小型微控制器可以適應(yīng)緊湊的空間并很好地完成所需的目的，但幾乎按照定義，它們將受I/O限制。即使是小型6引腳微處理器，其中一個(gè)解決方案是使用串行總線(xiàn)或移位寄存器來(lái)擴(kuò)展可用的I/O量。具有并行總線(xiàn)的稍大的部件可以使用外部多路復(fù)用器和鎖存器以及地址解碼和讀/寫(xiě)信號(hào)。這些方法可以很容易地一次按8，16或32位的塊擴(kuò)展I/O量。

問(wèn)題是這些解決方案需要更多芯片，特殊代碼塊來(lái)移位和寫(xiě)入（或讀?。?，并且可能會(huì)引入延遲時(shí)間。雖然較小的微處理器可以比較大的部件便宜，但是當(dāng)你將分立式鎖存器，解碼器，多路復(fù)用器，解復(fù)用器，采集成本和部件所有權(quán)的所有成本加起來(lái)，加上每個(gè)器件的插入成本，成本方面它既可以是洗滌，也可以使用較大的包裝而不是較小的包裝。

本文介紹具有高I/O引腳數(shù)的16位微控制器。我們將檢查一些提供I/O數(shù)量為100或更多的部件，以及一些具有增強(qiáng)性能的特殊功能的部件。在此過(guò)程中，我們將指出只有外部部件可以解決的好處和限制。

優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)有時(shí)候，帶有外部鎖存器或邏輯的小型微處理器可以做大型部件無(wú)法做到的事情。例如，散布在印刷電路板（PCB）周?chē)幕旌螴/O信號(hào)電平可能需要特定的電平移位器，這種電平移位器在本機(jī)方式中很少支持微支撐（如LVDS）。當(dāng)開(kāi)路集電極部分偏置在較高電壓電平時(shí)，電平轉(zhuǎn)換到較高電壓輸出非常容易。輸入電平可以通過(guò)電阻器被動(dòng)衰減，但在高速時(shí)，電流限制會(huì)延長(zhǎng)上升和下降時(shí)間，因?yàn)榻Y(jié)電容成為一個(gè)更普遍的問(wèn)題。這里可以更好地使用活動(dòng)緩沖區(qū)。

高I/O部件也可能導(dǎo)致路由問(wèn)題。當(dāng)大量I/O散布在電路板周?chē)鷷r(shí)，將并行總線(xiàn)和來(lái)自中央處理器的信號(hào)路由到各種鎖存器或緩沖器會(huì)導(dǎo)致一點(diǎn)一點(diǎn)的信號(hào)偏移，并且可能需要額外的布線(xiàn)層。這增加了PCB的成本并且還可能影響可靠性。使用如此密集布線(xiàn)的電路板，調(diào)試和故障排除可能是一場(chǎng)噩夢(mèng)（圖1，左）。

圖1：可以使用外部并行鎖存器和驅(qū)動(dòng)器來(lái)擴(kuò)展I/O（左）的較小的微控制器可能需要額外的PCB層，因?yàn)樾枰芏噗E線(xiàn)。串行方案（右）可以解決這個(gè)問(wèn)題，但會(huì)引入延遲時(shí)間。

使用高速串行總線(xiàn)，只有來(lái)自中心微處理器的少量信號(hào)需要以菊花鏈方式穿過(guò)PCB區(qū)域。鎖存器的所有輸出同時(shí)改變，幾乎消除了信號(hào)到信號(hào)的偏斜和抖動(dòng)。這也極大地簡(jiǎn)化了PCB布線(xiàn)（圖1，右圖）。端點(diǎn)可能需要終止。

大多數(shù)大型微型計(jì)算機(jī)的最大限制是用于直接連接到功率LED和執(zhí)行器的更高驅(qū)動(dòng)信號(hào)的數(shù)量。 8位7段LED顯示器可能需要8個(gè)高電流吸收器和7或8個(gè)高電流源線(xiàn)，以滿(mǎn)足多路復(fù)用共陽(yáng)極顯示器的需求。這可能是很多電流通過(guò)微型電路，因此，具有更高驅(qū)動(dòng)能力的外部鎖存器，驅(qū)動(dòng)器和多路復(fù)用器可能是更好的選擇。

