מאז שנות ה-70, מיקרו-בקרים, או MCUs, מילאו תפקיד חשוב בשליטה במגוון מוצרי רכב, צריכה ותעשייתיות. כיום, תפקיד זה התרחב לכלול מוצרי אינטרנט של הדברים (IoT) ניידים, אלחוטיים ולבישים. לצד ה-IoT, שירותי הבריאות אנו עדים לצמיחה מסיבית ואימוץ של MCUs 8-bit לצורך מגוון יישומים.
אלקטרוניקה המשובצת עם MCUs 8-bit דורשת התקנים יעילים ובעלי יכולת להתחרות ביתרונות גודל (מאות אלפי- מיליוני יחידות לכל יישום). לדוגמה, ביישומי רכב, MCUs 8-bit שולטים בתתי מערכות מגוונים, כגון מושבים וחלונות ממונעים ועד לידיות חכמות לדלתות ואפילו חיישני לחץ בצמיגים. משמעות הדבר היא שהפרש מחירים של אגורות בודדות הוא די חשוב. היבט נוסף של עלות היישום, שלעתים קרובות אינו עולה בשלב התכנון, הוא עלות תחזוקת מיליוני מכשירים. ניתן לשפר את אמינות ועמידות המכשיר באמצעות פישוט קוד וחומרה במקום דרישת תוכנה בעלת יתירות.
בין הסיבות לכך שמכשירי MCUs 8-bit ממשיכים לשגשג ולעמוד בתחרות במשך השנים, היא יכולתם לספק ערך למשתמש. הצלחה זאת הושגה על ידי חידושים מתמשכים במספר תחומים, אך במיוחד בזיכרון, צריכת חשמל, אריזה וציוד היקפי עצמאי (CIP).
שיפורים דרמטיים ב-8 Bit
ככל שההתמקדות ב-IoT גודלת וערים שלמות משודרגות עם מכשירים חכמים, היכולת ליישם מודיעין בקנה מידה רחב הפכה לקריטית עבור תעשיות רבות. בין שדרוגים אלו נכללים פנסי רחוב חכמים, גלאי חניה בכל מגרש חניה — לא רק מונה בודד בכניסה. ממיקרו-בקרים נדרשות תכונות מסוימות ליצירת סביבה המסוגלת ל-IoT. ניתן לתמצת תכונות אלה לשלושה יכולות: היכולת לאסוף נתונים, לעבד את הנתונים, ולאחר מכן לתקשר את הנתונים למכשירים אחרים ברשת.
במקרים רבים, ניתן להשלים את האיסוף, העיבוד וההעברת הנתונים על ידי MCU של 8 סיביות עם ממיר אנלוגי-דיגיטלי (ADC) על-שבב, בעוד שליבת המכשיר נשארת במצב צריכת חשמל נמוכה. לדוגמה, החיישנים/המחוונים בחניון חכם, תאורת רחוב מחוברת, גינון עירוני אוטומטי וניטור צמחים – כולם מועמדים בגישה זו. כל mW של הספק המוכפל באלפים ממש מצטבר כשהמערכת פועלת יום ולילה.
לא רק שיתרונותם וערכם של מכשירים קטנים יותר באים לידי ביטוי בצריכת החשמל המופחתת שלהם, אלא גם מקדם הצורה הקטן יותר שלהם, אשר מאפשר להם להשתלב בחלל מוגבל במוצרי IoT ניידים המופעלים על ידי סוללה.
הדור החדיש ביותר של מיקרו-בקרים מפותח עם תחושת הערך הזו בחשבון. באמצעות תהליכים חדשים, המאפשרים זיכרון גדול יותר בעלויות נמוכות יותר, מיקרו-בקרים אלו מתחשבים בארנק המשתמש תוך שהם מספקים את הפונקציונליות הנדרשת ליישום.
המיקרו-בקרים של אשתקד שונים בהרבה מהמכשירים הקיימים בשוק היום. מכשירים אלו היו מהפכניים לזמנם, ועיצבו מחדש את נוף המעגלים החשמליים המשובצים. בשל הקפיצות שנעשו בפיתוח זיכרון פלאש, תוכניות מודרניות צצו כדי למלא את תכולה זו.
בהתחשב במגמת ההתקדמות של יישומים יותר מורכבים, תוכניות חדשות דורשות יותר מקום/זיכרון. כתוצאה מכך, דורות חדשים של MCUs כוללים כמות הולכת וגדלה של זיכרון, במידת הצורך, כדי להקל על הצורך ההולך וגובר במרחב קוד.
