最適化された8ビットマイクロコントローラでリソースに制約のあるデバイスの設計を簡素化
著者 Kenton Williston 氏
DigiKeyの北米担当編集者の提供
2024-04-09
マルツ掲載日：2024-09-02
電動工具やパーソナルケア製品、玩具、家電製品、照明制御など、消費電力やスペースに制約のある機器を設計する設計者にとって、従来は8ビットマイクロコントローラ(MCU)で十分でした。しかし、アプリケーションが進化するにつれて、より高速で、より強力な周辺機器オプションと、より堅牢なソフトウェア開発ツールが必要になりました。16ビットプロセッサや32ビットプロセッサに移行すると効果的ですが、多くの場合、パッケージサイズが大きくなり、電力が増加します。
これらの問題に対処するため、設計者は、16ビットプロセッサや32ビットプロセッサの利点の多くを8ビット領域に展開する8051アーキテクチャベースのMCUを利用することができます。これは、最新の開発環境を提供しながら、2×2mmという小さなパッケージで実現されています。
この記事では、8051アーキテクチャと、リソースに制約のあるアプリケーションに対するその適性について簡単に説明します。次に、Silicon Labsの8051ベースのMCUファミリを紹介し、主要なサブシステムを説明し、それぞれが重要な設計課題にどのように対処しているかを示します。記事の最後には、ハードウェアとソフトウェアのサポートについても触れています。
8051アーキテクチャを採用した理由
スペースに制約の多いアプリケーション用にMCUを選択する場合、定評のある8051のような8ビットプロセッサは、小さな実装面積、低消費電力、シンプルな設計など、多くの利点があります。しかし、多くの8051プロセッサは相対的に簡易的な周辺機器しか内蔵されておらず、特定のユースケースにしか適用できません。たとえば、低分解能のA/Dコンバータ(ADC)は、医療機器のような高精度のアプリケーションには不十分です。
クロックが比較的遅いことも問題になります。標準的な8051は8MHzから32MHzのクロック周波数で動作し、古い設計では命令を処理するために複数のクロックサイクルを必要とします。この低速度は、8ビットMCUが精密なモータ制御のようなリアルタイム動作をサポートする能力を制限する可能性があります。
また、8051プロセッサ用の従来のソフトウェア開発環境は、現代のソフトウェア開発者の期待にそぐわないものです。8ビットアーキテクチャ固有の制限と組み合わされると、遅くてフラストレーションのたまるコーディングプロセスにつながりかねません。
従来の8ビットプロセッサの限界から、開発者は16ビットや32ビットのMCUへの移行を検討することになるかもしれません。しかし、これらのMCUは高度な演算能力、高性能な周辺機器、最新のソフトウェア環境を提供する一方で、相対的に大型になります。そのため、スペースに制約のある設計に組み込むことが難しくなり、開発が遅れたり、設計サイズが大きくなったりする可能性があります。
16ビットや32ビットのMCUでは、コードサイズや消費電力が増大するため、設計を最適化できない可能性もあります。これらの欠点は、複雑な演算を必要としない、したがってこれらのプロセッサの高度な能力の恩恵を受けない多くのアプリケーションにとって特に問題となります。
これらのトレードオフの理想的なバランスは、プロジェクトの開始時点では明らかでない場合があり、設計の途中でプロセッサを切り替えると、開発が遅れたり、製品のサイズや機能が損なわれたりする可能性があります。このように、スペースに制約のある多くの設計は、16ビットや32ビットのプロセッサの利点の多くを低消費電力でコンパクトな8ビット領域に展開する、より高性能な8051ベースのMCUから恩恵を受けることができます。
8ビットMCUにさらなる機能性をもたらすEFM8BB50
Silicon Labsは、このような点を考慮してEFM8BB50ファミリの8ビットMCUを開発しました(図1)。これらのMCUは、強化された性能、高度な周辺機器、最新のソフトウェア開発環境を提供します。
図1：EFM8BB50 MCUのブロック図を示します。(画像提供：Silicon Labs)
