Συγκριτική ανάλυση των μικροελεγκτών MSP430 και 89C51: Χαρακτηριστικά και εφαρμογές

Ο μικροϋπολογιστής ενός τσιπ δεν είναι μόνο ένα τσιπ με συγκεκριμένη λογική λειτουργία, αλλά ένα σύστημα υπολογιστή ενσωματωμένο σε ένα τσιπ.Αυτό το άρθρο θα εισαγάγει τα χαρακτηριστικά, την ανάπτυξη, τα κύρια συστατικά, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα, τις εφαρμογές και τις διαφορές μεταξύ MSP430 και 89C51 για να σας βοηθήσουμε να κατανοήσετε καλύτερα αυτόν τον μικροελεγκτή και να παρέχετε ισχυρή υποστήριξη για το σχεδιασμό του ενσωματωμένου συστήματος.

Ο μικροϋπολογιστής ενός τσιπ είναι ένα ολοκληρωμένο τσιπ κυκλώματος.Χρησιμοποιεί τεχνολογία ολοκληρωμένου κυκλώματος μεγάλης κλίμακας για να συνδυάσει λειτουργίες όπως μια κεντρική μονάδα επεξεργασίας CPU με δυνατότητες επεξεργασίας δεδομένων, μια ποικιλία θυρών εισόδου/εξόδου, ένα σύστημα διακοπής, μνήμη μνήμης μόνο ανάγνωσης, μνήμη μνήμης τυχαίας πρόσβασης, χρονομετρητή/Counter, καθώς και ένα κύκλωμα οδήγησης οθόνης, τα κυκλώματα διαμόρφωσης ευρείας παλμού, οι αναλογικοί πολυπλέκτες, οι μετατροπείς A/D και άλλα κυκλώματα ενσωματώνονται σε ένα τσιπ πυριτίου για να σχηματίσουν ένα μικρό αλλά πλήρες σύστημα μικροϋπολογιστών.Από τη δεκαετία του 1980, οι μικροελεγκτές έχουν αναπτυχθεί από 4-bit και 8-bit έως τους τρέχοντες μικροελεγκτές υψηλής ταχύτητας υψηλής ταχύτητας.

Σε σύγκριση με τους μικροεπεξεργαστές γενικής χρήσης που χρησιμοποιούνται σε προσωπικούς υπολογιστές, δεν απαιτεί εξωτερικό υλικό, εξοικονομώντας έτσι το κόστος.Έχει υψηλότερο επίπεδο ολοκλήρωσης, αλλά περιορίζεται από τις καθιερωμένες προδιαγραφές και έχει σχετικά συγκεκριμένες λειτουργίες.Το μεγαλύτερο πλεονέκτημά του είναι ότι είναι μικρό και κατάλληλο για ενσωμάτωση σε όργανα.Ωστόσο, διαθέτει μικρότερη χωρητικότητα αποθήκευσης και απλούστερες διεπαφές εισόδου και εξόδου.

Ο Microcontroller MSP430 είναι μια σειρά μικροελεγκτών 16-bit που κατασκευάζονται από το Texas Instruments με εξαιρετικά χαμηλή κατανάλωση ενέργειας ως το κύριο χαρακτηριστικό του.Χρησιμοποιεί μειωμένο σύνολο οδηγιών (RISC) και είναι ένας επεξεργαστής μικτού σήματος που ενσωματώνει ψηφιακές και αναλογικές ενότητες και επεξεργαστές.Έχει τα πλεονεκτήματα της χαμηλής τάσης, της χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας, της υψηλής ολοκλήρωσης, καθώς και της καλής ικανότητας και της αξιοπιστίας κατά της παρεμβολής.Ως εκ τούτου, έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως σε πολλούς τομείς, όπως ασύρματες επικοινωνίες, ηλεκτρονικά αυτοκινήτων, έξυπνα σπίτια, ιατρικό εξοπλισμό και βιομηχανικό αυτοματισμό.

