什么？8位MCU還在增長？

我們經常討論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)、內存管理單元 (MMU)等功能。關鍵的一點是： MPU不包含任何內存或外設。

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)、外圍設備 (如計數(shù)器、計時器、 ADC和 UART、 I2C、 SPI等通信接口 )。從本質上講， 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位設備，還是 TI工程師在 1974年發(fā)明的 4位 TMS 1000 ？關于 8位 MCU，早期最著名的可能是 8051(又名 MCS-51)，其指令集架構 (ISA)是由 John H. Wharton構想的，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)務范圍。最初的 8位 AVR架構是由 Alf-Egil Bogen和 Vegard Wollan在挪威理工學院 (NTH)求學時構想的， Atmel隨后獲得了這項技術，并于 1996年推出了 AVR家族的第一批產品。 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)務部的營銷副總裁， Brian是高級公關經理。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種設備，這些設備擁有豐富的片上模擬設備和其他獨立于核心的外圍設備。

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)網邊緣設備、汽車安全、工業(yè)控制系統(tǒng)、醫(yī)療電子和家用電子等應用領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轉移到更小的 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位處理器驅動的， 32位處理器將諸如人機界面 (HMI)功能和家務管理任務傳遞給了 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處理等任務。

我們也討論了當前的供應鏈問題。在談話之前，筆者沒有意識到 Microchip公司 95%的 8位產品都是內部生產的，他們還擁有自己的封裝，制造和測試設備。

MicroChip總裁兼 CEO Ganesh Moorthy預計短缺將延續(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)推出新產品，同時擴大產能，以滿足現(xiàn)有設備的需求。

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 (core independent peripheral，簡稱 CIP)的概念是，當 core在休眠或處理更重要的任務時，外設可以自己執(zhí)行任務。例如， CIP可以從傳感器讀取讀數(shù)，然后在 core休眠時累加、平均或對結果做濾波處理。當 core被喚醒時，外圍設備就已經準備好了預處理過的數(shù)據(jù)。

當 CIP組合在一起創(chuàng)建自定義外設 (或者可以稱之為 “超級外設 ”)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的應用程序。

指定“哪個 LED”和 “什么顏色 ”涉及到相當復雜的信號，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 ——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。

其結果是允許 8位 MCU以邏輯速度驅動 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。

擁有 CIP，特別是能夠將它們組合在一起，為廣泛的部署場景打開了大門，允許外圍設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?？赡軄碜詼囟葌鞲衅鞯男盘柋葋碜詽穸葌鞲衅鞯男盘栃枰叩脑鲆?，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)了各種各樣的新應用，這就像是有了一個全新的蛋糕。因此，他表示，Microchip非常看好8位MCU市場。

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