השימוש במיקרו-בקרים ממוטבים Bit‏-8‏ כדי לפשט את התכן של התקנים מוגבלי-משאבים

עבור המתכננים של התקנים מוגבלי-הספק ומוגבלי-מקום כמו כלי עבודה חשמליים, מוצרי היגיינה אישית, צעצועים, מכשירי חשמל ופקדי תאורה, יחידת מיקרו-בקר (MCU) של Bit‏-8‏ הספיקה בדרך כלל בעבר. עם זאת, ככל שהיישומים מתפתחים, הם דורשים מהירות גבוהה יותר, אפשרויות רכיבים היקפיים חזקים יותר וכלי פיתוח תוכנה חסונים יותר. המעבר לחלופה של Bit‏-16‏ או Bit‏-32‏ יכולה לעזור, אך לרוב במחיר של גודל מארז גדול יותר ויותר הספק.

כדי לענות לבעיות אלה, המתכננים יכולים לנצל את היתרונות של מיקרו-בקרים המבוססים על ארכיטקטורת 8051 המביאים רבים מהיתרונות של מעבדי Bit‏-16‏ ו-Bit‏-32‏ לדומיין של Bit‏-8‏. הם עושים זאת במארז קטן כמו 2 x‏ 2 מילימטרים (מ"מ) תוך שהם מציעים סביבת פיתוח מודרנית.

מאמר זה מתאר בקצרה את ארכיטקטורת 8051 ואת התאמתה ליישומים מוגבלי-משאבים. לאחר מכן הוא מציג משפחה של מיקרו-בקרים מבוססי-8051 של Silicon Labs‏, מתאר תתי-מערכות עיקריות ומראה כיצד כל אחת מהן מתמודדת עם אתגרי תכנים קריטיים. המאמר מסיים בדיון בתמיכה בחומרה ובתוכנה.

מדוע להשתמש בארכיטקטורת 8051?

בעת בחירת מיקרו-בקר עבור יישום מוגבל מאוד במקום, מעבדי Bit‏-8‏ כגון ה-8051 המבוסס-היטב מציעים יתרונות רבים, כולל חתימת-שטח קטנה, צריכת הספק נמוכה ותכן פשוט. עם זאת, למעבדי 8051 רבים יש רכיבים היקפיים פשוטים יחסית, מה שמגביל את התאמתם למקרי שימוש מסוימים. לדוגמה, ממירי אנלוגי-לדיגיטלי ברזולוציה נמוכה (ADC) אינם מספיקים עבור יישומים בעלי דיוק גבוה כגון מכשור רפואי.

שעונים איטיים יחסית יכולים גם כן להוות בעיה. מיקרו-בקר 8051‏ טיפוסי פועל בתדרי שעון של 8 מגה-הרץ (MHz) עד 32 מגה-הרץ, ותכנים ישנים יותר דורשים מחזורי שעון רבים עבור עיבוד ההוראות. מהירות נמוכה זו יכולה להגביל את היכולת של מיקרו-בקרים Bit‏-8‏ לתמיכה בפעולות בזמן-אמת כגון בקרת מנוע מדויקת.

כמו כן, סביבות פיתוח התוכנה המסורתיות עבור מעבדי 8051 אינן עומדות בציפיות של מפתחי תוכנה מודרניים. בשילוב עם המגבלות המובנות של ארכיטקטורת Bit‏-8‏, זה יכול להוביל לתהליך קידוד איטי ומתסכל.

המגבלות של מעבדי Bit‏-8‏ מסורתיים עשויות להוביל מפתחים לשקול מעבר למיקרו-בקרים Bit‏-16‏ או Bit‏-32‏. בעוד שמיקרו-בקרים אלו מציעים כוח מחשוב רב, רכיבים היקפיים בעלי ביצועים גבוהים וסביבות תוכנה מודרניות הם גם גדולים יחסית. זה הופך ליותר מאתגר לשלב אותם בתכנים מוגבלי-מקום, ועשוי לעכב את הפיתוח או להגדיל את גודל התכן.

