USB連結是許多嵌入式應用的重要規格;高度整合的USB微控制器解決方案，不僅能以最簡易的方式為嵌入式系統建立USB連結，還能提供高效能的CPU功能;其所附帶的整合式類比周邊更有助于降低元件數量和材料清單成本，進一步滿足市場需求。

高整合度USB微控制器可以高成本效益，完成嵌入式連結功能設計。

加入更多功能/周邊降低整體成本

USB在工業和消費應用中迅速獲得采用，同時也為嵌入式解決方案的設計人員帶來挑戰，因為設計人員須把USB連結融入產品中，且還要維持或者降低整體成本。早期版本的USB微控制器是為增設USB介面所開發，但它沒有能力支援其他的功能或周邊設備。當USB剛推出時，這些元件在推動USB介面的全面普及上扮演重要的角色，即使到今天，這些橋接元件也可當作有效解決方案。只要透過輔助晶片，即可迅速增添全速型USB，而不必重新設計整個系統。不過，對于一些成本敏感的應用，這種做法或許不盡理想。

為克服成本上的難題，新一代的USB微控制器加入更多的功能與周邊裝置。不過，具備不同周邊功能的USB微控制器雖然在市場上大幅成長，但還是不及高度整合的解決方案。高整合度的USB解決方案不僅能加入適當組合的周邊裝置，還能確保這些功能強大到足以支援重要的應用需求。雖然應用需求深受終端產品的特性與功能所影響，但大部分的應用主要須涵蓋三個共通的層面。

首先是中央處理器(CPU)的效能以及把USB并入周邊裝置的影響;第二須考量的層面是，在類比功能或周邊裝置上扮演真實世界訊號連結的要角;最后，由于各種應用對成本幾乎都很敏感，因此可消除外部元件需求以降低成本的USB建置便十分理想。

CPU主要的功能為執行用戶碼，所以它能不能及時執行指令并處理資料便至關重要。一般符合成本效益的USB控制器都會采用先進先出(FIFO)的方式來管理進出的封包，而CPU可將資料存取于緩沖器內，并同時執行其他的作業。

CPU/USB功能交互作用難題迎刃解

在橋接應用的例子中，假設需求是要把序列式的通用異步收發器(UART)橋接到USB的系統上。最簡單的方法，CPU應該要能從UART介面擷取資料，并存入USB FIFO中，反之亦然。不過，要是同樣此應用須執行其他簡單的功能，像是反轉字節排序，或者執行復雜的功能，如套用軟體過濾程式，該怎么辦?一開始的簡單作業突然變成極為復雜的運算，而這須要經過特別的處理才能妥善管理，于是對CPU所造成的負擔便愈來愈大。

一般的協定橋接都是把一個周邊裝置的資料傳往另一個，并且幾近即時，所以CPU須具備必要的效能來讀寫及運作資料，延遲時間也要縮短到能讓人接受。芯科實驗室(Silicon Labs)推出一系列的微控制器，為低價USB解決方案中較佳的范例，該系列微控制器具備強化的高速CPU，能夠在一或二個系統時脈周期就能執行七成的指令。這種效能不僅足以滿足協定橋接應用的需求，還能支援其他大部分的高速USB應用。另一個優點是，高速CPU能在較短的時間內執行較多的工作，所以能降低整體的耗電量，并使系統在低功耗模式中維持較長時間運作(圖1)。

圖1 高效能微控制器可使系統在低功耗模式下延長作業時間

因應不同需求微控制器內建ADC已成趨勢

很多應用都有采用類比式的功能或周邊裝置，像是類比數位轉換器(ADC)和比較器，例如從基礎的電池管理到高速感測介面中，極為復雜的資料擷取系統，每個應用都須使用ADC和比較器來支援廣泛的應用，而ADC和比較器必須具備強大的效能，以因應各種不同的需求，同時還必須價格低廉以便整合到USB微控制器中。

有些廠商的微控制器就具備內建高效能的ADC，而這些ADC的轉換時間是追蹤一次500ksps，并具有能在ADC每次轉換后，插入時脈循環的能力。

具體來說，當轉換的訊號出現后，每次轉換前都會有一段三個ADC時脈循環的追蹤期(圖2)。當有好幾個ADC頻道在運作時，這種模式就非常有用，因為它能建立正確轉換時所不可或缺的適當安定時間。此外，偵測可編程窗口的效能也可用來比對ADC的輸出暫存器和使用者所編程的限制。這種效能尤其適用于電池管理的應用，因為使用者可限制電池存量要到多低時才發出警示。另外，由于不須動用到CPU的任何效能，因此延遲期間非常短，可進一步提高電池應用的安全性。

圖2 類比數位轉換器追蹤模式

比較器提供另一種非常有用的類比功能，并廣泛運用在許多應用中，如血糖機中的比較器是用來檢測試紙的置入，或者像胰島素泵則須要快速關機機制以防止電泵當機。在這兩個例子中，比較器的反應時間與耗電量就顯得格外重要。

在傳統的USB裝置中比較器的規格都很寬松，而先進的微控制器可提供可編程反應時間短至100奈秒(ns)。耗電量也可由使用者來選定，以低到1微安培(μA)這點來看，微控制器的裝置，其所達到的類比效能數值跟一般的離散式類比積體電路(IC)可說是不相上下。當USB的微控制器整合高效能類比效能時，它就能提供符合成本效益的單晶片解決方案，并替代外部類比元件。

確保USB連結可靠性內建振蕩器勢在必行

若是要把USB整合到單晶片微控制器解決方案里，要如何做才能最佳化系統的設計成本，對于設計人員來說，可能需要不同的想法。比方說，在設計中如果加入USB，可能會對時脈樹系統的設計造成不小的影響。如果要確保USB連結時的可靠性，維持USB時脈的準確性就顯得更為重要。

一般USB微控制器都須要設計人員加入外部晶體和相關元件，才能讓USB時脈達到準確度的要求。這種做法不僅會提高解決方案的成本，也會擴大印刷電路板(PCB)設計復雜度與總體尺寸。此外，USB的速度多半要靠外部的終端電阻來確認，這也進一步提高USB的建置成本。

將時脈的恢復能力整合到USB微控制器元件中，這是創新效能的最佳典范。它剔除其他USB微控制器常用的外部晶體，并靠內部振蕩器針對載入的USB資料串列自行調節。如此一來，透過內部振蕩器就能滿足USB時脈需求。除移除外部元件降低成本外，剔除外部晶體還有另一個主要好處，即是把跟時脈相關的噪音排放消除后，電磁干擾(EMI)就會大幅減少。此外，這些解決方案所整合的終端電阻完全是靠軟體來控制;剔除外部晶體和相關元件以及把終端電阻整合進來是很大相當大的突破，因為當設計人員把USB加入設計中時，這可助于降低成本與復雜性。

USB設計還有一個常見的挑戰，即軟體開發既復雜又費時。而隨手可得的USB驅動程式和程式碼范例則可克服此難題，并大幅縮短開發時間。比方說，有些廠商的USB微控制器開發工具就包含生產所需的主機和USB裝置的驅動程式。使用時并不需要USB協定或主機設備驅動程式的專門技術，使USB連結能以迅速簡單的方式來建置。

USB連結是許多嵌入式應用的重要需求，高度整合的USB微控制器解決方案不僅能以最簡易的方式建立USB連結，為嵌入式系統的開發人員大幅簡化設計，還能提供高效能的CPU功能，其所附帶的整合式類比效能則有助于降低元件數量和材料清單成本(BOM)，進一步滿足市場需求。