嵌入式系統(tǒng)已成為生活中不可或缺的一部分。嵌入式系統(tǒng)的各種創(chuàng)新開(kāi)辟了幾個(gè)新的商機(jī)，吸引了行業(yè)巨頭和創(chuàng)業(yè)公司的關(guān)注。不斷增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)潛力促使公司投資于未來(lái)的產(chǎn)品創(chuàng)新。嵌入式設(shè)計(jì)師一直面臨著創(chuàng)新的壓力，以滿足這些市場(chǎng)需求。

隨著商業(yè)潛力的增加，許多公司已經(jīng)進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域，創(chuàng)造了激烈的競(jìng)爭(zhēng)。為了實(shí)現(xiàn)差異化，公司正專注于增強(qiáng)產(chǎn)品供應(yīng)和優(yōu)化成本競(jìng)爭(zhēng)力。

微控制器是嵌入式系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，必須跟上不斷變化的系統(tǒng)需求的挑戰(zhàn)。這導(dǎo)致PIC?微控制器的推出與Microchip Technology的集成度達(dá)到了新的水平。

具有內(nèi)核獨(dú)立外設(shè)的PIC單片機(jī)

這些新型PIC單片機(jī)引入了 - 芯片獨(dú)立核心外設(shè)（CIP）提供靈活性，可擴(kuò)展性和增強(qiáng)性能，以滿足不斷變化的創(chuàng)新需求，同時(shí)仍保持低功耗和成本競(jìng)爭(zhēng)力。

CIP提供增強(qiáng)的性能，靈活性和可擴(kuò)展性具有以下功能：

獨(dú)立模塊，無(wú)需中央處理單元（CPU）的持續(xù)監(jiān)控即可運(yùn)行

高吞吐量和接近零延遲的專用硬件

與其他片上外設(shè)直接交互以實(shí)現(xiàn)自持式閉環(huán)系統(tǒng)，提供更高的集成度

智能模塊幾乎不需要處理器資源即可運(yùn)行

低功耗消費(fèi)與capabi在節(jié)能模式下運(yùn)行，使其成為低功耗設(shè)計(jì)的理想選擇

圖1：Microchip的帶有CIP的PIC單片機(jī)提供多種功能優(yōu)勢(shì)

CIP采用硬件設(shè)計(jì)，以經(jīng)濟(jì)高效的方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能。與需要閃存，RAM，必要處理器帶寬和外部組件的用戶固件類似的實(shí)現(xiàn)相比，使用CIP設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能的增量成本要低得多。 CIP允許PIC MCU執(zhí)行極其復(fù)雜和專用的任務(wù)，幾乎不與CPU交互。這樣可以降低整體功耗，同時(shí)還可以釋放CPU來(lái)執(zhí)行其他任務(wù)。此外，通過(guò)使用集成外設(shè)替換片外分立元件，CIP可顯著節(jié)省BOM成本。此外，CIP使并行處理能夠與CPU一起實(shí)現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，而無(wú)需具有更高處理能力的更昂貴的MCU。

PIC微控制器中的外設(shè)集成

CIP存在于許多PIC MCU上，包括PIC16，PIC18，PIC24，dsPIC33和PIC32MM系列。 16位PIC24和dsPIC33器件中包含的一些CIP包括外設(shè)觸發(fā)發(fā)生器（PTG），可配置邏輯單元（CLC），帶隨機(jī)數(shù)發(fā)生器（RNG）的加密引擎，帶有消隱和數(shù)字濾波器功能的高速比較器，和多個(gè)捕捉/比較/PWM（MCCP）。

圖2：新PIC MCU中的外設(shè)集成

使用CIP提高性能

核心獨(dú)立外設(shè)降低了處理器資源需求并允許并行處理的實(shí)現(xiàn)，從而導(dǎo)致增強(qiáng)性能。例如，加密引擎能夠支持AES，DES和3DES對(duì)稱加密和解密。為了在軟件中實(shí)現(xiàn)這些例程，它需要大約1-6 KB的Flash和100-400字節(jié)的RAM。通過(guò)使用加密引擎CIP，幾乎沒(méi)有Flash或RAM要求，這些資源可用于執(zhí)行最終應(yīng)用程序的其他功能。

