為什么需要更多8位單片機(jī)？

以下全文轉(zhuǎn)載自EEWeb主編Max Maxfield在EEJournal上發(fā)表的文章：

我們周圍不斷充斥著有關(guān) 8 位、16 位、32 位和 64 位處理器的討論，我不確定如今還有多少年輕工程師知道第一個(gè)商用微處理器——英特爾4004。它是一臺(tái) 4 位機(jī)器（部件編號(hào)雖然叫4004，卻沒(méi)有一語(yǔ)雙關(guān)的意思）。

順便說(shuō)一句，如果您想了解更多關(guān)于 4004 以及當(dāng)代微處理器的發(fā)展史，我衷心推薦我的朋友Steve Leibson在 EEJournal 上撰寫(xiě)的專欄文章：《我們是否真的知道是誰(shuí)發(fā)明了微處理器？》和《哪個(gè)才是第一個(gè)微處理器？》以及《微處理器50歲生日快樂(lè)》的第1部分和第2部分。

微處理器（μP）也稱為微處理器單元（MPU）。早期的 MPU 僅包含一個(gè)中央處理單元（CPU）。隨著時(shí)間的推移，添加了其他功能，如高速緩存、浮點(diǎn)運(yùn)算單元（FPU）以及存儲(chǔ)管理單元（MMU）等。關(guān)鍵是：除了任何高速緩存以及 FPU 和 MMU 之類的東西，微處理器不包含任何內(nèi)部存儲(chǔ)器或外設(shè)。相比之下，單片機(jī)（μC），也稱為微控制器單元（MCU），包含閃存等非易失性存儲(chǔ)器，SRAM 等易失性存儲(chǔ)器，計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）等外設(shè)以及UART、I2C 和 SPI 等通信接口。從本質(zhì)上講，單片機(jī)是一種小型獨(dú)立計(jì)算機(jī)，存在于包含自己的程序的單個(gè)硅芯片上。它一上電，程序就開(kāi)始執(zhí)行。這就解釋了為什么單片機(jī)出現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)中，以及為什么嵌入式系統(tǒng)隨處可見(jiàn)。（您可以通過(guò)我的專欄文章《CPU、MPU、MCU和GPU的常見(jiàn)問(wèn)題解答有哪些？》，了解有關(guān)微處理器和單片機(jī)之間區(qū)別的更多信息）。

單片機(jī)的歷史與微處理器的歷史一樣不甚明朗。第一個(gè)單片機(jī)是哪個(gè)？是日本人在1970 年代初為汽車制造的 4 位器件，還是 TI 工程師 Gary Boone 和 Michael Cochran設(shè)計(jì)并于 1974 年首次亮相的 4 位 TMS 1000？談到 8 位 MCU，1976 年面市的英特爾 8048（又名 MCS-48）是第一個(gè)嗎？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），其指令集架構(gòu)（ISA）由 John H. Wharton 構(gòu)想。神奇的是，由8051演變出的新產(chǎn)品至今仍然強(qiáng)勁。

順便說(shuō)一句，John曾經(jīng)告訴我，當(dāng)他還是一名在英特爾工作的年輕工程師時(shí)，他經(jīng)常和他的主管出去吃午飯。有一天，他們聽(tīng)說(shuō)要在午餐時(shí)間開(kāi)會(huì)討論一些事情。他們不確定會(huì)議的重點(diǎn)是什么，只知道提供免費(fèi)三明治。這個(gè)會(huì)議原來(lái)是 8051 的啟動(dòng)會(huì)。真的是完全從一張白紙開(kāi)始的。會(huì)議結(jié)束后，John 飽餐了一頓，回到辦公桌前，勾勒出 8051 的架構(gòu)（功能單元和總線等）和 ISA。

如今，有眾多的單片機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)我們的各類設(shè)想，而PIC?單片機(jī)和AVR?單片機(jī)是真正有存在感的兩個(gè)系列。第一個(gè) 8 位 PIC MCU由 General Instruments 于 1975 年開(kāi)發(fā)。我不確定它的具體發(fā)展史，但 PIC MCU現(xiàn)在是Microchip Technology Inc.的產(chǎn)品。同時(shí)，最初的 8 位 AVR 架構(gòu)是由 Alf-Egil Bogen 和 Vegard Wollan 還是挪威理工學(xué)院（NTH）的學(xué)生時(shí)提出的。該技術(shù)隨后被 Atmel 收購(gòu)，該公司于 1996 年發(fā)布了 AVR 系列的第一批成員。 Atmel已于 2016 年被 Microchip收購(gòu)。

