Die große Freiheit
32-bit-MCUs erlauben flexible Pin-Belegung
Der Schlüssel zum Erfolg im heutigen Embedded-Markt ist eine schnelle Reaktionsfähigkeit. Systementwickler müssen in der Lage sein, zeitnah auf neue Marktanforderungen zu reagieren und Design-Änderungen in letzter Minute durchzuführen. Mikrocontroller (MCUs) bieten hier seit vielen Jahren eine vielseitige, konfigurierbare Plattform für Embedded-Systeme. Neue Funktionen lassen sich oft schnell und einfach durch Firmware-Updates oder I/O-Änderungen implementieren
Bei herkömmlichen Mikrocontrollern können selbst kleinere I/O-Änderungen dem Entwickler beim Leiterplatten-Design Probleme bereiten, vor allem in kosten- und platzbeschränkten Systemen, wie sie für MCU-Anwendungen meist typisch sind. Wenn sich die Anschlüsse in einem System alle an einer Gehäuseseite befinden, kann es sein, dass einige der I/Os auf die gegenüberliegende Seite der MCU geroutet werden müssen, indem sie unterhalb des Bausteins durchgeführt werden. Da der MCU-Hersteller die Anschlussbelegung festgelegt hat, können die I/O-Anschlüsse des überarbeiteten Systems sich nicht alle auf einer Seite des Bausteins befinden. Die Anordnung der Pins für eine bestimmte Kombination aus I/O-Funktionen kann den Entwickler dazu zwingen, eine Leiterplatte mit mehreren Lagen zu verwenden, was allerdings die Kosten des Gesamtsystems erhöht.
Eine zusätzliche Herausforderung ist das MCU-Gehäuse. Um Kosten zu verringern, bieten einige MCU-Hersteller Versionen, die sich Funktionen zwischen Anschlüssen teilen. Damit kann der Baustein in kleineren, günstigeren Gehäusen untergebracht werden. Registerkonfigurationen weisen dann diese I/O-Pins den verschiedenen Peripherie-Einrichtungen zu, der Freiheitsgrad ist aber meistens beschränkt: Die Konfigurationssteuerungs-Hardware kann nur eine oder zwei Funktionen pro Pin steuern, was die Optionen begrenzt und mögliche Anschlusskonflikte verursacht, wenn die MCU in einer Anwendung zum Einsatz kommt, die der Hersteller dafür nicht vorgesehen hat. Die Vielfalt der MCU-Anwendungen führt dazu, dass dieses Szenario häufig vorkommt.
Aufgrund seiner Erfahrung mit 8-bit-Mixed-Signal-MCUs hat Silicon Labs ein flexibles I/O-System in seine neuen ARM-Cortex-M3-basierten Precision32-MCUs integriert. Das entscheidende Merkmal in diesem Design ist eine konfigurierbare Zweifach-Schaltmatrix-Architektur: Eine programmierbare Schaltmatrix ermöglicht das Routen eines Eingangs zu einer beliebigen Reihe von Ausgangs-Pins.
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Die Precision 32-MCU-Architektur definiert zwei Schaltmatrizen: eine für jede Seite des Bausteins, die jede interne I/O-Funktion mit verschiedenen Pins verbinden kann (Bild 1). In diesem Beispiel wird ein TQFP-80-Gehäuse verwendet. Schaltmatrix 1 verbindet zu den Pins 9 bis 40 und schließt die Pins 28 und 29 aus, die zur Spannungsversorgung und Masse zählen.Schaltmatrix 1 unterstützt 14 verschiedene interne Funktionen, einschließlich verschiedener serieller Ports, -Timer und Komparatoren. Jede dieser Funktionen kann mit jedem der externen Pins, den die Schaltmatrix bedient, verbunden werden. Einige dieser Pins lassen sich auch auf A/D-Wandler-Eingänge oder 5-V-Ausgänge abbilden.
Die Schaltmatrix-Architektur bietet dem Entwickler zahlreiche Vorteile: So kann die Pinbelegung des Bausteins organisiert werden, um das Leiterplatten-Design zu vereinfachen. Eine Gruppe von I/O-Pins kann so nah wie möglich an anderen ICs oder Stecker platziert werden, mit denen sie verbunden werden muss. Dies spart Kosten, da eine Leiterplatte mit weniger Routing-Schichten zum Einsatz kommt. Ein Routing unterhalb der MCU wird vermieden, genauso wie das Verlegen vieler Leiterbahnen durch eine dicht bestückte Fläche auf der Leiterplatte. Auch die Signal- integrität verbessert sich, da störanfällige Leiterbahnen so kurz wie möglich gehalten oder nah an den Masseleitungen verlegt werden können. Pinout-Änderungen lassen sich zudem einfach durchführen - durch Umprogrammieren der Register, welche die Schaltmatrix steuern. So lassen sich Board-Änderungen in letzter Minute unterbringen.
Eine so genaue Kontrolle über die I/O-Konfiguration erlaubt es den Entwicklern, kosteneffizientere Gehäuse zu verwenden und auszuwählen, welche Funktionen mit welchen Pins verbunden und welche nicht verbunden werden.
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