• CC1352P

• CC1352R

• CC3200

Η σειρά MSP430 διαθέτει τρεις τύπους συσκευών, δηλαδή τον τύπο OTP, τον τύπο flash και τον τύπο ROM, και οι μέθοδοι ανάπτυξης τους είναι διαφορετικές.Για συσκευές τύπου OTP και ROM, συνήθως πρέπει να χρησιμοποιήσουμε έναν εξομοιωτή για την ανάπτυξη και στη συνέχεια να εκτελέσουμε προγραμματισμό ή κάλυψη του τσιπ.Οι συσκευές τύπου Flash έχουν ένα πολύ βολικό περιβάλλον ανάπτυξης και εντοπισμού σφαλμάτων.Δεδομένου ότι η συσκευή διαθέτει μια διασύνδεση εντοπισμού σφαλμάτων JTAG και μια ηλεκτρικά διαγραμμένη μνήμη flash, μπορεί να κατεβάσει πρώτα το πρόγραμμα για να αναβοσβήνει και στη συνέχεια να ελέγξει τη λειτουργία του προγράμματος μέσω λογισμικού στη συσκευή.Με αυτόν τον τρόπο, μπορεί να διαβάσει πληροφορίες σχετικά με το τσιπ μέσω της διεπαφής JTAG για τους σχεδιαστές να εντοπίσουν σφάλματα, χωρίς την ανάγκη εξομοιωτών και προγραμματιστών.Για συσκευές τύπου flash, περιέχει επίσης και άλλα βολικά εργαλεία ανάπτυξης και διεπαφές, όπως χρονομετρητές υλικού, ADC κ.λπ. Επομένως, εκτός από τη γλώσσα συναρμολόγησης και τη γλώσσα C, μπορούμε επίσης να επιλέξουμε άλλες σχετικές γλώσσες ανάπτυξης ανάλογα με τις συγκεκριμένες ανάγκες εφαρμογών.

Ο λόγος για τον οποίο ο μικροελεγκτής MSP430 έχει εξαιρετικά χαμηλή κατανάλωση ενέργειας είναι επειδή είναι μοναδικό στη μείωση της τάσης τροφοδοσίας του τσιπ και του εύκαμπτου και ελεγχόμενου ρολογιού λειτουργίας.

Πρώτα απ 'όλα, το εύρος τάσης τροφοδοσίας του μικροελεγκτή της σειράς MSP430 είναι 1,8 έως 3,6V.Επομένως, όταν εκτελείται σε συχνότητα ρολογιού 1MHz, το ελάχιστο ρεύμα του τσιπ είναι περίπου 165 μΑ.Ταυτόχρονα, η χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας στη λειτουργία συγκράτησης RAM είναι μόνο 0,1μa.Δεύτερον, αυτή η σειρά μικροελεγκτών έχει ένα μοναδικό σχεδιασμό συστήματος ρολογιού.Στη σειρά MSP430, υπάρχουν δύο διαφορετικά συστήματα ρολογιών, συμπεριλαμβανομένου του συστήματος βασικού ρολογιού και του συστήματος ρολογιού βρόχου (FLL και FLL+), καθώς και του συστήματος ρολογιών DCO Digital Oscillator.Χρειάζεται μόνο να χρησιμοποιήσουμε έναν κρυστάλλινο ταλαντωτή (όπως DT-26 ή DT-38) για να παρέχουμε ρολόγια για την CPU και διάφορες λειτουργικές απαιτήσεις.Επιπλέον, αυτά τα ρολόγια μπορούν να ενεργοποιηθούν και να απενεργοποιηθούν υπό τον έλεγχο των οδηγιών, επιτρέποντας τον αποτελεσματικό έλεγχο της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας.

Το σύστημα λειτουργεί σε διαφορετικούς τρόπους εργασίας, με αποτέλεσμα σημαντικές διαφορές στην κατανάλωση ισχύος τσιπ.Υπάρχουν δύο ενεργές λειτουργίες (AM) και πέντε τρόποι χαμηλής ισχύος (LPM0 ~ LPM4) στο σύστημα.Σε λειτουργία ρολογιού σε πραγματικό χρόνο, η κατανάλωση ενέργειας του τσιπ μπορεί να φτάσει το υψηλό επίπεδο των 2,5 μΑ, ενώ σε λειτουργία συγκράτησης RAM, η κατανάλωση ενέργειας του τσιπ μπορεί να μειωθεί σε τουλάχιστον 0,1 μΑ.