הקוד המוגדל וצריכת ההספק הקשורים למיקרו-בקרים Bit‏-16‏ ו-Bit‏-32‏ יכולים גם להוביל לתכנים תת-אופטימליים. חסרונות אלו הם בעייתיים במיוחד עבור היישומים הרבים שאינם כרוכים במתמטיקה מורכבת ולכן אינם נהנים מהיכולות המתקדמות של מעבדים אלו.

ייתכן שהאיזון האידיאלי בין הפשרות הללו לא יהיה ברור בתחילת פרויקט, והחלפת מעבדים באמצע התכנון עלולה לעכב את הפיתוח או לפגוע בגודל או בפונקציונליות של המוצר. לפיכך, תכנים מוגבלי-מקום רבים יכולים להפיק תועלת ממיקרו-בקר מבוסס-8051 בעל יכולת גבוהה יותר המביא רבים מהיתרונות של מעבדי Bit‏-16‏ ו-Bit‏-32‏ לדומיין של Bit‏-8‏ בעל הספק נמוך וקומפקטי.

ה-EFM8BB50‏ מביא פונקציונליות רבה יותר למיקרו-בקרים Bit‏-8‏

Silicon Labs בנתה את משפחת EFM8BB50 של מיקרו-בקרים Bit‏-8‏ מתוך מחשבה על שיקולים אלה (איור 1). מיקרו-בקרים אלה מציעים ביצועים משופרים, רכיבים היקפיים מתקדמים וסביבת פיתוח תוכנה מודרנית.

איור 1‏: מוצגת דיאגרמת בלוקים של המיקרו-בקר EFM8BB50‏. (מקור התמונה: Silicon Labs)

לב ליבו של המיקרו-בקר הוא ליבת CIP-51 8051‏, מימוש Silicon Labs של ארכיטקטורת 8051 הממוטבת עבור ביצועים משופרים, צריכת הספק מופחתת ופונקציונליות משופרת. הביצועים ראויים לציון במיוחד. ב-EFM8BB50, הליבה משיגה מהירויות של עד 50 מגה-הרץ, ו-70% מההוראות מבוצעות במחזור שעון אחד או שניים. זה נותן למיקרו-בקרים ביצועים גבוהים משמעותית לעומת מעבדים Bit‏-8‏ מסורתיים, ומספק למפתחים מרווח עבור יישומים מורכבים יותר.

המיקרו-בקרים בולטים גם בממדים הזעירים שלהם. גרסות 16 פינים של המשפחה, כגון EFM8BB50F16G-A-QFN16‏, זמינות במארזים הקטנים עד כדי 2.5 מ"מ x‏ 2.5 מ"מ. גרסות 12 פינים כגון EFM8BB50F16G-A-QFN12‏ הן אף קטנות עוד יותר, עם גודלי מארז הקטנים עד כדי 2 מ"מ x‏ 2 מ"מ.

למרות הממדים הזעירים שלהם, המיקרו-בקרים EFM8BB50 טעונים עם מערך מרשים של מאפיינים, כולל:

• ממיר ADC‏ Bit‏-12‏, שהוא חיוני עבור יישומים הדורשים נתוני חיישן מדויקים
• חיישן טמפרטורה משולב המאפשר למיקרו-בקר לנטר את הטמפרטורה הפנימית שלו או את טמפרטורת הסביבה ללא צורך ברכיבים חיצוניים
• מערך מונה תלת-ערוצי ניתן-לתכנות (PCA) עם אפנון רוחב פולס (PWM) היכול להפיק אותות PWM לבקרת יציאה משתנה ביישומים כמו בקרת מנוע ועמעום LED
• מנוע PWM תלת-ערוצי עם הכנסת זמן מת (DTI‏) עבור בקרה נוספת של אלקטרוניקת הספק, כגון דוחפי מנוע או ממירי הספק

כניסות/יציאות (I/O) נוספות כוללות מגוון של ממשקי תקשורת טוריים, מערך של טיימרים Bit‏-8‏ ו-Bit‏-16‏ וארבע יחידות לוגיקה ניתנות-להגדרה. כל הפינים במשפחת המיקרו-בקרים הם בעלי יכולת 5 וולט, וניתן להקצות את ה-I/O‏ הדיגיטלי בצורה גמישה כדי להפיק את המרב ממספר הפינים המוגבל.

