具有高I/O引脚数的16位微控制器的好处及应用解决方案

小型微控制器可以适应紧凑的空间并很好地完成所需的目的，但几乎按照定义，它们将受I/O限制。即使是小型6引脚微处理器，其中一个解决方案是使用串行总线或移位寄存器来扩展可用的I/O量。具有并行总线的稍大的部件可以使用外部多路复用器和锁存器以及地址解码和读/写信号。这些方法可以很容易地一次按8，16或32位的块扩展I/O量。

问题是这些解决方案需要更多芯片，特殊代码块来移位和写入（或读取），并且可能会引入延迟时间。虽然较小的微处理器可以比较大的部件便宜，但是当你将分立式锁存器，解码器，多路复用器，解复用器，采集成本和部件所有权的所有成本加起来，加上每个器件的插入成本，成本方面它既可以是洗涤，也可以使用较大的包装而不是较小的包装。

本文介绍具有高I/O引脚数的16位微控制器。我们将检查一些提供I/O数量为100或更多的部件，以及一些具有增强性能的特殊功能的部件。在此过程中，我们将指出只有外部部件可以解决的好处和限制。

优点和缺点有时候，带有外部锁存器或逻辑的小型微处理器可以做大型部件无法做到的事情。例如，散布在印刷电路板（PCB）周围的混合I/O信号电平可能需要特定的电平移位器，这种电平移位器在本机方式中很少支持微支撑（如LVDS）。当开路集电极部分偏置在较高电压电平时，电平转换到较高电压输出非常容易。输入电平可以通过电阻器被动衰减，但在高速时，电流限制会延长上升和下降时间，因为结电容成为一个更普遍的问题。这里可以更好地使用活动缓冲区。

高I/O部件也可能导致路由问题。当大量I/O散布在电路板周围时，将并行总线和来自中央处理器的信号路由到各种锁存器或缓冲器会导致一点一点的信号偏移，并且可能需要额外的布线层。这增加了PCB的成本并且还可能影响可靠性。使用如此密集布线的电路板，调试和故障排除可能是一场噩梦（图1，左）。

图1：可以使用外部并行锁存器和驱动器来扩展I/O（左）的较小的微控制器可能需要额外的PCB层，因为需要很多迹线。串行方案（右）可以解决这个问题，但会引入延迟时间。

使用高速串行总线，只有来自中心微处理器的少量信号需要以菊花链方式穿过PCB区域。锁存器的所有输出同时改变，几乎消除了信号到信号的偏斜和抖动。这也极大地简化了PCB布线（图1，右图）。端点可能需要终止。

大多数大型微型计算机的最大限制是用于直接连接到功率LED和执行器的更高驱动信号的数量。 8位7段LED显示器可能需要8个高电流吸收器和7或8个高电流源线，以满足多路复用共阳极显示器的需求。这可能是很多电流通过微型电路，因此，具有更高驱动能力的外部锁存器，驱动器和多路复用器可能是更好的选择。

尽管如此，有时候具有大量I/O的中央处理器是更好的解决方案。首先，可以通过微加电非常快速地设置上电状态，并且通常更具确定性。触发器和锁存器可以在随机状态下上电，这在驱动功率信号时可能是一个问题，尤其是正交和H桥，如果突然处于错误状态，则可能导致过大的电流。

另一个好处是更严格地控制I/O状态。高值电阻上拉（或下拉）可以消耗非常小的电流，尤其是当微型I/O线处于三态模式时。对于功耗敏感的设计来说，这是理想的情况，特别是如果微型器件长时间处于休眠状态并且I/O电平需要保持静态。

一些例子

通常情况下，功能组合以及高而灵活的I/O计数将决定一个部件是否合适。许多芯片制造商的部件提供高引脚和I/O数，具有各种时钟速度，存储器资源，外设和性能。一些脱颖而出。

以144引脚LQFP中的16位80 MHz Freescale MC9S12XD256CAG为例。这款性能相对较高的处理器是该公司S12内核的增强版，性能是之前25 MHz器件的五倍。

可用的119个I/O引脚（其中25个可产生中断）可实现标准外部总线接口，用于与外部存储器或TFT等外设的高速并行连接。相当独特的是该公司的内部XGATE协处理器，它可以将闪存，EEPROM，RAM或外设数据输出到I/O引脚和从I/O引脚输出（图2）。这是一个独立的并行处理器，可以卸载主CPU并自动提供高速数据传输和处理。