圖3：加密/解密的閃存和RAM要求

作為硬件模塊的加密引擎與軟件中的類似實(shí)現(xiàn)相比具有非常高的吞吐量。加密引擎CIP執(zhí)行加密和解密的速度大約是軟件加密實(shí)現(xiàn)的十倍，同時(shí)消耗的功率幾乎相同。這些是需要高度安全數(shù)據(jù)吞吐量的功耗敏感應(yīng)用的重要因素。幾乎相同功耗下的高吞吐量將應(yīng)用的整體能效提高了大約十倍。由于此CPU在CPU處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)也能夠在低功耗模式下運(yùn)行，因此可以在需要安全性的電池供電應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)整體較低的系統(tǒng)功耗，例如物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用。

用于系統(tǒng)功能擴(kuò)展和成本節(jié)約的CIP

隨著需求的發(fā)展和促進(jìn)創(chuàng)新，CIP有助于擴(kuò)展系統(tǒng)功能。外設(shè)觸發(fā)發(fā)生器（PTG）是一個(gè)用戶可編程的序列發(fā)生器，可以生成具有復(fù)雜輸入的觸發(fā)器，以協(xié)調(diào)其他外設(shè)的操作。作為“核心獨(dú)立”，PTG在一個(gè)外圍設(shè)備中滿足多個(gè)系統(tǒng)需求。 PTG減少了對(duì)CPU干預(yù)的需求，并帶來(lái)了將多個(gè)外設(shè)連接到閉環(huán)系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性，從而擴(kuò)展了整個(gè)系統(tǒng)的功能。

PTG可以有效地用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制中的集成功率因數(shù)校正等應(yīng)用。該應(yīng)用需要三個(gè)PWM通道來(lái)控制電機(jī)功能，另外還需要一個(gè)PWM來(lái)控制功率因數(shù)校正（PFC）操作?？梢允褂煤?jiǎn)單的輸出比較（OC）外設(shè)來(lái)增加器件上可用的PWM通道數(shù)量，超出高速PWM通道。但是，在PFC等應(yīng)用中，最佳執(zhí)行時(shí)間對(duì)于在給定的時(shí)間窗口內(nèi)完成以下任務(wù)非常重要：

同步電機(jī)控制PWM和PFC PWM

觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）動(dòng)作和切換用于電機(jī)控制和PFC信號(hào)的ADC通道

這些要求，同步以及ADC觸發(fā)生成都得到有效解決通過(guò)單個(gè)PTG模塊。通過(guò)PTG實(shí)現(xiàn)PFC與電機(jī)控制的集成，它還消除了對(duì)雙芯片設(shè)計(jì)的需求，從而顯著降低了系統(tǒng)級(jí)成本。

能效

便攜式設(shè)備，手持設(shè)備，可穿戴設(shè)備和家庭安全是一些最受歡迎的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。這些應(yīng)用由電池供電，必須在充電或更換之間延長(zhǎng)使用壽命。在這些應(yīng)用中使用的微控制器必須經(jīng)過(guò)功率優(yōu)化和靈活，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能設(shè)計(jì)。采用CIP的新一代極低功耗（XLP）PIC MCU提供業(yè)界最佳的低功耗規(guī)范，以滿足低功耗設(shè)計(jì)要求。

圖4：XLP PIC MCU提供同類最佳的電源規(guī)格

XLP MCU提供一系列低功耗模式，以滿足各種設(shè)計(jì)要求。 XLP模式根據(jù)用戶配置保持MCU的不同資源處于活動(dòng)狀態(tài)，而其余模塊則關(guān)閉。

圖5：省電模式XLP PIC MCU的實(shí)現(xiàn)

為了增強(qiáng)功耗，XLP PIC MCU中的CIP也消耗最少的功率，以幫助實(shí)現(xiàn)低功耗實(shí)現(xiàn)。

使用CIP提升產(chǎn)品

由于激烈的競(jìng)爭(zhēng)，許多嵌入式公司都在尋求差異化產(chǎn)品和增強(qiáng)產(chǎn)品，同時(shí)最大限度地降低成本。多功能CIP可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品增強(qiáng)，無(wú)需額外開(kāi)銷。例如，在提高無(wú)人機(jī)的承載能力的情況下，需要更高的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)（RPM）馬達(dá)。較高轉(zhuǎn)速的電機(jī)控制通常要求MCU具有更高的處理能力和先進(jìn)的模擬功能，如高采樣率和多通道ADC。然而，具有消隱和數(shù)字濾波器功能的高速比較器（HS比較器）等CIP的存在以及MCU中的精密電壓參考模塊消除了遷移到先進(jìn)，成本更高的MCU的需要。外圍組合用作閾值信號(hào)監(jiān)視器并有效地監(jiān)視電動(dòng)機(jī)參數(shù)。由于HS比較器沒(méi)有正常ADC的低采樣率限制，因此無(wú)需在MCU中使用高速ADC。如前所述，CIP的所有這些優(yōu)勢(shì)減少了對(duì)額外處理器資源的需求，并且無(wú)需遷移到更昂貴的MCU。