我們有什么方法可以量化這種“存在感”？我曾經(jīng)同Microchip 8位單片機(jī)產(chǎn)品部的營(yíng)銷副總裁 Greg Robinson 和資深公共關(guān)系經(jīng)理Brian Thorsen 交流過(guò)。如下圖所示，在撰寫(xiě)本文時(shí)，Microchip 的 8 位 MCU 市場(chǎng)份額為 32%，遙遙領(lǐng)先！如果我在Microchip負(fù)責(zé)這些產(chǎn)品的話，我肯定要笑逐顏開(kāi)了。

Gartner 2021 市場(chǎng)份額報(bào)告中的全球 8 位單片機(jī)市場(chǎng)份額

Greg 告訴我，Microchip將持續(xù)創(chuàng)新，其中不乏許多8位新產(chǎn)品。例如，在 2022 年第二季度，Microchip推出了5 個(gè)全新系列，約 65 款器件，擁有豐富的片上模擬和其他獨(dú)立于內(nèi)核的外設(shè)。

除了傳統(tǒng)的單芯片系統(tǒng)（即Microchip MCU是板上唯一的處理器）外，8位處理器作為系統(tǒng)管理IC和協(xié)處理器的作用也越來(lái)越大，尺寸、空間、低功耗和壽命等方方面面的特征都很重要。這在很大程度上是因?yàn)槲覀兛吹椒植际?a target="_blank">智能在物聯(lián)網(wǎng)邊緣節(jié)點(diǎn)、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)。即使是最先進(jìn)的 5G 系統(tǒng)，通常也可以從將某些任務(wù)分配給更小的 8 位處理器中受益，從而釋放更高級(jí)處理器來(lái)發(fā)揮它們的魔力并做它們最擅長(zhǎng)的事情。

Greg說(shuō)：“盡管聽(tīng)起來(lái)很奇怪，很多 8 位的增長(zhǎng)是由 32 位的增長(zhǎng)推動(dòng)的，其中 32 位處理器正在將人機(jī)界面（HMI）功能和內(nèi)務(wù)管理任務(wù)等傳遞給8 位處理器。此外，8 位器件越來(lái)越多地用作協(xié)處理器，執(zhí)行諸如獲取傳感器讀數(shù)和預(yù)處理此傳感器數(shù)據(jù)等任務(wù)，然后將其傳遞給更高級(jí)處理器?！?/p>

我們談到的主題之一是當(dāng)前的供應(yīng)鏈問(wèn)題。在我們交談之前，我沒(méi)有意識(shí)到Microchip 出貨的 95% 的 8 位產(chǎn)品是內(nèi)部制造的，而且除了在美國(guó)亞利桑那州Tempe、俄勒岡州Gresham和科羅拉多州Colorado Springs設(shè)有晶圓廠，他們還擁有自己的封裝、制造和測(cè)試廠。

盡管如此，但由于貿(mào)易戰(zhàn)和全球新冠疫情共同引發(fā)的大風(fēng)暴，在過(guò)去 18 至 24 個(gè)月內(nèi)產(chǎn)生了大量需求，因此仍然存在供貨短缺的情況。Greg 說(shuō)：“提高產(chǎn)量也不是嘴上一說(shuō)這么簡(jiǎn)單?！盡icrochip 總裁兼首席執(zhí)行官 Ganesh Moorthy 曾表示，他預(yù)計(jì)短缺將持續(xù)到 2023 年，但 Microchip 已承諾在未來(lái)幾年會(huì)投入 10 億美元，用于繼續(xù)推出新產(chǎn)品，同時(shí)擴(kuò)大產(chǎn)能以滿足對(duì)現(xiàn)有器件的需求。

2022年第二季度新產(chǎn)品預(yù)告

ADCC 代表“ADC 計(jì)算”， 它是模擬和數(shù)字功能的混合體。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)包括具有相關(guān)可編程增益放大器（PGA）的 ADC，從而無(wú)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)、過(guò)零檢測(cè)和運(yùn)算放大器（運(yùn)放）。

考慮下面介紹的運(yùn)算放大器示例。傳統(tǒng)方法是使用外部運(yùn)算放大器（左）。片上運(yùn)算放大器（右）的優(yōu)勢(shì)包括節(jié)省電路板上的空間、減少物料清單（BOM）以及能夠在程序控制下動(dòng)態(tài)更改軟件中的增益和其他特性（如果您要測(cè)量多個(gè)信號(hào)，每個(gè)信號(hào)都需要不同的運(yùn)算放大器參數(shù)，這很有用）。