Κάθε σειρά των μικροελεγκτών σειράς MSP430 ενσωματώνει έναν πλούτο περιφερειακών ουσιών και on-chip, συμπεριλαμβανομένου του Watchdog (WDT), του αναλογικού συγκριτή Α, του Timer_A0, του Timer_A1, του Timer_B0, του UART, του SPI, του I2C, του Multiplier Hardware, του LCD, 10-BIT/12-bit ADC, 16-bit σ-δ ADC, DMA, βασικό χρονοδιακόπτη, ρολόι σε πραγματικό χρόνο (RTC) και ελεγκτή USB κ.λπ.

Η σειρά μικροελεγκτών MSP430 μπορεί να επιτύχει έναν κύκλο διδασκαλίας 40NS που οδηγείται από ένα κρύσταλλο 25MHz.Το πλάτος δεδομένων 16-bit, ο κύκλος διδασκαλίας 40NS και ο πολυλειτουργικός πολλαπλασιαστής υλικού του επιτρέπουν να εφαρμόσει ορισμένους αλγόριθμους για την επεξεργασία ψηφιακού σήματος (όπως FFT κ.λπ.).

Ο μικροελεγκτής της σειράς MSP430 είναι ένας μικροελεγκτής 16-bit που υιοθετεί μια δομή μειωμένου συνόλου οδηγιών (RISC) και έχει πλούσιους τρόπους απευθυνόμενης.Οι βασικές οδηγίες αυτής της σειράς μικροελεγκτών είναι απλές και υπάρχει επίσης ένας μεγάλος αριθμός αναλογικών οδηγιών που είναι διαθέσιμες.Επιπλέον, ένας μεγάλος αριθμός μητρώων και μνήμης δεδομένων σε τσιπ μπορεί να συμμετάσχει σε μια ποικιλία λειτουργιών, παρέχοντας αποτελεσματικές οδηγίες επεξεργασίας επιτραπέζιων επιτραπέζιων επιτραπέζιων επιτραπέζιων.Αυτά τα χαρακτηριστικά μας επιτρέπουν να καταρτίσουμε αποτελεσματικά προγράμματα πηγής.

Οι μνήμες του προγράμματος κάθε σειράς μικροελεγκτών MSP430 περιλαμβάνουν τύπους OTP, ROM, EPROM και Flash.

Η CPU του μικροελεγκτή σειράς MSP430 είναι βασικά η ίδια με έναν μικροεπεξεργαστή γενικής χρήσης, αλλά υιοθετεί ένα σύστημα δομής και διδασκαλίας με έλεγχο του ελέγχου στο σχεδιασμό του.Η δομή CPU πυρήνα MSP430 έχει σχεδιαστεί με εξορθολογισμένο σύνολο οδηγιών και υψηλή διαφάνεια, συμπεριλαμβανομένων των εσωτερικών οδηγιών που εκτελούνται από τις οδηγίες υλικού και προσομοίωσης που βασίζονται σε υπάρχουσες δομές υλικού.Αυτός ο σχεδιασμός βελτιώνει την ταχύτητα και την αποτελεσματικότητα της εκτέλεσης της διδασκαλίας, ενισχύοντας έτσι τις δυνατότητες επεξεργασίας σε πραγματικό χρόνο του MSP430.

Συνδέεται με τη CPU μέσω των γραμμών MAB, MDB και διακοπής και διέγερσης.Οι περιφερειακές μονάδες σε διάφορες σειρές προϊόντων MSP430 ενδέχεται να διαφέρουν τόσο στον τύπο όσο και στην ποσότητα.Είναι συνήθως ένας συνδυασμός περιφερειακών μονάδων όπως η μονάδα ρολογιού, ο φύλακας, η θύρα, ο βασικός χρονομετρητής, ο χρονομετρητής Α, ο χρονομετρητής Β, ο συγκριτής Α, η σειριακή θύρα 0, η σειριακή θύρα 1, ο οδηγός LCD, ο αναλογικός σε ψηφιακό μετατροπέα-Παραγωγός μετατροπέας, πολλαπλασιαστής υλικού, ελεγκτής DMA, κ.λπ.