盡管如此，有時(shí)候具有大量I/O的中央處理器是更好的解決方案。首先，可以通過(guò)微加電非?？焖俚卦O(shè)置上電狀態(tài)，并且通常更具確定性。觸發(fā)器和鎖存器可以在隨機(jī)狀態(tài)下上電，這在驅(qū)動(dòng)功率信號(hào)時(shí)可能是一個(gè)問(wèn)題，尤其是正交和H橋，如果突然處于錯(cuò)誤狀態(tài)，則可能導(dǎo)致過(guò)大的電流。

另一個(gè)好處是更嚴(yán)格地控制I/O狀態(tài)。高值電阻上拉（或下拉）可以消耗非常小的電流，尤其是當(dāng)微型I/O線(xiàn)處于三態(tài)模式時(shí)。對(duì)于功耗敏感的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，這是理想的情況，特別是如果微型器件長(zhǎng)時(shí)間處于休眠狀態(tài)并且I/O電平需要保持靜態(tài)。

一些例子

通常情況下，功能組合以及高而靈活的I/O計(jì)數(shù)將決定一個(gè)部件是否合適。許多芯片制造商的部件提供高引腳和I/O數(shù)，具有各種時(shí)鐘速度，存儲(chǔ)器資源，外設(shè)和性能。一些脫穎而出。

以144引腳LQFP中的16位80 MHz Freescale MC9S12XD256CAG為例。這款性能相對(duì)較高的處理器是該公司S12內(nèi)核的增強(qiáng)版，性能是之前25 MHz器件的五倍。

可用的119個(gè)I/O引腳（其中25個(gè)可產(chǎn)生中斷）可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)外部總線(xiàn)接口，用于與外部存儲(chǔ)器或TFT等外設(shè)的高速并行連接。相當(dāng)獨(dú)特的是該公司的內(nèi)部XGATE協(xié)處理器，它可以將閃存，EEPROM，RAM或外設(shè)數(shù)據(jù)輸出到I/O引腳和從I/O引腳輸出（圖2）。這是一個(gè)獨(dú)立的并行處理器，可以卸載主CPU并自動(dòng)提供高速數(shù)據(jù)傳輸和處理。

圖2：一旦設(shè)置完成，XGATE協(xié)處理器就可以自動(dòng)卸載核心CPU以實(shí)現(xiàn)許多I/O功能。數(shù)據(jù)可以來(lái)自或轉(zhuǎn)到外設(shè)，I/O，RAM，ROM，EEPROM等。

該器件可在5 V和3.3 V環(huán)境中運(yùn)行，并具有CAN總線(xiàn)接口，24個(gè)10位A/D通道，PWM，多個(gè)串行接口，片上穩(wěn)壓器，時(shí)鐘頻率發(fā)生器等功能和外設(shè)（最多256個(gè)頻率），等等。還提供了強(qiáng)大的調(diào)試和開(kāi)發(fā)鉤子。

另一個(gè)有趣的16位器件是瑞薩的176引腳LFBGA封裝的H8S系列128 I/O DF2117VBG20V。如圖3所示，這些高I/O部件包含許多外設(shè)和功能。高引腳數(shù)器件專(zhuān)為3至3.6 V工作而設(shè)計(jì)，還具有多個(gè)串行接口，如UART，IIC，LIN和CSI，以及16個(gè)10位A/D通道。

圖3：許多I/O線(xiàn)為很多外圍設(shè)備和資源打包高I/O設(shè)備提供了大量機(jī)會(huì)。靈活的總線(xiàn)架構(gòu)可以為在高速設(shè)計(jì)中移動(dòng)數(shù)據(jù)提供更好的性能。

這些8至20 MHz器件還針對(duì)數(shù)據(jù)移動(dòng)應(yīng)用，并提供靈活的DMA和數(shù)據(jù)傳輸控制，內(nèi)置多達(dá)85個(gè)通道。這允許單個(gè)中斷啟動(dòng)并發(fā)或后臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸操作，而其他塊正在處理，休眠或關(guān)閉。當(dāng)然，I/O可以是并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑椿蚰繕?biāo)，因此實(shí)現(xiàn)多個(gè)總線(xiàn)的設(shè)計(jì)可以從大量I/O和快速，高效的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制的組合中受益。

