作者：Kenton Williston

對于電動工具、個人衛生用品、玩具、電器和照明控制裝置等功耗和空間受限設備的設計人員來說，采用傳統上的 8 位微控制器單元 (MCU) 就足夠了。然而，隨著應用的不斷發展，他們需要更高的速度、更強大的外設選項和軟件開發工具。遷移到 16 位或 32 位替代方案可能會有所幫助，但往往要以更大的封裝尺寸和更高的功耗為代價。

為了解決這些問題，設計人員可以利用基于 8051 架構 MCU，這些 MCU 將 16 位和 32 位處理器的許多優點帶到了 8 位處理器領域。這些處理器的封裝小至 2 x 2 mm，同時提供現代開發環境。

本文簡要介紹 8051 架構及其對資源受限應用的適用性。然后介紹 [Silicon Labs]基于 8051 的 MCU 系列，描述主要子系統并說明每個子系統如何應對關鍵設計挑戰。文章最后討論硬件和軟件支持。

為什么使用 8051 架構？

為空間高度受限的應用選擇 MCU 時，8 位處理器（如久負盛名的 8051）的優勢眾多，如占用空間小、功耗低和設計簡單。然而，許多 8051 處理器的外設相對簡單，成為它們能否適用特定用的瓶頸。例如，低分辨率模數轉換器 (ADC) 無法滿足醫療設備等高精度應用的需要。

相對較慢的時鐘也可能是一個問題。典型的 8051 MCU 工作時鐘頻率為 8 MHz 至 32 MHz，舊設計需要多個時鐘周期來處理指令。這種低速率會限制 8 位 MCU 支持實時操作的能力（如精確的電機控制）。

此外，8051 處理器的傳統軟件開發環境也不符合現代軟件開發人員的期望。如果再加上 8 位架構的固有限制，就會導致編碼過程緩慢而令人沮喪。

傳統 8 位處理器的局限性可能會導致開發人員考慮遷移到 16 位或 32 位 MCU。雖然這些 MCU 具有強大的計算能力、高性能外設以及現代軟件環境，但其體積也相對較大。這使得將這些器件集成到空間受限的設計中更具挑戰性，可能會延誤開發或增加設計規模。

與 16 位和 32 位微控制器相關的代碼量和功耗的增加也會導致設計達不到最優。對于許多不涉及復雜數學的應用來說，這些缺點尤其成問題，因為在此類應用無法提現這些處理器的先進功能優勢。

這些權衡的理想點在項目開始時可能并不明顯，而在設計中期更換處理器可能會延誤開發，或影響產品的尺寸或功能。因此，許多空間受限的設計可以采用功能更強大的 8051 架構 MCU，該器件將 16 位和 32 位處理器的許多優勢帶到了外形緊湊的低功耗 8 位處理器領域。

EFM8BB50 為 8 位 MCU 帶來更多功能

Silicon Labs 在設計 [EFM8BB50]系列 8 位 MCU 時考慮了這些因素（圖 1）。這些 MCU 的性能更強，具有先進的外設和現代軟件開發環境。

圖 1：所示為 EFM8BB50 MCU 的框圖。（圖片來源：Silicon Labs）

MCU 的核心是 CIP-51 8051 內核，它是 Silicon Labs 實現的 8051 架構，經過優化，可提高性能、降低功耗并增強功能。其表現尤其值得一提。EFM8BB50 的內核速度高達 50 MHz，70% 的指令可在一個或兩個時鐘周期內執行。這使得該 MCU 的性能大大高于傳統的 8 位處理器，為從而開發人員開發更復雜的應用提供了更大的發揮空間。

體積小也是這些MCU 的顯著特點之一。該系列的16 引腳變體（如[EFM8BB50F16G-A-QFN16]）采用小至2.5 mm x 2.5 mm 的封裝。 12 引腳版本（如[EFM8BB50F16G-A-QFN12] ）甚至更小，封裝尺寸可小至2 mm x 2 mm。

盡管 EFM8BB50 MCU 的尺寸很小，卻擁有一系列令人印象深刻的功能，具體包括

• 12 位 ADC，這對于需要精確傳感器數據的應用來說至關重要
• 集成溫度傳感器，可使 MCU 無需外部元件即可監控其內部溫度或環境溫度
• 具有脈寬調制 (PWM) 功能的三通道可編程計數器陣列 (PCA)，可產生 PWM 信號，用于電機控制和 LED 調光等應用中的可變輸出控制
• 具有死區時間插入 (DTI) 功能的三通道 PWM 引擎，可增加對電機驅動器或電源轉換器等電力電子設備的控制功能

其他輸入/輸出 (I/O) 包括各種串行通信接口、一組 8 位和 16 位定時器以及四個可配置邏輯單元。該 MCU 系列的所有引腳都支持 5 V 電壓，數字 I/O 可靈活分配，以充分利用有限的引腳。