Εύκολο στο πρόγραμμα: Τα εργαλεία ανάπτυξης MSP430 είναι απλά και εύκολο στη χρήση και οι χρήστες μπορούν να λειτουργούν χρησιμοποιώντας μια ποικιλία γλωσσών προγραμματισμού, όπως η γλώσσα C και η γλώσσα συναρμολόγησης.

Προσιτή τιμή: Σε σύγκριση με άλλες σειρές μικροελεγκτή, η τιμή της είναι πιο προσιτή και κατάλληλη για χρήση σε εφαρμογές χαμηλού κόστους.

Προσομοίωση υψηλής ακρίβειας: Έχει ενσωματωμένα αναλογικά κυκλώματα υψηλής ακρίβειας, ικανά για ακριβή συλλογή και επεξεργασία αναλογικού σήματος.

Χαμηλή κατανάλωση ενέργειας: Η σειρά MSP430 υιοθετεί μια ποικιλία τεχνολογιών χαμηλής ισχύος, επιτρέποντάς του να καταναλώνει ελάχιστη ισχύ σε κατάσταση αναμονής.

Υποστήριξη πολλαπλών πρωτοκόλλων επικοινωνίας: Υποστηρίζει πολλαπλά πρωτόκολλα επικοινωνίας όπως I2C, SPI, UART, κλπ. Για να διευκολυνθεί η επικοινωνία με άλλες συσκευές.

Περιορισμένοι αναπτυξιακοί πόροι: Σε αντίθεση με άλλες σειρές μικροελεγκτή, το MSP430 έχει σχετικά λίγους αναπτυξιακούς πόρους, οπότε οι χρήστες πρέπει να βρουν σχετικές πληροφορίες και να επιλύουν τα προβλήματα από μόνα τους.

Μικρή χωρητικότητα αποθήκευσης: Η χωρητικότητα αποθήκευσης είναι σχετικά μικρή και δεν είναι κατάλληλη για σενάρια εφαρμογής που απαιτούν μεγάλο αριθμό προγραμμάτων και αποθήκευσης δεδομένων.

Χαμηλότερη απόδοση: Σε σύγκριση με άλλες σειρές μικροελεγκτή υψηλής απόδοσης, το MSP430 τρέχει πιο αργά και δεν είναι κατάλληλη για χρήση σε σενάρια εφαρμογών υψηλής απόδοσης.

Τα MSP430 και 89C51 είναι και οι δύο μικροελεγκτές και διαφέρουν στις ακόλουθες πτυχές.

Πρώτα απ 'όλα, δεδομένου ότι ο μικροελεγκτής σειράς 89C51 διαθέτει εσωτερικό δίαυλο 8-bit, οι εσωτερικές λειτουργίες του είναι βασικά 8-bit.Αν και οι εσωτερικές λειτουργικές ενότητες έχουν αυξηθεί σημαντικά, η ίδια η δομή έχει μεγάλους περιορισμούς, ειδικά η προσθήκη αναλογικών λειτουργικών συστατικών είναι πιο δύσκολη.Αντίθετα, η βασική αρχιτεκτονική της σειράς MSP430 είναι 16-bit.Εσωτερικά, αν και ο δίαυλος δεδομένων μετατρέπεται, εξακολουθεί να υπάρχει δίαυλος 16-bit και είναι μια υβριδική δομή.Επομένως, για αυτή την ανοικτή αρχιτεκτονική, είτε πρόκειται για επέκταση λειτουργικών μονάδων 8-bit είτε λειτουργικών μονάδων 16-bit, όπως η επέκταση λειτουργικών μονάδων όπως αναλογική/ψηφιακή μετατροπή ή ψηφιακή/αναλογική μετατροπή, είναι πολύ βολικές.Αυτός είναι και ο λόγος για τον οποίο η σειρά προϊόντων MSP430 και τα λειτουργικά τους εξαρτήματα αυξάνονται γρήγορα.