MCUの心臓部はCIP-51 8051コアです。これは、性能向上、消費電力削減、機能強化のために最適化された8051アーキテクチャをSilicon Labsが実装したものです。特に注目すべきはその性能です。EFM8BB50では、コアは最大50MHzの速度を達成し、70%の命令が1～2クロックサイクルで実行されます。これにより、MCUは従来の8ビットプロセッサよりも大幅に高い性能を発揮し、開発者はより複雑なアプリケーションに対応できるようになります。
このMCUはまた、その小ささでも知られています。EFM8BB50F16G-A-QFN16のようなファミリの16ピンバリアントは、最小2.5mm×2.5mmのパッケージで入手可能です。EFM8BB50F16G-A-QFN12のような12ピンバージョンはさらに小さく、パッケージサイズは2mm×2mmまで小型化されています。
EFM8BB50 MCUは、その小型のサイズにもかかわらず、以下のような優れた機能を搭載しています。
・正確なセンサデータを必要とするアプリケーションに不可欠な12ビットADC
・外付け部品なしでMCUの内部温度や周囲温度を監視できる温度センサを内蔵
・パルス幅変調(PWM)機能付き3チャンネルプログラマブルカウンタアレイ(PCA)によるモータ制御やLED調光などのアプリケーション向け可変出力制御用PWM信号の生成
・モータドライバやパワーコンバータなどのパワーエレクトロニクスの制御を追加するデッドタイム挿入(DTI)付き3チャンネルPWMエンジン
その他の入出力(I/O)には、各種シリアル通信インターフェース、8ビットと16ビットタイマのセット、4つの構成可能な論理ユニットなどがあります。MCUファミリのすべてのピンは5V対応で、限られたピン数を最大限に活用するためにデジタルI/Oを柔軟に割り当てることができます。
高度な電源管理
EFM8BB50には、消費電力を最適化し、バッテリ寿命を延ばすためのエネルギー管理機能がいくつか組み込まれています。これらには、周辺機器を動作させながらコアのクロック速度を下げるアイドルモードを含む、複数の電力モードが用意されています。
ストップモードは、RAMとレジスタの内容を保持したままコアとほとんどの周辺機器を停止させることで、さらにバッテリ寿命を延ばすことができます。一部の周辺機器は、ストップモードからコアを起動するように設定でき、主に低消費電力状態にとどまるイベントドリブン型アプリケーションに有利です。
柔軟なクロックオプションは、省電力化をさらに促進します。高精度の内部発振器により、多くのシナリオで外部水晶発振器が不要になり、全体的な消費電力が削減されます。MCUはクロックゲーティングにも対応しており、さまざまな周辺機器のクロックを選択的に無効にすることで、開発者は使用していない周辺機器のクロックをオフにすることができます。
周辺機器も電力効率を考慮して設計されています。最も注目すべき点は、構成可能論理ユニット(CLU)が単純なロジック機能を独立して実行できるため、単純なタスクのためにコアが低消費電力モードから起動する必要性が減ることです。さらに、低エネルギーUART(LEUART)は、一次発振器を無効にする電力モードで動作することができ、低電力状態でのシリアル通信を可能にします。
直感的なソフトウェア開発のサポート
開発者は、Silicon LabsのSimplicity Studio SuiteでEFM8BB50ファミリ用のソフトウェアを構築できます。この環境は、8ビットのEFM8BB50、同社の32ビットMCU、ワイヤレスシステムオンチップ(SoC)に使用されています。その結果、開発者は、より強力なプロセッサに期待される機能を備えた最新の環境を手に入れることができます。たとえば、リアルタイムでコードの電力プロファイリングを提供するエネルギープロファイラがあります(図2)。
図2：Simplicity Studioには、コードのエネルギープロファイリングをリアルタイムで提供するエネルギープロファイラが含まれています。(画像提供：Silicon Labs)