ניהול הספקת-כוח מתקדם

ה-EFM8BB50 משלב מספר מאפייני ניהול אנרגיה כדי למטב את צריכת ההספק ולהאריך את חיי הסוללה. אלה מתחילים עם מספר אופני הספק, כולל אופן סרק המוריד את מהירות השעון הליבה תוך שמירה על רכיבים היקפיים אקטיביים. אופן עצירה הולך רחוק יותר על ידי עצירת הליבה ורוב הרכיבים ההיקפיים תוך שמירה על תוכן זיכרון ה-RAM והרגיסטר. ניתן להגדיר חלק הרכיבים ההיקפיים כך שיקיץ את הליבה מאופן עצירה, ויועיל ליישומים מונעי-אירועים הנותרים בעיקר במצב של צריכת הספק נמוכה.

אפשרויות שעון גמישות מסייעות עוד יותר בשימור ההספק. מתנד פנימי מדויק מבטל את הצורך במתנדי גביש חיצוניים בתרחישים רבים, ומפחית את צריכת ההספק הכוללת. המיקרו-בקר תומך גם ב-Gating‏ של השעון, אשר משבית באופן סלקטיבי שעונים לרכיבים היקפיים שונים, ומאפשר למפתחים לכבות את אלה שאינם בשימוש.

הרכיבים ההיקפיים גם מתוכננים מתוך מחשבה על נצילות ההספק. במיוחד יש לציין כי יחידת הלוגיקה הניתנת-להגדרה (CLU‏) יכולה לבצע פונקציות לוגיקה פשוטות באופן עצמאי, ולהפחית את הצורך של הליבה להתעורר מאופני צריכת הספק נמוכה עבור משימות פשוטות. בנוסף, Low Energy UART‏ (LEUART‏) יכול לפעול באופני הספק שבהם המתנד הראשי מושבת ומאפשר תקשורת טורית במצבי הספק נמוך.

תמיכה בפיתוח תוכנה אינטואיטיבי

המפתחים יכולים לבנות תוכנה עבור משפחת EFM8BB50 באמצעות חבילת התוכנה Simplicity Studio של Silicon Labs‏. סביבה זו משמשת עבור ה-EFM8BB50‏ Bit‏-8‏, המיקרו-בקרים Bit‏-32‏ של החברה, ועבור מערכות האלחוט שלה על-השבב (SoCs‏). כתוצאה מכך המפתחים מקבלים סביבה מודרנית עם המאפיינים להם הם מצפים עבור מעבדים חזקים יותר. לדוגמה, הוא מציע יוצר פרופיל אנרגיה המעניק פרופיל הספק קוד בזמן-אמת (איור 2).

איור 2‏: Simplicity Studio‏ כולל יוצר פרופיל אנרגיה המעניק פרופיל הספק של הקוד בזמן-אמת. (מקור התמונה: Silicon Labs)

הכלים בנויים סביב סביבת פיתוח משולבת (IDE) עם עורכי קוד סטנדרטיים, קומפיילרים, מנפי באגים ומנוע ממשק משתמש (UI) עבור פיתוח ממשקים מודרניים ומגיבים. סביבת פיתוח זו מספקת גישה למשאבי אינטרנט ו-SDK ספציפיים-להתקן, כמו גם לכלי הגדרת תצורת תוכנה וחומרה מיוחדים.

Simplicity Studio תומך גם ב-Secure Vault‏ של Silicon Labs. חבילת אבטחה מתקדמת ביותר עם הרשאת PSA‏ Level 3‏, ה-Secure Vault‏ מאפשרת למתכננים להקשיח את התקני האינטרנט של דברים (IoT) ולהגן על משטח ההתקפה שלהם מפני הסלמה של איומי סייבר תוך התאמה לתקנות אבטחת סייבר מתפתחות.