Δεύτερον, τα εργαλεία ανάπτυξης τους είναι διαφορετικά.Το 89C51 είναι ο πρώτος μικροελεγκτής που εισέρχεται στο China, οπότε οι άνθρωποι έχουν δημιουργήσει πολλά κατάλληλα εργαλεία ανάπτυξης.Ωστόσο, ο τρόπος εφαρμογής του διαδικτυακού προγραμματισμού εξακολουθεί να είναι ένα μεγάλο πρόβλημα.Για τη σειρά MSP430, λόγω της εισαγωγής της μνήμης του προγράμματος Flash και της τεχνολογίας JTAG, όχι μόνο τα εργαλεία ανάπτυξης έχουν γίνει εύκολο στη χρήση, αλλά η τιμή είναι επίσης σχετικά χαμηλή.Επιπλέον, υποστηρίζει τον προγραμματισμό στο διαδίκτυο.

Επιπλέον, το 89C51 είναι ένας μικροελεγκτής 8-bit.Χρησιμοποιεί ένα σύνθετο σύνολο οδηγιών που ονομάζεται "CISC" με 111 οδηγίες.Ο μικροελεγκτής MSP430 είναι ένας μικροελεγκτής 16-bit που υιοθετεί μια μειωμένη δομή ρύθμισης διδασκαλίας με μόνο 27 συνοπτικές οδηγίες.Ταυτόχρονα, ένας μεγάλος αριθμός αναλογικών οδηγιών χρησιμοποιούν πολυάριθμα μητρώα και μνήμη δεδομένων σε τσιπ, επιτρέποντάς τους να συμμετέχουν σε μια ποικιλία λειτουργιών.Αυτές οι βασικές οδηγίες είναι οδηγίες ενός κύκλου, ισχυρές και γρήγορες.

Τέλος, η τάση τροφοδοσίας του ίδιου του μικροελεγκτή 89C51 είναι 5 βολτ.Έχει δύο τρόπους κατανάλωσης χαμηλής ισχύος, δηλαδή τη λειτουργία αναμονής και τη λειτουργία Power-Down.Κάτω από κανονικές συνθήκες, το ρεύμα κατανάλωσης ενέργειας είναι 24mA, ενώ βρίσκεται σε κατάσταση αναμονής, το ρεύμα κατανάλωσης ενέργειας εξακολουθεί να είναι 3mA.Ακόμη και σε λειτουργία ισχύος, η τάση τροφοδοσίας της μπορεί να μειωθεί στο 2V.Ωστόσο, για να αποθηκεύσετε τα δεδομένα στην εσωτερική μνήμη RAM, πρέπει επίσης να παρέχει περίπου 50UA του ρεύματος.Σε σύγκριση, η σειρά μικροελεγκτών MSP430 έχουν ανώτερη απόδοση χαμηλής ισχύος.Ως εκ τούτου, το MSP430 είναι πιο κατάλληλο για όργανα και προϊόντα μετρητών με μπαταρία.

• Σύστημα απόκτησης δεδομένων: Διαθέτοντας ADC και συγκριτή 12 bit, ενσωματώνει διάφορα στοιχεία όπως πολλαπλά χρονομετρητές και USART σε ένα μόνο τσιπ, καθιστώντας το κατάλληλο για εφαρμογές σε συστήματα απόκτησης δεδομένων.

• Κόμβος αισθητήρα: Λόγω της χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας, είναι κατάλληλο για ασύρματα δίκτυα αισθητήρων και μπορεί να επεκτείνει αποτελεσματικά τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας των κόμβων αισθητήρων.

• Αυτόματο σύστημα ελέγχου: Το MSP430 μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συστήματα αυτόματου ελέγχου, όπως ο βιομηχανικός έλεγχος, ο αυτοματισμός στο σπίτι και τα συστήματα αυτοματισμού κτιρίων.Η υψηλή απόδοση και η χαμηλή κατανάλωση ενέργειας το καθιστούν κατάλληλο για εφαρμογές ελέγχου μακροχρόνιων.

