為一個項目選擇合適的微控制器涉及到許多因素。除了成本、性能、功耗和總體尺寸之外，適當?shù)能浖?a href="http://www.asorrir.com/v/tag/1751/" target="_blank">硬件工具的可用性也是首要考慮的因素。

對所選平臺的支持也非常重要——不僅來自供應(yīng)商，而且來自整個社區(qū)。如果所選的微控制器有現(xiàn)成的開發(fā)板，也會有幫助。

最后，如果所選的微控制器具有廣泛的、經(jīng)過充分調(diào)試的、具有良好記錄的應(yīng)用程序編程接口或API的軟件庫，則可以顯著減少開發(fā)時間。

在本文中，將只介紹通常滿足上述條件的微控制器。

所有現(xiàn)代微控制器都有一些共同的基本特征。在處理單元的頂部，它們有一定數(shù)量的閃存用于存儲應(yīng)用程序代碼、一些SRAM，在大多數(shù)情況下，還有一些EEPROM。

他們需要一個時鐘源，這通常是由一個內(nèi)部電阻電容（RC）振蕩器，或通過使用外部晶體用于更多的時序關(guān)鍵應(yīng)用。他們有一些數(shù)字IO端口，和至少一個計時器/計數(shù)器。

此外，除了非常低端的微控制器，大多數(shù)都至少有一個用于串行通信的UART。除此之外，微控制器的區(qū)別還在于它們的內(nèi)存大小、集成在芯片上的其他外設(shè)的數(shù)量和類型，以及它們運行用戶應(yīng)用程序的速度。

這不僅取決于原始時鐘速度。它還取決于處理器的數(shù)據(jù)寬度和所包含的任何硬件加速功能。

嵌入式系統(tǒng)的微控制器主要根據(jù)其數(shù)據(jù)總線的寬度分為三類：8位、16位和32位。還有其他的，但這些是最受歡迎的。

一般來說，8位微控制器是面向低端應(yīng)用的，32位微控制器是面向高端應(yīng)用的，16位微控制器是面向中端應(yīng)用的。

到目前為止，我開發(fā)的大多數(shù)產(chǎn)品都傾向于集成32位微控制器，但對于低端、低成本的產(chǎn)品來說，8位或16位微控制器可能是一個不錯的選擇。

8位微控制器

如果應(yīng)用程序?qū)μ幚砟芰Φ囊蟛皇呛芨撸⑶殷w積相對較小，那么考慮使用8位微控制器是有意義的。

作為參考，大多數(shù)Arduinos都基于8位微控制器。因此，如果你已經(jīng)用Arduino構(gòu)建了早期的原型，那么你就可以在最終產(chǎn)品中使用8位微控制器。

不要讓價格指導(dǎo)你的決定，在很多情況下32位微控制器比8位芯片更便宜。

例如，Atmega328p是用于Arduino Uno的8位微控制器。批量達10，000件時，其成本略高于1美元。它以20 MHz運行，包含32 KB的閃存和2KB的RAM。

另一方面，您只需60美分即可購買運行于48 MHz且具有類似內(nèi)存的32位微控制器。這可能是由于32位微控制器的普及降低了成本。

話雖如此，還有更便宜的8位微控制器可供選擇，價格不到25美分。

對于專用于僅完成一項工作，用戶界面有限且數(shù)據(jù)處理很少的應(yīng)用，通常應(yīng)考慮使用8位微控制器。

8位微控制器有各種尺寸，從小型6-pin設(shè)備到64 pin芯片。它們的閃存大小從512字節(jié)到256KB，SRAM大小從32到8KB或更多，EEPROM大小從0到4K或更多。一個最小的系統(tǒng)可以像一個單片機一樣簡單，供電軌上有一個旁路電容器。

最受歡迎的3個8位微控制器系列是8051系列、來自Microchip的PIC系列和Atmel的AVR系列，現(xiàn)在是Microchip的一部分。

8051系列

該微控制器最初來自英特爾，現(xiàn)在由其他公司生產(chǎn)，如今仍廣泛使用，并已嵌入許多設(shè)備中。

盡管它們可作為獨立設(shè)備使用，但8051現(xiàn)在主要用作IP（知識產(chǎn)權(quán)）核，這些核嵌入到特定于應(yīng)用程序的芯片中，比如一些專用無線電收發(fā)器。

作為你的產(chǎn)品的主要微控制器，8051很少是正確的選擇。

PIC系列

PIC微控制器非常流行，并且得到了Microchip和第三方的廣泛支持。

Microchip提供了MPLAB?X集成開發(fā)環(huán)境（IDE），其中包括一個免費的C編譯器。還有一個免費的IDE插件是MPLAB代碼配置器，它為板載外設(shè)生成C代碼。

