什么？8位MCU還在增長(zhǎng)？

我們經(jīng)常討論8位、 16位、 32位和 64位處理器，但不知道現(xiàn)在年輕的工程師們是否知道，第一個(gè)商業(yè)微處理器 Intel 4004是一臺(tái) 4位機(jī)器。

微處理器也稱為微處理器單元 (MPU)。早期的 MPU只包含一個(gè)中央處理單元 (CPU)，隨著時(shí)間的推移，添加了如 cache memory、浮點(diǎn)單元 (FPU)、內(nèi)存管理單元 (MMU)等功能。關(guān)鍵的一點(diǎn)是： MPU不包含任何內(nèi)存或外設(shè)。

相比而言，微控制器（ MCU)包含非易失性存儲(chǔ)器 (如 Flash)、易失性存儲(chǔ)器 (如 SRAM)、外圍設(shè)備 (如計(jì)數(shù)器、計(jì)時(shí)器、 ADC和 UART、 I2C、 SPI等通信接口 )。從本質(zhì)上講， MCU是一個(gè)小的獨(dú)立的計(jì)算機(jī)，用一個(gè)單獨(dú)的硅芯片實(shí)現(xiàn)，它包含自己的程序，一啟動(dòng)就開(kāi)始執(zhí)行。這就解釋了為什么 MCU會(huì)出現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)中，也解釋了為什么嵌入式系統(tǒng)隨處可見(jiàn)。

MCU的歷史和 MPU的歷史一樣模糊。哪個(gè)是第一個(gè) MCU？是日本人在 20世紀(jì) 70年代早期為汽車發(fā)明的 4位設(shè)備，還是 TI工程師在 1974年發(fā)明的 4位 TMS 1000 ？關(guān)于 8位 MCU，早期最著名的可能是 8051(又名 MCS-51)，其指令集架構(gòu) (ISA)是由 John H. Wharton構(gòu)想的，并于 1980年面市。直到今天， 8051的變種仍然活躍在市場(chǎng)上。

如今，有無(wú)數(shù)的 MCU可以滿足用戶的各種需求。其中， PIC微控制器和 AVR微控制器是兩個(gè)最大的家族。第一個(gè) 8位 PIC是通用儀器在 1975年開(kāi)發(fā)的，現(xiàn)在 PIC是 Microchip Technology的業(yè)務(wù)范圍。最初的 8位 AVR架構(gòu)是由 Alf-Egil Bogen和 Vegard Wollan在挪威理工學(xué)院 (NTH)求學(xué)時(shí)構(gòu)想的， Atmel隨后獲得了這項(xiàng)技術(shù)，并于 1996年推出了 AVR家族的第一批產(chǎn)品。 Atmel于 2016年被 Microchip Technology收購(gòu)。

筆者剛剛與 Microchip的 Greg Robinson和 Brian Thorsen聊天， Greg是 Microchip的 MCU8業(yè)務(wù)部的營(yíng)銷副總裁， Brian是高級(jí)公關(guān)經(jīng)理。從下圖我們可以看出，在 8位 MCU方面， Microchip擁有 32%的市場(chǎng)份額 (其最接近的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手 NXP擁有 11%的市場(chǎng)份額 )。

Greg表示， Microchip將繼續(xù)創(chuàng)新，將新的部件推廣到 8位空間。例如，在 2022年第二季度， Microchip將推出 5個(gè)新系列，擁有 65種設(shè)備，這些設(shè)備擁有豐富的片上模擬設(shè)備和其他獨(dú)立于核心的外圍設(shè)備。

除了傳統(tǒng)的單芯片系統(tǒng) (其中 Microchip MCU是板上唯一的處理器 )外， 8位處理器在系統(tǒng)管理 IC和協(xié)處理器中的作用越來(lái)越大。這在很大程度上是由于分布式智能在物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備、汽車安全、工業(yè)控制系統(tǒng)、醫(yī)療電子和家用電子等應(yīng)用領(lǐng)域的急劇增長(zhǎng)所推動(dòng)的。即使是最先進(jìn)的 5G系統(tǒng)，通常也可以受益于將某些任務(wù)轉(zhuǎn)移到更小的 8位處理器上，從而將更高級(jí)別的處理器釋放出來(lái)，做自己最擅長(zhǎng)的事情。

Greg透露，很多 8位處理器的增長(zhǎng)都是由 32位處理器驅(qū)動(dòng)的， 32位處理器將諸如人機(jī)界面 (HMI)功能和家務(wù)管理任務(wù)傳遞給了 8位處理器。此外， 8位機(jī)器作為協(xié)同處理器的使用越來(lái)越多，可以執(zhí)行諸如讀取傳感器讀數(shù)和在將傳感器數(shù)據(jù)傳遞給更高級(jí)別處理器之前對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理等任務(wù)。