• Φορητές συσκευές: Η εξαιρετικά χαμηλή κατανάλωση ενέργειας την καθιστά ιδανική για φορητές συσκευές όπως ρολόγια, φορητούς υπολογιστές, αθλητικούς ιχνηλάτες και ιατρικές συσκευές.

• Smart Instrument: Ο μικροελεγκτής MSP430 χρησιμοποιεί τη μνήμη flash ως αποθήκευση του προγράμματος, υποστηρίζοντας τον προγραμματισμό online JTAG για βολικές εργασίες, όπως λήψη προγράμματος, προσομοίωση, εντοπισμός σφαλμάτων και αναβαθμίσεις.Αυτή η λειτουργία οδήγησε στην ευρεία υιοθέτησή του στο πεδίο Smart Meter.

• Smart Meters: Το MSP430 χρησιμοποιείται ευρέως σε έξυπνους μετρητές.Παρακολουθεί τη χρήση ισχύος, εκτελεί διόρθωση συντελεστή ισχύος και επικοινωνεί λειτουργίες διατηρώντας παράλληλα τη χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, επεκτείνοντας σημαντικά τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας.

• Ιατρικός εξοπλισμός: Λόγω της κατανάλωσης χαμηλής ενέργειας και της μικρής συσκευασίας MSP430, χρησιμοποιείται ευρέως στον ιατρικό εξοπλισμό, συμπεριλαμβανομένων φορητών ιατρικών οργάνων και εξοπλισμού παρακολούθησης ασθενών.

Η οικογένεια MSP430 των επεξεργαστών μικτού σήματος RISC-signal 16-bit από το Texas Instruments (TI) παρέχει την τελική λύση για εφαρμογές μέτρησης που τροφοδοτούνται με μπαταρίες.

Το λογισμικό MSP430Ware είναι μια συλλογή πόρων σχεδιασμού για την ανάπτυξη με MSP430 MCUs, συμπεριλαμβανομένης μιας ευρείας επιλογής υψηλής αφαίρεσης βιβλιοθηκών λογισμικού.Το λογισμικό είναι διαθέσιμο ως στοιχείο του κώδικα Composer Studio ™ IDE Desktop και cloud εκδόσεις ή ως αυτόνομο πακέτο.

Η λειτουργία χαμηλής ισχύος είναι ένα βασικό χαρακτηριστικό του MSP430.Ο σχεδιασμός του δίνει πολύ χαμηλή διαρροή και λειτουργεί από μία μόνο σιδηροτροχιά.Αυτό δίνει μια εξαιρετικά χαμηλή αποστράγγιση ρεύματος όταν ο επεξεργαστής βρίσκεται σε κατάσταση αναμονής.Υποστηρίζονται αρκετές λειτουργίες χαμηλής ισχύος, οι οποίες εξισορροπούν τις ανάγκες διαφορετικών εφαρμογών.

Η κύρια διαφορά μεταξύ MSP430 και Arduino: Το Arduino είναι χτισμένο για γρήγορη επιτυχία όταν παίζετε με αυτό.Το μειονέκτημα είναι ότι χρησιμοποιεί γενικές βιβλιοθήκες για να κάνει τα απλούστερα πράγματα.Όπως ο υπολογιστής όπου ένα απλό πρόγραμμα "Hello World" 1 γραμμής φορτώνει τόνους DLL.Το MSP, ωστόσο, απαιτεί να κάνετε πραγματικά κάτι.

Ο μικροελεγκτής MSP430 είναι επεξεργαστής μικτού σήματος.Παρέχει μια λύση με ένα τσιπ, ενσωματώνοντας αρκετά διαφορετικά λειτουργικά αναλογικά κυκλώματα, μονάδες ψηφιακού κυκλώματος και μικροεπεξεργαστές σε ένα μόνο τσιπ για πρακτικές απαιτήσεις εφαρμογής.