產(chǎn)品增強(qiáng)的另一個(gè)方案是提高公用事業(yè)電表的準(zhǔn)確性。公用事業(yè)儀表中的能量測(cè)量精度取決于監(jiān)測(cè)電壓和電流信號(hào)之間的相位差的精度，以計(jì)算負(fù)載功率因數(shù)。測(cè)量?jī)蓚€(gè)信號(hào)之間相位差的最常用方法是比較兩個(gè)信號(hào)的零交叉和外推相位角之間的時(shí)間間隔。為了準(zhǔn)確估計(jì)相位差，采樣率應(yīng)足夠高，以最大限度地減少外插誤差，如高速ADC。當(dāng)單個(gè)ADC需要采用時(shí)分復(fù)用方法對(duì)所有三個(gè)信號(hào)（電壓，電流和中性信號(hào)）進(jìn)行采樣時(shí)，情況會(huì)變得更加復(fù)雜。在這種情況下，有效采樣率要求增加了三倍。

圖6：在公用事業(yè)儀表中測(cè)量相移以確定功率因數(shù)

可配置邏輯單元（CLC）等CIP通過(guò)擴(kuò)展其實(shí)現(xiàn)硬件相位檢測(cè)器的能力，有助于提高相位差測(cè)量的精度。具有輸入捕捉（IC）外設(shè)的CLC可以測(cè)量相同頻率的兩個(gè)信號(hào)之間的相位差。 CIP的組合提供更好的分辨率并提供超前/滯后信息。這擴(kuò)展了CLC使能增強(qiáng)功能，無(wú)需遷移到更昂貴，更高性能的MCU。

圖7：相位檢測(cè)器CIP有助于提高相位差測(cè)量的準(zhǔn)確度

設(shè)計(jì)優(yōu)化

嵌入式公司的差異化，系統(tǒng)級(jí)成本優(yōu)化的目標(biāo)不能受到影響。 PIC MCU通過(guò)各種功能實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。

Microchip的PIC MCU與CIP一起，還包括集成模擬外設(shè)，如片內(nèi)sigma-delta ADC，高速SAR ADC和集成運(yùn)算放大器具有內(nèi)置控制功能的芯片可在不需要CPU干預(yù)的情況下做出明智的決策。這些集成的模擬模塊無(wú)需創(chuàng)建多芯片外部組件設(shè)計(jì)。集成的單芯片解決方案顯著降低了系統(tǒng)級(jí)成本，節(jié)省了PCB空間，提供了更好的優(yōu)化。該解決方案占地面積小，甚至可以滿足空間受限應(yīng)用（如可穿戴設(shè)備和傳感器應(yīng)用）的要求。

此外，片上CIP有助于實(shí)現(xiàn)多個(gè)擴(kuò)展應(yīng)用并卸載許多應(yīng)用。來(lái)自CPU的確定性例程。因此，使用CIP的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)需要較少的處理器資源，如帶寬，閃存和RAM。通過(guò)從CPU中移除負(fù)載，CIP可以在沒(méi)有昂貴的多核MCU的情況下實(shí)現(xiàn)多個(gè)并行進(jìn)程。作為硬件模塊的CIP對(duì)刺激響應(yīng)更快，并以更高的吞吐量實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能。 CIP的所有這些屬性減少了遷移到更高內(nèi)存，更高處理能力的MCU的需求，并優(yōu)化了設(shè)計(jì)成本。

結(jié)論

隨著Microchip專注于創(chuàng)新，PIC MCU不斷發(fā)展更好地滿足客戶現(xiàn)在和未來(lái)的需求。目標(biāo)不僅是解決未來(lái)嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)要求，還要解決整體業(yè)務(wù)挑戰(zhàn)。 PIC單片機(jī)中的核心獨(dú)立外設(shè)解決了嵌入式系統(tǒng)中的新興需求和挑戰(zhàn)，并為開(kāi)發(fā)人員提供了創(chuàng)建突破性應(yīng)用的靈活性。