物联网 MCU：小尺寸产生大影响

　　MCU 几乎是每一个联网设备的关键元件，并有望推动数百万物联网 （IoT）"终端节点"的部署。每个终端节点都包括各种不同的元件，如表计、传感器、显示器、预处理器，以及将多种功能合并在单一器件中的数据融合元件。IoT 终端节点的常见要求是小尺寸，因为这些器件通常被限制在很小的基底面内。例如，当考虑可穿戴设备时，体积小和重量轻是获得客户认可的关键。

　　小封装 MCU 是控制体积受限型 IoT 终端节点应用的理想元件。许多 MCU 还有其它功能，能让我们将一个功能非常强大的设计轻松放入引脚受限的形状内。灵活的引脚分配、自主运行以及智能化外设互连器件就是小引脚数 MCU 先进特性的一些示例，它们进一步提升了MCU 的能力，对尺寸受限型应用产生很大的影响。

　　小引脚数封装

　　在 IoT 端点允许的狭窄板空间内，将 MCU 放入其中的关键促成要素是小型封装。可穿戴设备的空间尤其有限，但仍需要强大的处理和存储能力来执行传感器、感测聚合器和控制器要求的各种前端功能。芯片级封装 （CSP） 的外形超小，不需要特殊的制造能力。例如，Freescale 的 Kinetis KL03 20 引脚 CSP MCU 系列采用 20 引脚 CSP 型 1.6 x 2.0 mm 双封装尺寸。如图 1 所示，这种 20 引脚在细间距下采用 20 个焊球，可适合最小的板空间。

图1：采用芯片级封装的 Freescale KL03 系列 MCU

　　不过，小封装未必表示处理能力也小。KL03 拥有强大的 48 MHZ 32 位 ARM Cortex-M0 处理器内核，以及 32 KB 片上闪存和 2 KB 片上 SRAM。多个串行接口（LPUART、SPI、I²C）能让 MCU 和轻松连接标准外设。一个带有模拟比较器和内部电压基准的 12 位 ADC 能满足常见的感测要求。为支持 IoT 中极为常见的定时运行，还采用了一个低功耗定时器和一个实时时钟。也可采用脉宽调制 （PWM） 定时器来简化机械控制应用。在非常小的 20 引脚 CSP 格式内实现如此众多的功能，对于设计人员来说这就是一个可用的大能力的典范。

　　智能集成

　　然而，MCU 制造商不会仅仅满足于在小装内放入功能强大的 CPU。增加智能集成——能够将外部辅助器件数量降至最少的专门化硬件，是在小型板空间内实现大量功能的又一种途径。举例来说，您每经过多长时间就需要将少数几个超简单的元件与外部功能组合，使其能够放入引脚有限的器件中？当由 CPU 管理的位检测回路过慢或者消耗过多宝贵的 CPU 时间时，您是否也需要通过这样做来加快输入信号处理速度。通过添加用户片上逻辑器件，MCU 制造商正开始满足这些要求，以集成更多的逻辑器件。

　　例如，Microchip PIC16(＄1.2500)（L）F1503(＄0.3645) MCU 就属于此类型智能集成。该器件包含少量使用所谓的可配置逻辑单元 （CLC） 的可配置逻辑器件。这些逻辑单元可用于从器件输入和内部信号来构建简单的逻辑功能。可在器件输出端使用 CLC 输出，或者将其与内部外设配合使用。图 2 所示为 CLC 逻辑图。

图2：PIC 片上可配置逻辑器件框图

　　这里可选择多达 16 个输入，然后就可形成一个逻辑功能，用来构建四个生成的输出。根据具体用途，可单独对每个输出进行使能、极性选择、边缘探测或者寄存。八个可能的逻辑功能包括 AND-OR、OR-XOR 、锁存器和寄存器等精选功能，这些都是引脚受限型器件所需的常见功能。例如，您可将电路板上的一些简单的门集成到 MCU 中，或者也可构建一些简单的功能，以消除常用来合并或调节器件输入的 CPU 周期。

　　请注意，我们现在可以使用硬件而非 CPU 密集型轮询和"位拆裂"技术来合并外设。这样，简单的外设摇身一变成为智能型外设，不必在 CPU 监管下工作。现在，ADC、定时器、中断控制器都可以轻松集成到一个完整的感测子系统中，且仅在子系统发出请求时才需要 CPU 介入，此时也许是出现了超时或者越界。

　　高效的引脚分配

　　为 IO 引脚分配正确的功能是使用小引脚数 MCU 时面临的问题之一。在许多 MCU 中，多个外设共会用一个输出引脚，而且您希望使用的外设还可能与 IO 分配相冲突。这样，就很难在最小的封装中实现您希望的功能数量。根据您的具体资源组合，您可能需要采用较大的封装。IO 分配也可能影响电路板布局和信号布线。如果引脚分布在不方便的位置，则可以采用比理想情况更多的板空间或者信号层来解决。

一些 MCU 制造商正通过提高引脚布局灵活性来消除这些限制。例如，NXP 为此增加了能够用于"交换"引脚位置的 IO 引脚阵列，以应对各种不同的片上外设信号。在 NXP 提供的 LPC82x 系列器件中（图 3），IO