最多40種不同的信號之一的信號來作為輸入，這些信號可以是通過外部引腳輸入的信號，內(nèi)部外設(shè)的輸出信號以及軟件操作的寄存器的信號。CLB輸入端都嵌入了可編程的邊沿檢測器，這些邊沿檢測器默認由上升沿觸發(fā)，但可以編程為由下降沿觸發(fā)或完全旁路。
另外，CLB支持8路輸出可以路由到外部引腳、內(nèi)部寄存器或內(nèi)部外圍設(shè)備的輸?。CLB還包含?個3位硬件計數(shù)器，以幫助使?CLB構(gòu)建狀態(tài)機。當MCU需要執(zhí)?簡單的多任務(wù)并?處理，或者需要實現(xiàn)少量硬件級實時處理時，CLB的作?就會更?程度地顯現(xiàn)出來。開發(fā)者可以使?CLB來實現(xiàn)狀態(tài)機或“?速”外設(shè)，例如軟件驅(qū)動的信號多路復(fù)?器、計數(shù)器、正交解碼器、步進電機控制器或?速PWM（脈寬調(diào)制器）等。
全新的開發(fā)體驗
實際上，對于Microchip來說，在MCU中集成可編程邏輯功能并不是?個全新的課題。早在?多年前，Microchip就曾在其MCU中引?了?種被稱為可配置邏輯單元（CLC）的可編程邏輯外設(shè)，這?設(shè)計思路的價值已經(jīng)被市場所驗證。隨著實際應(yīng)?中對更復(fù)雜的可編程邏輯需求的增加，終在PIC16F13145系列中演化出了CLB這個規(guī)模更?、更復(fù)雜的可編程邏輯塊，完成了?次重要的迭代升級，也使得該系列MCU能夠?于以往屬于獨?可編程邏輯器件的應(yīng)?領(lǐng)域。
PIC16F13145系列MCU這一獨特的定位，可以為開發(fā)者帶來諸多好處。
首先，集成到MCU的CLB，是通過硬件的方式實現(xiàn)邏輯功能，在性能上明顯優(yōu)于“通用MCU+軟件”的模式，有利于優(yōu)化嵌入式控制系統(tǒng)的速度和響應(yīng)時間，提升整體的系統(tǒng)性能。而且由于在系統(tǒng)設(shè)計時，無需增加額外的外部邏輯器件，還可以降低BOM成本，可謂是一舉兩得。
其次，作為獨立于CPU內(nèi)核的外設(shè)，PIC16F13145中的CLB可以在CPU處于睡眠模式時運行，以響應(yīng)和處理來自外部和內(nèi)部的任務(wù)，更大限度地降低MCU的功耗。CLB還可以與其他外設(shè)（如定時器、ADC、PWM模塊等）結(jié)合使用，進一步優(yōu)化系統(tǒng)功耗性能。
此外，CLB還有助于PIC16F13145系列MCU實現(xiàn)更強的可擴展性。在實際工作中，隨著需求的變化，設(shè)計的調(diào)整在所難免，而PIC16F13145系列MCU所具備的可編程邏輯功能，使得開發(fā)者無需“從頭再來”徹底修改整個設(shè)計，就能夠通過靈活的硬件編程快速完成設(shè)計迭代，簡化整個設(shè)計流程。
由此可見，憑借CLB模塊而帶來的更高的性能、更低的功耗以及更強的可擴展性，加之其他豐富的片上資源（包括具有內(nèi)置計算功能的快速10位ADC、8位DAC、快速比較器、8位和16位定時器，以及I2C和SPl等通信模塊），PIC16F13145系列MCU無疑為嵌入式開發(fā)者提供了一個強大而靈活的開發(fā)利器。
完善的開發(fā)生態(tài)
當然，?個嵌?式硬件平臺，加上配套的軟件開發(fā)?具以及相關(guān)技術(shù)資源，才能夠提供完整的開發(fā)體驗。具體到PIC16F13145系列MCU這個創(chuàng)新的硬件架構(gòu)，更是需要完善開發(fā)?態(tài)的?持，盡可能降低開發(fā)者上?“嘗鮮”的?檻。
好消息是，這?點Microchip已經(jīng)準備好了。PIC16F13145 系列MCU 的開發(fā)， 可以得到MPLAB? 代碼配置器（MCC）的?持，MCC是Microchip的MPLAB X IDE中?個免費軟件插件，為開發(fā)者提供了?個基于GUI的簡便開發(fā)界?，?于配置器件和片上外設(shè)（包括CLB）。CLB所需的?定義邏輯配置可通過MCC創(chuàng)建原理圖，因此??減少了開發(fā)時間，?且?戶可以使?硬件描述語?（Verilog）作為開發(fā)語言，增加了開發(fā)的靈活性。自定義邏輯配置的原理圖也可以通過在線方式創(chuàng)建（logic.microchip.com）。
同時，PIC16F13145 Curiosity Nano評估套件可為使?PIC16F13145系列MCU進?設(shè)計提供全??持，?需外部?具、編程和調(diào)試，簡單易?，有助于開發(fā)者實現(xiàn)?縫嵌?式開發(fā)體驗，縮短產(chǎn)品上市時間。
本文小結(jié)
今天，競爭激烈的MCU市場，迫切需要差異化的創(chuàng)新產(chǎn)品。Microchip的PIC16F13145系列MCU，創(chuàng)造性地將可編程邏輯外設(shè)功能與8位MCU架構(gòu)相結(jié)合，在繼承MCU固有優(yōu)勢特性的同時，?帶來了更佳的性能、低功耗特性和可擴展性，在實時控制、數(shù)字傳感器節(jié)點，以及?業(yè)和汽?等細分市場，為嵌?式開發(fā)者提供了全新的想象空間和開發(fā)體驗。
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