为什么需要更多8位单片机？

文章英文版出处：

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

以下全文转载自EEWeb主编Max Maxfield在EEJournal上发表的文章：

我们周围不断充斥着有关 8 位、16 位、32 位和 64 位处理器的讨论，我不确定如今还有多少年轻工程师知道第一个商用微处理器——英特尔4004。它是一台 4 位机器（部件编号虽然叫4004，却没有一语双关的意思）。

 

顺便说一句，如果您想了解更多关于 4004 以及当代微处理器的发展史，我衷心推荐我的朋友Steve Leibson在 EEJournal 上撰写的专栏文章：《我们是否真的知道是谁发明了微处理器？》和《哪个才是第一个微处理器？》以及《微处理器50岁生日快乐》的第1部分和第2部分。

 

微处理器（µP）也称为微处理器单元（MPU）。早期的 MPU 仅包含一个中央处理单元（CPU）。随着时间的推移，添加了其他功能，如高速缓存、浮点运算单元（FPU）以及存储管理单元（MMU）等。关键是：除了任何高速缓存以及 FPU 和 MMU 之类的东西，微处理器不包含任何内部存储器或外设。相比之下，单片机（µC），也称为微控制器单元（MCU），包含闪存等非易失性存储器，SRAM 等易失性存储器，计数器、定时器、模数转换器（ADC）等外设以及UART、I2C 和 SPI 等通信接口。从本质上讲，单片机是一种小型独立计算机，存在于包含自己的程序的单个硅芯片上。它一上电，程序就开始执行。这就解释了为什么单片机出现在嵌入式系统中，以及为什么嵌入式系统随处可见。（您可以通过我的专栏文章《CPU、MPU、MCU和GPU的常见问题解答有哪些？》，了解有关微处理器和单片机之间区别的更多信息）。

 

单片机的历史与微处理器的历史一样不甚明朗。第一个单片机是哪个？是日本人在1970 年代初为汽车制造的 4 位器件，还是 TI 工程师 Gary Boone 和 Michael Cochran设计并于 1974 年首次亮相的 4 位 TMS 1000？谈到 8 位 MCU，1976 年面市的英特尔 8048（又名 MCS-48）是第一个吗？我不知道。我所知道的是，早期 8 位 MCU 中最著名的可能是1980 年上市的 8051（又名 MCS-51），其指令集架构（ISA）由 John H. Wharton 构想。神奇的是，由8051演变出的新产品至今仍然强劲。

 

顺便说一句，John曾经告诉我，当他还是一名在英特尔工作的年轻工程师时，他经常和他的主管出去吃午饭。有一天，他们听说要在午餐时间开会讨论一些事情。他们不确定会议的重点是什么，只知道提供免费三明治。这个会议原来是 8051 的启动会。真的是完全从一张白纸开始的。会议结束后，John 饱餐了一顿，回到办公桌前，勾勒出 8051 的架构（功能单元和总线等）和 ISA。

 

如今，有众多的单片机能够实现我们的各类设想，而PIC®单片机和AVR®单片机是真正有存在感的两个系列。第一个 8 位 PIC MCU由 General Instruments 于 1975 年开发。我不确定它的具体发展史，但 PIC MCU现在是Microchip Technology Inc.的产品。同时，最初的 8 位 AVR 架构是由 Alf-Egil Bogen 和 Vegard Wollan 还是挪威理工学院（NTH）的学生时提出的。该技术随后被 Atmel 收购，该公司于 1996 年发布了 AVR 系列的第一批成员。 Atmel已于 2016 年被 Microchip收购。

 

我们有什么方法可以量化这种“存在感”？我曾经同Microchip 8位单片机产品部的营销副总裁 Greg Robinson 和资深公共关系经理Brian Thorsen 交流过。如下图所示，在撰写本文时，Microchip 的 8 位 MCU 市场份额为 32%，遥遥领先！如果我在Microchip负责这些产品的话，我肯定要笑逐颜开了。

Gartner 2021 市场份额报告中的全球 8 位单片机市场份额

 

Greg 告诉我，Microchip将持续创新，其中不乏许多8位新产品。例如，在 2022 年第二季度，Microchip推出了5 个全新系列，约 65 款器件，拥有丰富的片上模拟和其他独立于内核的外设。

 

除了传统的单芯片系统（即Microchip MCU是板上唯一的处理器）外，8位处理器作为系统管理IC和协处理器的作用也越来越大，尺寸、空间、低功耗和寿命等方方面面的特征都很重要。这在很大程度上是因为我们看到分布式智能在物联网边缘节点、汽车安全、工业控制系统、医疗电子和家用电子等应用领域的急剧增长。即使是最先进的 5G 系统，通常也可以从将某些任务分配给更小的 8 位处理器中受益，从而释放更高级处理器来发挥它们的魔力并做它们最擅长的事情。

 

Greg说：“尽管听起来很奇怪，很多 8 位的增长是由 32 位的增长推动的，其中 32 位处理器正在将人机界面（HMI）功能和内务管理任务等传递给8 位处理器。此外，8 位器件越来越多地用作协处理器，执行诸如获取传感器读数和预处理此传感器数据等任务，然后将其传递给更高级处理器。”