图2：一旦设置完成，XGATE协处理器就可以自动卸载核心CPU以实现许多I/O功能。数据可以来自或转到外设，I/O，RAM，ROM，EEPROM等。

该器件可在5 V和3.3 V环境中运行，并具有CAN总线接口，24个10位A/D通道，PWM，多个串行接口，片上稳压器，时钟频率发生器等功能和外设（最多256个频率），等等。还提供了强大的调试和开发钩子。

另一个有趣的16位器件是瑞萨的176引脚LFBGA封装的H8S系列128 I/O DF2117VBG20V。如图3所示，这些高I/O部件包含许多外设和功能。高引脚数器件专为3至3.6 V工作而设计，还具有多个串行接口，如UART，IIC，LIN和CSI，以及16个10位A/D通道。

图3：许多I/O线为很多外围设备和资源打包高I/O设备提供了大量机会。灵活的总线架构可以为在高速设计中移动数据提供更好的性能。

这些8至20 MHz器件还针对数据移动应用，并提供灵活的DMA和数据传输控制，内置多达85个通道。这允许单个中断启动并发或后台数据传输操作，而其他块正在处理，休眠或关闭。当然，I/O可以是并行数据传输的源或目标，因此实现多个总线的设计可以从大量I/O和快速，高效的数据传输机制的组合中受益。

另一个值得关注的特性是，有多达40个引脚设计用于驱动或吸收LED驱动器的大量电流。这可以为多路复用或直接驱动的数字或字母数字LED显示屏节省外部解码器和驱动芯片。

STMicroelectronics也在这个领域中发挥作用。查看具有111 I/O的32-MIPS，144引脚ST10F276Z5Q3和全24通道10位A/D转换器。虽然只有一个5伏的部分（但核心运行在1.8 V），该公司ST10系列的成员还包含两个CAN总线，UART，I²C端口，捕获/比较单元，以及广泛的布尔和位操作功能，包括能够按位逐位配置输出端口引脚，用于推挽，开漏，CMOS，TTL或三态。另请注意，分区为8位，15位和16位端口以及外部总线接口设备的总线控制信号（图4）。

图4：端口分区和外部总线接口信号与24通道A/D输入相结合，使ST10器件成为高I/O混合信号设计的理想选择。虽然许多需要大量I/O的嵌入式控制设计可能也不需要繁重的数字计算器，但是一些基于算法的PID和反馈控制系统可以通过添加专用的固定和浮点硬件而受益匪浅。以60-MIPS，120-I/O，144引脚，16位Microchip DSPIC33EP256MU814-I/PL为例，它直接针对高性能电机控制（图5）。该芯片是Microchip dsPIC33E电机控制系列数字信号控制器（DSC）的成员，具有带集成DSP和增强型片上外设的dsPIC DSC内核。

图5：Microchip电机控制器部件可以处理过程密集型应用，同时监控和控制大量I/O.这些设备非常适用于洗衣机，烘干机和洗碗机等设备，这些洗衣机可能具有用户界面，键盘，按钮和显示器以及电源控制，电机，转速计和传感器的高I/O.

I/O连接到专用MOSFET或IGBT驱动器电路，片上传感器接口可实现快速可靠的位置，速度，方向和功耗。此外，输入部分具有多达32个A/D通道（10和12位），允许并行信号控制或串行通信电机控制，包括扭矩。

该部件的改进型哈佛DSP架构具有双周期操作，可实现单周期操作，并具有高达60 MIPS的性能。其架构针对C编码进行了优化。单电源部分具有双40位累加器，有助于PID控制环路，包括片上EEPROM和闪存。

到目前为止，我们已经讨论了低于100 MHz的器件，因为它们最常用于通用设计。对于那些需要更高性能和更高级别外设和连接的用户，德州仪器（TI）提供基于337针Hercules 220MHzARM®Cortex™的RM48L952ZWTT以及以太网和120 I/O.借助该MCU，TI的目标是高端医疗应用，如除颤器，输液泵，呼吸机和机器人手术。有关TI Hercules处理器的产品培训模块概述，请访问Digi-Key网站。

下一步

本文重点介绍了一些示例MCU，它们具有超越简单输入和输出指令的优点。这些部件可以通过发挥高级功能来简化开发时间，从而简化从电路板布局到算法编码的所有功能。工程师需要做一些研究才能找到具有正确混合通信，传感器和用户界面外围设备的部件。