このツールは、業界標準のコードエディタ、コンパイラ、デバッガ、および最新で応答性の高いインターフェースを開発するためのユーザーインターフェース(UI)エンジンを備えた統合開発環境(IDE)を中心に構築されています。この開発環境は、デバイス専用のウェブやSDKリソース、専用のソフトウェアやハードウェア設定ツールへのアクセスを提供します。
Simplicity Studioは、Silicon Labs Secure Vaultもサポートしています。PSA認証レベル3を取得した高度なセキュリティ機能スイートであるSecure Vaultは、設計者がIoTデバイスを堅牢化し、進化するサイバーセキュリティ規制に対応しながら、深刻化するサイバー脅威から攻撃対象領域を保護することを可能にします。
評価キットでクイックスタート
EFM8BB50の実験に興味のある開発者は、図3に示すBB50-EK2702Aエクスプローラキットを検討すると良いでしょう。この小型キットは、プロトタイプシステムや実験用ハードウェアに簡単に取り付けられるよう、ブレッドボードの寸法に合わせてあります。USBインターフェース、オンボードSEGGER J-Linkデバッガ、LED、およびユーザーインタラクション用のボタンを備えています。
このキットはSimplicity Studio Suiteで完全にサポートされており、エネルギープロファイラユーティリティで使用できます。ソフトウェアサンプルはすべての周辺機器に対応しており、LED、ボタン、UARTのデモもあります。
図3：BB50-EK2702Aエクスプローラキットを示します。(画像提供：Silicon Labs)
キットにはmikroBUSソケットとQwiicコネクタが含まれています。このハードウェアアドオンサポートにより、開発者はさまざまなベンダーの既製ボードを使用してアプリケーションを素早く作製し、試作品を作製することができます。
より包括的なスターティングポイントに関心のある開発者は、図4に示すBB50-PK5208Aプロキットが最適です。詳細な評価とテスト用に設計されたこのキットには、MCUの多くの機能を実証するセンサと周辺機器が含まれています。
図4：詳細な評価とテスト用のBB50-PK5208Aプロキットを示します。(画像提供：Silicon Labs)
プロキットには、USBコネクティビティ、超低消費電力の128×128ピクセルメモリLCD、8方向アナログジョイスティック、LED、ユーザープッシュボタンが含まれています。また、Silicon LabsのSi7021相対湿度および温度センサ、USBやコイン電池を含む複数の電源も備えています。
拡張用に、ボードには20ピン、2.54mmのヘッダが用意されています。また、I/Oピンに直接アクセスするためのブレイクアウトパッドも用意されています。エクスプローラキットと同様に、プロキットはエネルギープロファイラをサポートし、各周辺機器のソフトウェアサンプルを同梱しています。
EFM8BB50デバッガオプション
Silicon Labsは、MCUをサポートする複数のデバッガを提供しています。汎用デバッグ用には、シンプルな10ピンコネクタの8ビットUSBデバッグアダプタDEBUGADPTR1-USBを提供しています。
SI-DBG1015A Simplicity Linkデバッガでは、より専門的な機能を利用できます。これは、上記の両キットに含まれるMini Simplicityインターフェースに接続します。基本的な機能に加えて、Simplicity Linkは、SEGGER J-Linkデバッガ、パケットトレースインターフェース、仮想COMポート、個々の信号を簡単にプローブできるブレイクアウトパッドなどの追加機能を提供します。
まとめ
EFM8BB50のような最新の8051 MCUは、通常16ビットや32ビットデバイスに関連する機能を8ビット領域に展開します。高速クロック、高性能周辺機器、堅牢なソフトウェア開発環境を備えたこのMCUファミリは、スペースと消費電力が制限される一方で、より高い性能と柔軟性が要求されるアプリケーションの増加に対して、開発者に適切な機能を提供します。
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