התחלה מהירה עם ערכות הערכה

מפתחים המעוניינים להתנסות עם EFM8BB50 יכולים לשקול את ערכת Explorer‏ BB50-EK2702A‏ המוצגת באיור 3. ערכה בעלת גורם צורה קטן זו מיושרת עם מידות של לוח אב-טיפוס לטובת חיבור קל למערכות אב-טיפוס ולחומרת מעבדה. היא כוללת ממשק USB, מנפה-באגים מובנה SEGGER J-Link, נורת LED וכפתור עבור אינטראקציית משתמש. הערכה נתמכת במלואה על ידי חבילת התוכנה Simplicity Studio, וניתן להשתמש בה עם כלי השירות Energy Profiler‏. דוגמאות תוכנה ניתנות עבור כל רכיב היקפי, וההדגמות מפעילות את ה-LED, הלחצן וה-UART.

איור 3‏: Explorer Kit‏ BB50-EK2702A‏. (מקור התמונה: Silicon Labs)

הערכה כוללת תושבת mikroBUS ומחבר Qwiic. תמיכת תוסף חומרה זו מאפשרת למפתחים ליצור במהירות אב-טיפוס של יישומים באמצעות לוחות-מן-המדף של ספקים שונים.

מפתחים המעוניינים בנקודת התחלה מקיפה יותר יכולים להשתמש בערכת BB50-PK5208A Pro‏המוצגת באיור 4. מתוכננת עבור הערכה ובדיקה לעומק, ערכה זו מכילה חיישנים ורכיבים היקפיים המדגימים רבות מהיכולות של המיקרו-בקר.

איור 4‏: ערכת BB50-PK5208A Pro‏ עבור הערכה ובדיקה לעומק. (מקור התמונה: Silicon Labs)

ערכת Pro כוללת חיבוריות USB, זיכרון LCD 128‏ x‏ 128‏ פיקסלים בהספק אולטרה-נמוך, ג'ויסטיק אנלוגי עם שמונה כיוונים, LED‏, ולחצן משתמש. הוא כולל גם חיישן טמפרטורה ולחות יחסית Si7021‏ של Silicon Labs ומספר מקורות הספקת-כוח, כולל USB וסוללת תא כפתור.

להרחבה הלוח מציע פס-פינים עם 20 פינים, 2.54 מ"מ. הוא מספק גם פדי פילוג (Breakout‏) עבור גישה ישירה לפיני I/O. כמו עם ערכת Explorer, ערכת Pro תומכת ב-Energy Profiler ונשלחת עם דוגמאות תוכנה עבור כל הרכיבים ההיקפיים.

אפשרויות ניפוי באגים EFM8BB50

Silicon Labs מציעה מספר מנפי-באגים לתמיכה במיקרו-בקרים שלה. עבור ניפוי באגים למטרות כלליות, החברה מציעה את DEBUGADPTR1-USB‏, מתאם ניפוי באגים USB‏ Bit‏-8‏ ל עם מחבר פשוט עם 10 פינים.

יכולות מיוחדות יותר זמינות מ-Simplicity Link Debugger‏ SI-DBG1015A‏. הוא מתחבר לממשק ה-Mini Simplicity הכלול בשתי הערכות שהוזכרו לעיל. בנוסף לפונקציונליות הבסיסית שלו, Simplicity Link מציע יכולות נוספות, לרבות מנפה-באגים SEGGER J-Link‏, Packet Trace Interface‏, נקודת-חיבור COM וירטואלית, ופדי פילוג (Breakout‏) לטובת בדיקה קלה של אותות בודדים.

סיכום

מיקרו-בקרים 8051 מודרניים כמו ה-EFM8BB50 מביאים לדומיין Bit‏-8‏ מאפיינים הקשורים בדרך כלל להתקני Bit‏-16‏ ו-Bit‏-32‏. עם מהירויות שעון גבוהות, רכיבים היקפיים עם ביצועים גבוהים וסביבת פיתוח תוכנה חזקה, משפחת מיקרו-בקרים זו מעניקה למפתחים את התמהיל הנכון של יכולות עבור מספר הולך וגדל של יישומים שבהם המקום וההספק מוגבלים אך נדרשים ביצועים וגמישות גדולים יותר.