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可配置混合信號IC和異步狀態(tài)機(jī)有助于優(yōu)化嵌入式設(shè)計
更低功耗、更安全和更容易實現(xiàn)MCU的替代
I. 簡介
SoC和MCU需要外部電路實現(xiàn)電源管理、人機(jī)接口或連接傳感器。因此,設(shè)計中幾乎總是需要比較器、運算放大器、電平轉(zhuǎn)換器、各種邏輯和分立式晶體管。而SoC幾乎從來就不是真的片上系統(tǒng)。
在某些情況下,所需的支持邏輯會被植入到低端FPGA中,但通常這些分立式元件的成本加起來并不低。這不是一個好的解決方案,因為FPGA不能滿足模擬或分立式元件的需要。
對嵌入式器件來說,由于MCU或SoC不能滿足所有可能的傳感器、電源和連接選項,這一挑戰(zhàn)將會變得更為明顯。
II. 可配置混合信號IC
可配置混合信號IC(CMIC)為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)提供了一個明智的解決方案。CMIC是通過一次性可編程(OTP)非易失性存儲器配置的具有數(shù)字模擬電路功能的矩陣。
這類新器件的先驅(qū)和領(lǐng)導(dǎo)者就是Silego Technologyhttp://www.silego.com.cn/home_cn.html。自2009年推出CMIC以來,Silego已經(jīng)完成了超過1300種客戶設(shè)計,而CMIC出貨量在20億以上。
Silego的CMIC提供了異步狀態(tài)機(jī)(ASM)和各種模擬及數(shù)字資源,便于設(shè)計人員配置成混合信號電路。
設(shè)計人員可以抓取這些資源,并用原理圖繪制工具對其進(jìn)行布線,他們也可以利用Silegohttp://www.silego.com.cn/home_cn.html硬件開發(fā)工具來仿真設(shè)計。如果他們對設(shè)計感到滿意,就可以用板上OTP存儲器進(jìn)行CMIC器件編程。
CMIC可用于各種基本混合信號功能,包括電機(jī)控制、系統(tǒng)復(fù)位、電源測序等等。
III. CMIC優(yōu)勢
相比傳統(tǒng)分立式器件和模擬,CMIC為嵌入式設(shè)計人員和制造商帶來了多種優(yōu)勢。
A. 嵌入式設(shè)計需要優(yōu)化電板空間
十幾個甚至更多元件可能占用寶貴的空間,而這些空間可供較大的電池或更薄的外形尺寸加以利用。CMIC可將幾個元件集成在尺寸小至1.0x1.2mm的一個小的產(chǎn)品中。
B. 嵌入式設(shè)計需要更方便、更迅速的方式實現(xiàn)創(chuàng)新和原型設(shè)計
從印刷電路板設(shè)計、元件訂購、電路板制造、組裝、調(diào)試和修改,傳統(tǒng)電路原型設(shè)計不是花上幾周就是好幾天。而CMIC設(shè)計、仿真和原型設(shè)計在一天之內(nèi)便可完成。
C. 嵌入式設(shè)計需要更低的物料清單成本
CMIC有助于減少分立式與模擬元件的材料成本。最近在embedded.com上有一篇設(shè)計分析強(qiáng)調(diào),用1個0.35美元的CMIC可替代1.50美元的電平轉(zhuǎn)換和比較器電路。
D. 嵌入式開發(fā)人員想要難以復(fù)制的保密設(shè)計
CMIC內(nèi)部的定制電路與全定制IC一樣安全,只有設(shè)計人員、指定的ODM和供應(yīng)鏈合作伙伴才可獲得。
IV. 針對嵌入式應(yīng)用的無靜態(tài)功耗和無代碼ASM與低功耗MCU的對比
便攜式系統(tǒng)通常使用低功耗微控制器來解決尺寸和電池壽命的問題。Silego的帶ASM的CMIC提供了一種替代解決方案。以下比較說明了微控制器和CMIC的ASM之間的設(shè)計權(quán)衡。