高級電源管理

EFM8BB50 集成了多項能源管理功能，可優化功耗并延長電池壽命。首先是多種功耗模式，包括閑置模式，這種模式可降低內核時鐘速度，同時保持外設運行。停止模式則更進一步，在保留 RAM 和寄存器內容的同時，停止內核和大多數外設。某些外設可以設置為從停止模式喚醒內核，這有利于主要地保持低功耗狀態的事件驅動型應用。

靈活的時鐘選項會進一步幫助節能。具有精密的內部振蕩器，在許多情況下無需外部晶體振蕩器，從而降低了總功耗。MCU 還支持時鐘門控，可選擇性地禁用各種外設時鐘，使開發人員能夠關閉不使用的外設。

外設設計還考慮到了能效。最值得注意的是，可配置邏輯單元 (CLU) 可以獨立執行簡單的邏輯功能，從而減少了將內核從低功耗模式喚醒以執行簡單任務的需要。此外，低能耗 UART（LEUART）可在禁用主振蕩器的電源模式下運行，允許在低功耗狀態下進行串行通信。

支持直觀的軟件開發

開發人員可以在 Silicon Labs 的 [Simplicity Studio Suite] 環境下為 EFM8BB50 系列構建軟件。該環境用于 8 位 EFM8BB50、公司的 32 位 MCU 及其無線片上系統 (SoC)。因此，開發人員擁有了一個現代軟件環境，可獲得他們所期望的更強大的處理器功能。例如，該環境提供了能耗分析器，可實時對代碼進行能耗分析器（圖 2）。

圖 2：Simplicity Studio 包含一個能耗分析器，可實時分析代碼能耗。（圖片來源：Silicon Labs）

這些工具在一個集成開發環境 (IDE) 內構建，該環境包含行業內標準的代碼編輯器、編譯器、調試器和一個用戶界面（UI）引擎，可用于開發現代響應式界面。通過該開發環境，可訪問具體設備的網絡和 SDK 資源，以及專門的軟件和硬件配置工具。

Simplicity Studio 還支持 Silicon Labs Secure Vault。Secure Vault 是一款非常先進的安全套件，具有 PSA 3 級認證，有助于設計人員加固物聯網 (IoT) 設備，保護其攻擊面免受不斷升級的網絡威脅，同時符合不斷發展的網絡安全法規。

快速開始使用評估套件

有興趣嘗試 EFM8BB50 的開發人員可以考慮圖 3 所示的 [BB50-EK2702A]探索者套件。該套件外形小巧，與試驗板大小一致，便于安裝到原型系統和實驗室硬件上。該器件有一個 USB 接口、一個板載 SEGGER J-Link 調試器、一個 LED 指示燈和一個用戶交互按鈕。該套件完全受 Simplicity Studio Suite 支持，并可與 [能耗分析器] 實用程序一起使用。為每個外設提供了軟件示例，并演示了 LED、按鈕和 UART。

圖 3：所示為 BB50-EK2702A 探索者套件。（圖片來源：Silicon Labs）

該套件包括一個 mikroBUS 插座和一個 Qwiic 連接器。這種硬件擴展板支持能夠讓開發人員使用不同供應商的現成電路板快速創建應用并制作原型。

對更全面的入門知識感興趣的開發人員，可以使用圖 4 所示的 [BB50-PK5208A]專業套件。該套件專為深入評估和測試而設計，包含傳感器和外設，可展示 MCU 的多種功能。

圖 4：所示為用于深入評估和測試的 BB50-PK5208A 專業套件。（圖片來源：Silicon Labs）

專業套件包括 USB 連接、超低功耗 128 x 128 像素存儲器 LCD、八向模擬操縱桿、LED 和用戶按鈕。該套件還配備了 Silicon Labs 的 [Si7021]相對濕度和溫度傳感器以及多種電源，包括 USB 和鈕扣電池。

為便于擴展，該電路板提供了一個 20 針 2.54 mm 針座。該套件還提供用于直接訪問 I/O 引腳的分線焊盤。與探索者套件一樣，專業支持能耗分析器，并隨附每個外設的軟件示例。

選配 EFM8BB50 調試器

Silicon Labs 提供多種支持其 MCU 的調試器對于通用調試，該公司提供的 [DEBUGADPTR1-USB] 是一款 8 位 USB 調試適配器，帶有一個簡單的 10 針連接器。

[SI-DBG1015A]的 Simplicity Link 調試器可提供更多專業功能。該連接器與上述兩個套件中的小型 Simplicity Link 相連。除基本功能外，Simplicity Link 還提供了多種其他功能，包括 SEGGER J-Link 調試器、數據包跟蹤接口、虛擬 COM 端口和用于輕松探測單信號的分線板。

結束語

EFM8BB50 等現代 8051 MCU 能將通常與 16 位和 32 位器件相關的功能引入 8 位領域。憑借快速的時鐘速度、高性能外設和強大的軟件開發環境，該系列 MCU 為開發人員提供了合適的功能組合，可滿足越來越多空間和功耗均有限，但又需要更高性能和靈活性的應用。

審核編輯 黃宇