然后可以將其集成到應(yīng)用程序代碼中。PIC模型有USART、SPI、I2C、ADC、USB、LIN、CAN等接口。Microchip還提供了多種開發(fā)工具，包括MPLAB PICkit 4、ICD 4和Real ICE。

更高質(zhì)量的商業(yè)編譯器，有更好的代碼優(yōu)化也可用。這是一個PIC微控制器的快速PDF參考指南。

AVR系列

AVR是另一個非常流行的8位微控制器系列。雖然它們與上面描述的PIC處于同一空間，而且性能也差不多，但它們有一個很大的特點：Arduino。

原始的Arduino，例如Uno，Leonardo和Mega，都使用AVR微控制器。由于Arduino的可用庫種類繁多，因此即使僅用于概念證明原型，AVR也應(yīng)認真考慮8位應(yīng)用程序。

由于Arduino庫是用C++編寫的，因此可以很容易地將它們合并到用C/C++編寫的任何應(yīng)用程序中。

軟件開發(fā)工具包括AVR studio，或者，如果使用Arduino，則Arduino IDE和平臺IO都是常用的。在這些IDE中使用的編譯器是AVR GCC，它是一個免費的、非常好支持和維護的C/C++編譯器。

硬件開發(fā)工具包括Atmel ICE和PICkit 4。此外，成熟的工具，如STK600和AVR Dragon仍然廣泛可用。這里有一個快速的AVR微控制器PDF參考指南的鏈接。

16位微控制器

16位微控制器是8位微控制器的升級版，同時仍然共享許多相同的屬性。它們速度更快，支持更多的外設(shè)，而且通常提供更多的內(nèi)存，包括flash和SRAM。

除了更多的IO pin外，與純軟件實現(xiàn)相比，它們中的大多數(shù)還具有明顯更快的硬件倍增器，并且使用更少的程序內(nèi)存。

很容易找到同時具有ADC和DAC的設(shè)備，或者同時具有電容式觸摸傳感器、分段LCD驅(qū)動程序和以太網(wǎng)的設(shè)備。

在內(nèi)部，這些設(shè)備還具有通常在低端設(shè)備中找不到的硬件塊。這些包括加密引擎，運算或可編程增益放大器，和DMA控制器。

盡管可以從各種制造商處找到16位微控制器，例如Microchip（他們的dsPIC33是一個流行的選擇），NXP，Infineon或Cypress，但TI MSP430系列將在此作為該微控制器產(chǎn)品的典型示例。

TI MSP430系列

MSP430是一系列非常低功耗的16位微控制器，有多種型號可供選擇。它們的范圍從一般用途到非常專用的模型。

這些微控制器的特殊變體有一個有趣的地方，那就是它實際上分為兩個極端：非常專用、非常低成本的模型，以及帶有模擬傳感器接口和數(shù)字信號處理（DSP）的高端模型。

一個高端應(yīng)用的例子是這個超聲波流量傳感器。在低端市場，TI還生產(chǎn)基于MSP430的芯片，可以解決許多非常特定的硬件功能。

例如，想要SPI-to-UART接口、I/O擴展器或UART-to-UART橋接器？所有的都在里面，而且這個芯片的價格不到0.30美元。

最后，當然，MSP430得到許多低成本工具和開發(fā)套件的支持。

2位微控制器是功能強大的設(shè)備，具有類似微處理器的功能。一些高級功能包括指令流水線、分支預(yù)測、嵌套矢量中斷（NVI）、浮點單元（FPU）、內(nèi)存保護和板上調(diào)試器。

指令流水線處理意味著處理器內(nèi)核提前預(yù)取了后續(xù)指令，而分支預(yù)測則預(yù)取了if-else條件的兩個結(jié)果的下一條指令，從而加快了代碼執(zhí)行速度。

NVI提供了中斷優(yōu)先級，其中一個中斷可以搶占較低優(yōu)先級的中斷。

FPU的浮點運算速度比SW實現(xiàn)的方法要快得多。

例如，內(nèi)存保護可以確保應(yīng)用程序代碼不會無意中覆蓋專門用于操作系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。

最后，on-board調(diào)試允許窺視寄存器和系統(tǒng)的其他區(qū)域，以促進應(yīng)用程序代碼調(diào)試。所有這些都使這些微控制器能夠運行大型、快速和強大的應(yīng)用程序。

此外，它們的原始處理能力意味著它們可以很容易地支持實時操作系統(tǒng)（RTOS），從而提供多任務(wù)處理能力。

盡管市場上有很多32位的微控制器，但本文的重點將放在基于ARM Cortex M的設(shè)備上。

ARM控股實際上只設(shè)計處理器的核心IP，然后將其授權(quán)給各種半導(dǎo)體供應(yīng)商，這些供應(yīng)商將處理器和一些外圍設(shè)備整合到自己的硅芯片中。許多芯片制造商提供基于Cortex-M架構(gòu)的微控制器。