A. 處理MCU代碼
Silego的第五代GreenPAK CMIC中的ASM包含8態(tài)和24個可能值推斷。ASM代表一個有多達(dá)24個IF...THEN語句的MCU程序。當(dāng)一起考慮8態(tài)ASM功能與硬件輸入和輸出電路時,CMIC可以表示為大致用于常見8位和16位MCU的100行標(biāo)準(zhǔn)C代碼。
CMIC ASM是由事件驅(qū)動的,且無需時鐘操作。因此,當(dāng)沒有事件時,ASM便會保持一種狀態(tài),而沒有靜態(tài)功耗。因此,帶有有限輸入周期的應(yīng)用便可在室溫下以漏電流功耗很好運行,僅消耗個位數(shù)納安級平均電流。
B. 處理嵌入式控制問題
Silego優(yōu)化了ASM,減輕了眾所周知的風(fēng)險和競態(tài)條件、編程/配置難題,同時保留了針對需要不到100行代碼的簡單(多達(dá)8態(tài))嵌入式控制問題所固有的低功耗、低延遲的好處嵌入式。
C. Over kill微控制器 與CMIC ASM值的對比
微控制器在尺寸和功率方面往往效率低下。不難發(fā)現(xiàn),在應(yīng)用中使用的MCU用到的馬力不足1%。CMIC的ASM卻非常適合簡單的嵌入式控制應(yīng)用,尤其是超低功耗應(yīng)用(見圖1)。
D. 中斷延遲 (ns與us)
微控制器的一個重要基準(zhǔn)是,在核執(zhí)行中斷服務(wù)程序(ISR)的第一條指令之前,來自外部信號中斷的時間有多短,這就是所謂的中斷延遲。MCU中斷延遲通常在5至10us。
ASM相當(dāng)于以納秒計算的中斷延遲,如果CMIC以5V電源工作,延遲最長只有50ns。
E. VDD變化
CMIC ASM在寬電壓范圍內(nèi)工作。正確設(shè)計的ASM得以保證無風(fēng)險、無競態(tài)條件,因為每個ASM信號路徑都是由信號長度和門電路數(shù)來保證的。因此,隨著VDD變化,傳播延遲也是如此。不過,傳播延遲都是匹配的,因而性能可以保證。
另一方面,微控制器用信號進(jìn)行時鐘控制,這與VDD關(guān)系不大。隨著VDD變化,MCU傳播延遲改變,因為時序不會改變,時序余量將很快受到影響。
F. 崩潰與否
設(shè)計和系統(tǒng)缺陷可能導(dǎo)致微控制器崩潰,包括:寫得很差的軟件、時序問題、中斷延遲的誤判、棧內(nèi)存不夠、內(nèi)存泄漏,以及程序內(nèi)存的誤寫。
Silego的ASM用NVM位進(jìn)行了硬件配置,沒有時序問題、以納秒衡量的延遲、無棧內(nèi)存、無內(nèi)存泄漏、而且不會有意無意地寫程序內(nèi)存,因此本質(zhì)上更能防止VDD噪聲和電壓過低的情況。
G. 基于無代碼GUI的工具與典型MCU工具的對比
CMIC ASM利用GreenPAK Designer開發(fā)環(huán)境進(jìn)行配置。該軟件是一款簡單易用的原理圖捕獲編輯器,可以將典型MCU工具幾個月的學(xué)習(xí)時間縮短到Silego的GPAK的幾天時間。
H. CMIC尺寸與低功耗MCU的對比
CMIC沒有MCU架構(gòu)的復(fù)雜性,通常也比較小。如果CMIC產(chǎn)品可以執(zhí)行控制功能,那么它通常也是市場上最小的可編程選項。
V. CMIC讓嵌入式設(shè)計更簡單,產(chǎn)品更好
綜上所述,有8態(tài)ASM的小型CMIC可用于各種嵌入式控制應(yīng)用,而這在以前本該是微型控制器的專屬領(lǐng)域。輕松配置的ASM為對IoT、便攜式、嵌入式應(yīng)用很重要的超快狀態(tài)轉(zhuǎn)換、泄漏等級靜態(tài)電流消耗、魯棒設(shè)計,以及電源電壓容差等帶來了主要優(yōu)勢。此外,CMIC還提供了很多好處,將有助于嵌入式設(shè)計人員實現(xiàn)更大的產(chǎn)品利潤。