另一個(gè)值得關(guān)注的特性是，有多達(dá)40個(gè)引腳設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)或吸收LED驅(qū)動(dòng)器的大量電流。這可以為多路復(fù)用或直接驅(qū)動(dòng)的數(shù)字或字母數(shù)字LED顯示屏節(jié)省外部解碼器和驅(qū)動(dòng)芯片。

STMicroelectronics也在這個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮作用。查看具有111 I/O的32-MIPS，144引腳ST10F276Z5Q3和全24通道10位A/D轉(zhuǎn)換器。雖然只有一個(gè)5伏的部分（但核心運(yùn)行在1.8 V），該公司ST10系列的成員還包含兩個(gè)CAN總線(xiàn)，UART，I2C端口，捕獲/比較單元，以及廣泛的布爾和位操作功能，包括能夠按位逐位配置輸出端口引腳，用于推挽，開(kāi)漏，CMOS，TTL或三態(tài)。另請(qǐng)注意，分區(qū)為8位，15位和16位端口以及外部總線(xiàn)接口設(shè)備的總線(xiàn)控制信號(hào)（圖4）。

圖4：端口分區(qū)和外部總線(xiàn)接口信號(hào)與24通道A/D輸入相結(jié)合，使ST10器件成為高I/O混合信號(hào)設(shè)計(jì)的理想選擇。雖然許多需要大量I/O的嵌入式控制設(shè)計(jì)可能也不需要繁重的數(shù)字計(jì)算器，但是一些基于算法的PID和反饋控制系統(tǒng)可以通過(guò)添加專(zhuān)用的固定和浮點(diǎn)硬件而受益匪淺。以60-MIPS，120-I/O，144引腳，16位Microchip DSPIC33EP256MU814-I/PL為例，它直接針對(duì)高性能電機(jī)控制（圖5）。該芯片是Microchip dsPIC33E電機(jī)控制系列數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）的成員，具有帶集成DSP和增強(qiáng)型片上外設(shè)的dsPIC DSC內(nèi)核。

圖5：Microchip電機(jī)控制器部件可以處理過(guò)程密集型應(yīng)用，同時(shí)監(jiān)控和控制大量I/O.這些設(shè)備非常適用于洗衣機(jī)，烘干機(jī)和洗碗機(jī)等設(shè)備，這些洗衣機(jī)可能具有用戶(hù)界面，鍵盤(pán)，按鈕和顯示器以及電源控制，電機(jī)，轉(zhuǎn)速計(jì)和傳感器的高I/O.

I/O連接到專(zhuān)用MOSFET或IGBT驅(qū)動(dòng)器電路，片上傳感器接口可實(shí)現(xiàn)快速可靠的位置，速度，方向和功耗。此外，輸入部分具有多達(dá)32個(gè)A/D通道（10和12位），允許并行信號(hào)控制或串行通信電機(jī)控制，包括扭矩。

該部件的改進(jìn)型哈佛DSP架構(gòu)具有雙周期操作，可實(shí)現(xiàn)單周期操作，并具有高達(dá)60 MIPS的性能。其架構(gòu)針對(duì)C編碼進(jìn)行了優(yōu)化。單電源部分具有雙40位累加器，有助于PID控制環(huán)路，包括片上EEPROM和閃存。

到目前為止，我們已經(jīng)討論了低于100 MHz的器件，因?yàn)樗鼈冏畛Ｓ糜谕ㄓ迷O(shè)計(jì)。對(duì)于那些需要更高性能和更高級(jí)別外設(shè)和連接的用戶(hù)，德州儀器（TI）提供基于337針Hercules 220MHzARM?Cortex?的RM48L952ZWTT以及以太網(wǎng)和120 I/O.借助該MCU，TI的目標(biāo)是高端醫(yī)療應(yīng)用，如除顫器，輸液泵，呼吸機(jī)和機(jī)器人手術(shù)。有關(guān)TI Hercules處理器的產(chǎn)品培訓(xùn)模塊概述，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)Digi-Key網(wǎng)站。

下一步

本文重點(diǎn)介紹了一些示例MCU，它們具有超越簡(jiǎn)單輸入和輸出指令的優(yōu)點(diǎn)。這些部件可以通過(guò)發(fā)揮高級(jí)功能來(lái)簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)時(shí)間，從而簡(jiǎn)化從電路板布局到算法編碼的所有功能。工程師需要做一些研究才能找到具有正確混合通信，傳感器和用戶(hù)界面外圍設(shè)備的部件。