兩家基于ARM的芯片的著名供應(yīng)商是Atmel的SAM設(shè)備系列和STMicroelectronics的STM32產(chǎn)品系列。

由于SAM設(shè)備在一些與Arduino兼容的板中使用，因此在這里值得一提。然而，總的來說，STM32設(shè)備提供了更多的選擇，在設(shè)計嵌入式32位微控制器時應(yīng)該優(yōu)先考慮。

STM32微控制器

ARM Cortex M內(nèi)核有許多版本。最受歡迎的是M0 / M0 +，M1，M3，M4和M7，每個都提供越來越高的性能。STM32微控制器包含M0 / M0 +，M3，M4或M7內(nèi)核。

例如，“主流”類別中可用的主要變體及其相對性能曲線。請注意，在每個族本身中，有許多變體，它們具有外圍設(shè)備和內(nèi)存量的不同組合。

事實上，在這個時候，有超過300個STM32微控制器在這個類別中可用。

STM32硬件支持：STM32系列由ST Microelectronics和第三方提供的各種硬件工具支持。

STLink V2是一種廉價的電路內(nèi)調(diào)試器/程序員。它由ST公司生產(chǎn)，可以從Digi Key等地方買到；當然，也可以買到非常便宜的山寨品。

ST Microelectronics在Nucleo和Discovery系列下還擁有大量開發(fā)板。

兩者都包含一個STLink調(diào)試接口。所需要的只是一臺帶USB接口的計算機，運行合適的軟件工具來評估所選的微控制器。

發(fā)現(xiàn)板包括額外的外部設(shè)備，如MEM傳感器和電容觸摸板。但是，Nucle具有與Arduino擴展板兼容的標頭。

在離開本節(jié)之前，值得一提的是另一個非常便宜的開發(fā)板。這款平板電腦俗稱“藍色藥丸”（Blue Pill），采用基于STM32F103 Cortex M3的芯片，從某些渠道購買的價格不到2美元。

該開發(fā)板的一個吸引人的功能是可以使其與Arduino兼容，從而可以使用Arduino IDE或Platform IO編寫和下載代碼以快速驗證概念設(shè)計。

雖然Arduino兼容的過程有點復(fù)雜，但有幾個地方出售Arduino板。只需搜索“STM32duino”。

STM32軟件支持：意法半導(dǎo)體為其所有STM32產(chǎn)品線提供ARM Mbed開發(fā)套件版本。這包括一個IDE、編譯器和一組廣泛的庫。

對于喜歡使用其他編譯器的開發(fā)人員，ST提供了它的STMCube。這是一個代碼生成器軟件，它為STM32外圍設(shè)備生成初始化代碼。

這樣，就不需要完全通過多個寄存器的位設(shè)置來設(shè)置外圍設(shè)備，例如IO端口或定時器。

ESP32

ESP32是Espressif Systems的微控制器。如圖3所示，它具有典型的32位微控制器上的所有功能。

然而，這個特殊的微控制器與其他的不同之處在于它的芯片上包含了WiFi和藍牙硬件。

這不僅包括協(xié)議棧，還包括實際的無線電收發(fā)器。ESP32也可以作為一個集成天線的小型預(yù)認證模塊使用。

對于需要WiFi或藍牙連接的應(yīng)用程序，ESP32值得認真考慮。ESP32的價格（包括分立芯片和模塊）是非常實惠的價格，特別是考慮到該芯片的功能和性能的數(shù)量。

微控制器可以說是您必須為您的產(chǎn)品選擇的最重要的組件。在項目中期切換到新的微控制器可能是一場噩夢，所以一定要提前做出正確的選擇。

設(shè)計中的其他組件通常可以在不需要大量系統(tǒng)級更改的情況下進行更改。但作為產(chǎn)品核心的微控制器卻不是這樣。

在選擇微控制器時，通常希望選擇一個能給您的產(chǎn)品增長空間的微控制器。例如，如果您確定需要16個GPIO pin，那么您就不想選擇只有16個GPIO pin的微控制器。

如果您決定在未來添加一個新的按鈕，因此需要另一個GPIO pin，會發(fā)生什么？如果你的微控制器沒有給你足夠的發(fā)展空間，那么你可能會發(fā)現(xiàn)，看起來簡單的設(shè)計升級在未來將需要一個大規(guī)模的重新設(shè)計，因為一個新的微控制器是必要的。

另一方面，您不希望選擇超出預(yù)期需要的性能或特性。

例如，如果您的產(chǎn)品只是簡單地監(jiān)測溫度和濕度，那么您將永遠不需要運行在數(shù)百兆赫的高級32位微控制器。那將會給你的產(chǎn)品增加不必要的成本和設(shè)計復(fù)雜性。

相反，你需要找到一個最佳的平衡點，既要有足夠的發(fā)展空間，又不需要為永遠不會真正需要的性能或功能付費。

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