我们谈到的主题之一是当前的供应链问题。在我们交谈之前，我没有意识到Microchip 出货的 95% 的 8 位产品是内部制造的，而且除了在美国亚利桑那州Tempe、俄勒冈州Gresham和科罗拉多州Colorado Springs设有晶圆厂，他们还拥有自己的封装、制造和测试厂。

 

尽管如此，但由于贸易战和全球新冠疫情共同引发的大风暴，在过去 18 至 24 个月内产生了大量需求，因此仍然存在供货短缺的情况。Greg 说：“提高产量也不是嘴上一说这么简单。”Microchip 总裁兼首席执行官 Ganesh Moorthy 曾表示，他预计短缺将持续到 2023 年，但 Microchip 已承诺在未来几年会投入 10 亿美元，用于继续推出新产品，同时扩大产能以满足对现有器件的需求。

2022年第二季度新产品预告

 

ADCC 代表“ADC 计算”，    它是模拟和数字功能的混合体。片上模拟功能（包括 8 位、10 位和 12 位 ADC）可以使用图形工具轻松配置。其他选项包括具有相关可编程增益放大器（PGA）的 ADC，从而无需使用外部 PGA，以及具有上下文/排序功能的 ADC。其他功能包括片上比较器、数模转换器（DAC）、斜坡发生器、温度传感器、电压基准、过零检测和运算放大器（运放）。

 

 考虑下面介绍的运算放大器示例。传统方法是使用外部运算放大器（左）。片上运算放大器（右）的优势包括节省电路板上的空间、减少物料清单（BOM）以及能够在程序控制下动态更改软件中的增益和其他特性（如果您要测量多个信号，每个信号都需要不同的运算放大器参数，这很有用）。

带有内部运算放大器的 PIC®和AVR®单片机

 

独立于内核的外设（CIP）背后的概念是，外设可以在内核处于“打盹”模式或处理更重要的任务时自行执行任务。例如，CIP 可以在内核进入休眠状态时从传感器获取读数，然后对结果进行累积、求平均值和/或过滤。稍后，当内核唤醒时，外设可以准备好其预处理的数据并等待着。

使用独立于内核的外设创建自定义外设

 

当 CIP 组合在一起创建自定义外设或“超级外设”时，事情开始变得非常有趣。一个很好的例子如下所示。这涉及希望使用串行总线通信协议控制一堆 LED 的应用。

将 CIP 组合在一起以创建“超级外设”或“超级模块”

指定“哪个 LED”和“什么颜色”涉及一个相当复杂的信号，并且可能需要发送大量数据。这通常需要一个高速 32 位 MCU。然而，通过使用少数 CIP 外设——定时器、SPI、PWM 和一些使用 CLC（可配置逻辑单元）实现的逻辑——可以在 8 位 PIC 单片机上实现该算法。（与 PIC MCU的 CLC 不同，可以使用可配置自定义逻辑（CCL）在 AVR 上实现相同的功能。）

 

结果是允许 8 位 MCU 以比指令速度（即在内核上运行的指令）快得多的逻辑速度驱动一串 LED，同时释放内核以执行其他任务。

 

一般来说，拥有 CIP，特别是能够将它们组合在一起，打开了通往各种部署场景的大门，允许外设处理各种传感器数据。

 

常见的传感器输出类型

 

考虑下面所示的示例，其中使用 8 位 PIC 或 AVR 单片机来监控温度、湿度和振动传感器的输出。可能来自温度传感器的信号比来自湿度传感器的信号需要更高的增益，这可以通过在程序控制下来回交换片上运算放大器的增益来实现。

 

典型的多传感器应用

 

 同时，MCU 可能以 5V 运行，而使用 I2C 通信的振动传感器仅需要 1.8V。在这种情况下，解决方案不是采用外部电压电平转换器，而是采用 MCU 的多电压输入/输出（MVIO）功能。

 上面的示例显示了 MVIO 和 I2C 的组合，但 MVIO 也可以与通用输入/输出（GPIO）一起使用。事实上，这引出了另一个例子，因为运行在 5V 的 8 位 PIC 或 AVR MCU 可用于从传感器读取值，从而实现比 3.3V MCU 更好的分辨率，而 PIC/ AVR MCU可以使用其 MVIO 功能将此数据传送到 3.3V 32 位 PIC32 SAM MCU。

让 PIC/AVR MCU的新手感到困惑的一件事是可用的不同组件数量之多，每个组件都有不同数量的引脚以及不同的功能和外设组合。有几种方法可以解决这个问题。就我而言，我会直接问我的朋友 Joe Farr。关于Microchip PIC 和 AVR MCU，他就是一本行走着的百科全书。对于那些不认识 Joe 的人，Microchip 网站上有一个产品选型指南，用户说了“我需要这个功能”后，就会被引导到合适的产品。或者，用户可以说“我想实现这个应用”，该工具不仅可以将他们引导到合适的产品，还可以引导到相关的固件和软件以及开发工具。

 Greg 在结束谈话前，说了一些很有趣的内容。那就是不光是 8 位 MCU这块饼在增长，各种新的应用也不断涌现，就像有了一个全新的饼。因此，他表示：“Microchip 非常看好 8 位 MCU 市场。”这对我来说是个好消息，因为我喜欢 8 位 MCU。那么你呢？你有什么想法愿意分享吗？