זיכרון פלאש משובץ יכול להחזיק מעמד שנים, כנדרש ומוכח על ידי בדיקות רכב מאומצות, ומסוגל לסבול מחזורי כתיבה ומחיקה רבים. יכולות אלו מוסיפות מימד נוסף לערך המוצע של MCU 8-bit. כיום, כמות הזיכרון במיקרו-בקר 8 bit נעה בין 384 סיביות עד 128 קילו-בייט, ואף יותר, כדי לתמוך במספר הולך וגדל של יישומים.
צריכת חשמל
מאחר וכמות ניכרת של רכיבי MCU 8-bit משמשים ביישומים המופעלים על ידי סוללה, בין השינויים המשמעותיים שהתרחשו הוא החיפוש אחר צריכת החשמל הנמוכה ביותר.
לדוגמה, NanoWatt XLP eXtreme Low Power PIC® MCUs כוללים מעגלי פיקוח על המערכת שתוכננו במיוחד עבור מוצרים המופעלים על ידי סוללות. המשמעות היא שמיקרו-בקרים אלה יכולים להציע את הזרמים הנמוכים ביותר בתעשייה עבור ריצה ושינה, שבהם יישומי הספק קיצוני נמצאים 90%-99% מזמנם. מעגלים, כגון השבתת מודול היקפי, מסירים לחלוטין ציוד היקפי ממסילת החשמל ומעץ השעון כדי לאפס דליפת חשמל. יתרונותם של טכנולוגיית NanoWatt XLP כוללים:
- זרמי שינה מתחת ל-20 nA
- Brown-out איפוס עד 45 nA
- טיימר כלב שמירה עד ל-220 nA
- שעון/לוח שנה בזמן אמת עד 470 nA
- הפעל זרמים עד 50 μA/MHz
- יכולת אנלוגית וכתיבה עצמית מלאה עד 8V
זרמים נמוכים אלה מסתכמים בחיי סוללה מוגברים עבור יישומים ניידים. חיסכון נוסף בצריכת החשמל אפשרי באמצעות ציוד היקפי אופטימלי עליו נדון בהמשך.
איור 1.משפחות רבות של מוצרי PIC ו-AVR מציעות מגוון של חבילות קטנות כמו התקני VQFN בגודל 3×3 מ”מ עבור יישומים מוגבלי גודל.
אריזה
הבדל עיקרי נוסף עבור 8-bit לעומת 16-bit או 32-bit MCUs הוא החבילות הקטנות המאפשרות למכשירי 8-פינים להשתלב בחללים הקטנים ביותר במוצרים אלחוטיים/ניידים ולבישים מודעים למרחב. לדוגמה, SOIC 8 פינים או DFN 8 פינים. חבילה פופולרית היא 20 פינים Very Thin Quad Flat Pack No-Leads (VQFN) בעלת טביעת רגל של 3 x 3 מ”מ. בעוד שהוספת תכונות נוספות עשויה לחייב יותר חיבורים ואריזה גדולה יותר, MCU 8-bit עם יכולת מספקת יכולים להשתלב בחללי לוח האוסרים את השימוש ב-MCU של 16 סיביות או 32 סיביות.
אם היכולת המוגברת של MCU 8-bit דורשת שטח גדול יותר ויותר חיבורים בשל מורכבות המערכת המוגברת שהוא מספק, נעשה שימוש גם בחבילות גדולות יותר, כולל 40 פינים PDIP ו-VQFN ו-44 פינים TQFP.
הפרדת היבטים מסוימים של המיקרו-בקר מהליבה המרכזית מספקת אוטונומיה מהליבה ומספר יתרונות, במיוחד עבור עיצובים בהספק/עלות נמוך. לציוד היקפי בלתי תלוי בליבה זה יש פונקציונליות מוגברת המובנית להפחתת צריכת החשמל ועיצוב מודולרי המפשט את יישומן של ממשקי מגע, צבירת נתוני חיישן והתניה, כמו כן פישוט הטמעת תוכנה מורכבת בחומרה ועוד.
CIPs מתוכננים עם יכולות נוספות להתמודדות עם מגוון משימות ללא צורך בהתערבותה של יחידת העיבוד המרכזית (CPU) של המיקרו-בקר. גישת עיצוב זו מספקת אמצעי ארוז מראש לתכנות אירועים על בסיס ציוד היקפי. לדוגמה, מערכת האירועים יכולה להפעיל אירועים בהתבסס על קלט/פלט למטרות כלליות (GPIO) או הפרעות בתוכנית בערוצים מרובים
CIPs הזמינים כעת עבור מיקרו-בקרי 8-bit PIC® ו-AVR® באיור 2 מוצגים בקוד צבע לפי קטגוריית ציוד היקפי. שמונה הקטגוריות ותתי הקטגוריות שלהן נותנות מענה לרוב הפונקציונליות הצפויה מבקר מוטבע חסכוני. שימו לב שהפריטים הירוקים מספקים אפשרויות נוספות להפחתת הספק כפי שהוזכר קודם לכן.