我們也討論了當(dāng)前的供應(yīng)鏈問(wèn)題。在談話之前，筆者沒(méi)有意識(shí)到 Microchip公司 95%的 8位產(chǎn)品都是內(nèi)部生產(chǎn)的，他們還擁有自己的封裝，制造和測(cè)試設(shè)備。

MicroChip總裁兼 CEO Ganesh Moorthy預(yù)計(jì)短缺將延續(xù)到 2023年，但公司已承諾在未來(lái)幾年投入 10億美元，使公司能夠繼續(xù)推出新產(chǎn)品，同時(shí)擴(kuò)大產(chǎn)能，以滿足現(xiàn)有設(shè)備的需求。

上表中的 ADCC代表 “ADC計(jì)算 ”，它是模擬和數(shù)字功能的混合。片上模擬功能包括 8位、 10位和 12位 ADC，可以使用圖形工具輕松配置，其他選項(xiàng)包括帶有相關(guān)可編程增益放大器 (PGA)的 ADC，這省去了使用外部 PGA，以及帶有上下文 /排序的 ADC。其他功能包括片上比較器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)、斜坡發(fā)生器、溫度傳感器、電壓基準(zhǔn)、零交叉檢測(cè)和運(yùn)算放大器。

考慮下面給出的 opamp示例。傳統(tǒng)的方法是使用外部 opamp，引入片上 opamp的好處包括節(jié)省電路板上的空間，減少材料清單 (BOM)，并能夠在程序控制下實(shí)時(shí)改變軟件中的增益和其他特性。

核心獨(dú)立外設(shè) (core independent peripheral，簡(jiǎn)稱 CIP)的概念是，當(dāng) core在休眠或處理更重要的任務(wù)時(shí)，外設(shè)可以自己執(zhí)行任務(wù)。例如， CIP可以從傳感器讀取讀數(shù)，然后在 core休眠時(shí)累加、平均或?qū)Y(jié)果做濾波處理。當(dāng) core被喚醒時(shí)，外圍設(shè)備就已經(jīng)準(zhǔn)備好了預(yù)處理過(guò)的數(shù)據(jù)。

當(dāng) CIP組合在一起創(chuàng)建自定義外設(shè) (或者可以稱之為 “超級(jí)外設(shè) ”)時(shí)，事情開(kāi)始變得真正有趣起來(lái)。下面是一個(gè)很好的例子。這是一個(gè)使用串行總線通信協(xié)議控制一組 LED的應(yīng)用程序。

指定“哪個(gè) LED”和 “什么顏色 ”涉及到相當(dāng)復(fù)雜的信號(hào)，可能需要發(fā)送大量的數(shù)據(jù)，這通常需要高速的 32位 MCU。然而，通過(guò)使用少量 CIP外設(shè) ——定時(shí)器、 SPI、 PWM和一些使用 CLC(可配置邏輯單元 )實(shí)現(xiàn)的邏輯，可以在 8位 PIC微控制器上實(shí)現(xiàn)這種算法。

其結(jié)果是允許 8位 MCU以邏輯速度驅(qū)動(dòng) LED鏈，這比指令速度 (即在 core上運(yùn)行的指令 )快得多，同時(shí)釋放 core來(lái)執(zhí)行其他任務(wù)。

擁有 CIP，特別是能夠?qū)⑺鼈兘M合在一起，為廣泛的部署場(chǎng)景打開(kāi)了大門(mén)，允許外圍設(shè)備處理各種傳感器數(shù)據(jù)。

考慮如下所示的例子，其中一個(gè) 8位 PIC或 AVR微控制器被用于監(jiān)控溫度、濕度和振動(dòng)傳感器的輸出。可能來(lái)自溫度傳感器的信號(hào)比來(lái)自濕度傳感器的信號(hào)需要更高的增益，這可以通過(guò)在程序控制下改變片上運(yùn)放的增益來(lái)實(shí)現(xiàn)。

同樣，可能 MCU需要運(yùn)行在 5V，而使用 I2C通信的振動(dòng)傳感器只需要 1.8V。在這種情況下，不是采用外部 voltage level shifter，而是采用 MCU的多電壓輸入 /輸出 (MVIO)功能。

上面是 MVIO和 I2C的組合， MVIO也可以與通用輸入 /輸出 (GPIO)一起使用。例如，運(yùn)行在 5V的 8位 PIC或 AVR MCU可用于讀取傳感器的值，從而獲得比 3.3V MCU更高的精度， 然后PIC/AVR可以使用其 MVIO能力將該數(shù)據(jù)傳輸?shù)?nbsp;3.3V 32位 PIC32 SAM MCU。

Greg在結(jié)束談話時(shí)說(shuō)了一些非常有趣的事情，那就是不僅是8位MCU這塊蛋糕的規(guī)模在增長(zhǎng)，而且出現(xiàn)了各種各樣的新應(yīng)用，這就像是有了一個(gè)全新的蛋糕。因此，他表示，Microchip非常看好8位MCU市場(chǎng)。

原文鏈接：

https://www.eejournal.com/article/what-more-8-bit-microcontrollers/