什么？8位MCU還在增長？

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，第一個商業(yè)微處理器 Intel 4004是一臺 4位機器。

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

相比而言，微控制器（ MCU)包含非易失性存儲器 (如 Flash)、易失性存儲器 (如 SRAM)、外圍設(shè)備 (如計數(shù)器、計時器、 ADC和 UART、 I2C、 SPI等通信接口 )。從本質(zhì)上講， MCU是一個小的獨立的計算機，用一個單獨的硅芯片實現(xiàn)，它包含自己的程序，一啟動就開始執(zhí)行。這就解釋了為什么 MCU會出現(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。

MCU的歷史和 MPU的歷史一樣模糊。哪個是第一個 MCU？是日本人在 20世紀 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上。

如今，有無數(shù)的 MCU可以滿足用戶的各種需求。其中， PIC微控制器和 AVR微控制器是兩個最大的家族。第一個 8位 PIC是通用儀器在 1975年開發(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)時構(gòu)想的， Atmel隨后獲得了這項技術(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。

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

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)域的急劇增長所推動的。即使是最先進的 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，從而將更高級別的處理器釋放出來，做自己最擅長的事情。

Greg透露，很多 8位處理器的增長都是由 32位處理器驅(qū)動的， 32位處理器將諸如人機界面 (HMI)功能和家務(wù)管理任務(wù)傳遞給了 8位處理器。此外， 8位機器作為協(xié)同處理器的使用越來越多，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)傳遞給更高級別處理器之前對其進行預(yù)處理等任務(wù)。

我們也討論了當前的供應(yīng)鏈問題。在談話之前，筆者沒有意識到 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，制造和測試設(shè)備。

MicroChip總裁兼 CEO Ganesh Moorthy預(yù)計短缺將延續(xù)到 2023年，但公司已承諾在未來幾年投入 10億美元，使公司能夠繼續(xù)推出新產(chǎn)品，同時擴大產(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、零交叉檢測和運算放大器。

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時改變軟件中的增益和其他特性。

核心獨立外設(shè) (core independent peripheral，簡稱 CIP)的概念是，當 core在休眠或處理更重要的任務(wù)時，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休眠時累加、平均或?qū)Y(jié)果做濾波處理。當 core被喚醒時，外圍設(shè)備就已經(jīng)準備好了預(yù)處理過的數(shù)據(jù)。

當 CIP組合在一起創(chuàng)建自定義外設(shè) (或者可以稱之為 “超級外設(shè) ”)時，事情開始變得真正有趣起來。下面是一個很好的例子。這是一個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 LED”和 “什么顏色 ”涉及到相當復(fù)雜的信號，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，通過使用少量 CIP外設(shè) ——定時器、 SPI、 PWM和一些使用 CLC(可配置邏輯單元 )實現(xiàn)的邏輯，可以在 8位 PIC微控制器上實現(xiàn)這種算法。

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

擁有 CIP，特別是能夠?qū)⑺鼈兘M合在一起，為廣泛的部署場景打開了大門，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 8位 PIC或 AVR微控制器被用于監(jiān)控溫度、濕度和振動傳感器的輸出。可能來自溫度傳感器的信號比來自濕度傳感器的信號需要更高的增益，這可以通過在程序控制下改變片上運放的增益來實現(xiàn)。

同樣，可能 MCU需要運行在 5V，而使用 I2C通信的振動傳感器只需要 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)束談話時說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，而且出現(xiàn)了各種各樣的新應(yīng)用，這就像是有了一個全新的蛋糕。因此，他表示，Microchip非?？春?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/8位MCU">8位MCU市場。

原文鏈接：

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