איור 2.Core Independent Peripherals נותנים מענה למגוון תחומי עיצוב MCU 8-bit.
CIPs מספקים אמינות מוגברת על ידי הפחתת כמות התקורה של הקוד. פונקציות המיושמות עם מבני חומרה מונעות התנגשויות תוכנה אפשריות. בנוסף, קישוריות היקפית בחומרה מפחיתה את החיבורים החיצוניים ומגדילה את אמינות מערכת הקצה. האמינות המוגברת של הרכיבים מפחיתה את העלות לאורך חיי הפרויקט.
רבות מהמשפחות החדשות של 8-bit מספקות שפע של אפשרויות בזיכרון ובפינים. אלה מאפשרים להשלים פיתוח במכשירים גדולים יותר ולהקטין את הייצור למכשירים הקטנים יותר כאשר גודל הקוד בפועל עבר אופטימיזציה.
לדוגמה, במגוון חבילות עבור יישומי חיישן רגישים לעלות ויישומי בקרה בזמן אמת, ערכת התכונות הפשוטה של משפחת המיקרו-בקרים PIC16F152XX כוללת ממיר אנלוגי-דיגיטלי (ADC) של 10 סיביות, בחירת פינים היקפיים (PPS), וציוד תקשורתי דיגיטלי היקפי וטיימרים. תכונות הזיכרון כוללות את מחיצת הגישה לזיכרון (MAP) לתמיכה במשתמשים ביישומי הגנת נתונים ויישומי אתחול.
כלי עיצוב להאצת והפשטת העיצוב
עם התקדמות בכלי הפיתוח, ניתן לפשט וליצור רבים מהתהליכים שמקודם דרשו צורך בקידוד קשיח באמצעות כלי העיצוב המתאימים, כגון MPLAB® Code Configurator (MCC). יש לכך מספר יתרונות, כגון הפחתת הזמן הדרוש לפיתוח יישום, אבל גם היכולת ליישם קוד קומפקטי יותר ממה שמעצב היה מפתח ללא מספר איטרציות הקוד, או כתיבת הקוד מאפס בשלב הרכבה. לדוגמא, PIC16F15244 Curiosity Nano Evaluation Kit (פריט מספר: EV09Z19A) הוא בעל יכולות תכנות וניפוי באגים מלאות, ומציע תמיכה מלאה בעיצוב החדש.
איור 3.לוח ההערכה PIC16F15244 Curiosity Nano ושתי רצועות 100mil, 1×15 פינים בערכת Curiosity Nano Evaluation מסייעים לפשט את העיצוב.
לבסוף, הסביבה המשולבת של MPLAB® X (IDE) מספקת סביבת פיתוח חינמית לפיתוח קוד עבור MCU 8-bit (ו-16 ו-32 סיביות) לצורך הדמיה, ממשק עם כלי חומרה וגישה ל-Microchip וכן לפלאג-אין שלישי.
עתיד בהיר (וחסכוני)
המיקרו-בקרים עברו כברת דרך ומכשירי MCU 8-bit הפגינו חוסן אדיר וחידושי יישומים באמצעות התקדמות בזיכרון, צריכת חשמל, אריזה וציוד היקפי. לא רק שהם בעלי זיכרון גדול שעשוי להידרש ליישומים מורכבים, אלא גם בעלי דרכים רבות ושונות לפישוט יישומים מורכבים. ניתן לממש הפשטה זאת בהפחתת הכסף/זמן שהושקע בפיתוח הפרויקט, אך גם בהפחתת עלויות כאשר ה-MCU נכנס לייצור.
ה-MCU 8-bit של היום אינם מוגבלים רק לאיסוף נתונים. הם אוספים, מעבדים ומעבירים נתונים במספר רב של יישומי IoT. מוצרים חדשים של 8-bit הגיבו למורכבות ההולכת וגוברת של יישומים גדולי זיכרון מוגדלים וציוד היקפי אופטימלי. עם זאת, עיצובים בפורמט קטן ותכנונים הרגישים לעלויות, כולל חיישן ויישומי בקרה פשוטים בזמן אמת, יכולים להפיק תועלת ממערך התכונות הפשוט של משפחת 8-Bit PIC16F152xx. עם ציוד הליבה העצמאי שלהם, מכשירי MCU אלה הם הבחירה הברורה עבור רוב המעצבים.
PIC, AVR ו-MPLAB הם סימנים מסחריים רשומים של Microchip Technology Inc.