帶有內(nèi)部運(yùn)算放大器的 PIC?和AVR?單片機(jī)

獨(dú)立于內(nèi)核的外設(shè)（CIP）背后的概念是，外設(shè)可以在內(nèi)核處于“打盹”模式或處理更重要的任務(wù)時(shí)自行執(zhí)行任務(wù)。例如，CIP 可以在內(nèi)核進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)從傳感器獲取讀數(shù)，然后對(duì)結(jié)果進(jìn)行累積、求平均值和/或過(guò)濾。稍后，當(dāng)內(nèi)核喚醒時(shí)，外設(shè)可以準(zhǔn)備好其預(yù)處理的數(shù)據(jù)并等待著。

使用獨(dú)立于內(nèi)核的外設(shè)創(chuàng)建自定義外設(shè)

當(dāng) CIP 組合在一起創(chuàng)建自定義外設(shè)或“超級(jí)外設(shè)”時(shí)，事情開(kāi)始變得非常有趣。一個(gè)很好的例子如下所示。這涉及希望使用串行總線通信協(xié)議控制一堆 LED 的應(yīng)用。

將 CIP 組合在一起以創(chuàng)建“超級(jí)外設(shè)”或“超級(jí)模塊”

指定“哪個(gè) LED”和“什么顏色”涉及一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的信號(hào)，并且可能需要發(fā)送大量數(shù)據(jù)。這通常需要一個(gè)高速 32 位 MCU。然而，通過(guò)使用少數(shù) 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 單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)該算法。（與 PIC MCU的 CLC 不同，可以使用可配置自定義邏輯（CCL）在 AVR 上實(shí)現(xiàn)相同的功能。）

結(jié)果是允許 8 位 MCU 以比指令速度（即在內(nèi)核上運(yùn)行的指令）快得多的邏輯速度驅(qū)動(dòng)一串 LED，同時(shí)釋放內(nèi)核以執(zhí)行其他任務(wù)。

一般來(lái)說(shuō)，擁有 CIP，特別是能夠?qū)⑺鼈兘M合在一起，打開(kāi)了通往各種部署場(chǎng)景的大門，允許外設(shè)處理各種傳感器數(shù)據(jù)。

常見(jiàn)的傳感器輸出類型

考慮下面所示的示例，其中使用 8 位 PIC 或 AVR 單片機(jī)來(lái)監(jiān)控溫度、濕度和振動(dòng)傳感器的輸出?？赡軄?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)在程序控制下來(lái)回交換片上運(yùn)算放大器的增益來(lái)實(shí)現(xiàn)。

典型的多傳感器應(yīng)用

同時(shí)，MCU 可能以 5V 運(yùn)行，而使用 I2C 通信的振動(dòng)傳感器僅需要 1.8V。在這種情況下，解決方案不是采用外部電壓電平轉(zhuǎn)換器，而是采用 MCU 的多電壓輸入/輸出（MVIO）功能。

上面的示例顯示了 MVIO 和 I2C 的組合，但 MVIO 也可以與通用輸入/輸出（GPIO）一起使用。事實(shí)上，這引出了另一個(gè)例子，因?yàn)檫\(yùn)行在 5V 的 8 位 PIC 或 AVR MCU 可用于從傳感器讀取值，從而實(shí)現(xiàn)比 3.3V MCU 更好的分辨率，而 PIC/ AVR MCU可以使用其 MVIO 功能將此數(shù)據(jù)傳送到 3.3V 32 位 PIC32 SAM MCU。

讓 PIC/AVR MCU的新手感到困惑的一件事是可用的不同組件數(shù)量之多，每個(gè)組件都有不同數(shù)量的引腳以及不同的功能和外設(shè)組合。有幾種方法可以解決這個(gè)問(wèn)題。就我而言，我會(huì)直接問(wèn)我的朋友 Joe Farr。關(guān)于Microchip PIC 和 AVR MCU，他就是一本行走著的百科全書(shū)。對(duì)于那些不認(rèn)識(shí) Joe 的人，Microchip 網(wǎng)站上有一個(gè)產(chǎn)品選型指南，用戶說(shuō)了“我需要這個(gè)功能”后，就會(huì)被引導(dǎo)到合適的產(chǎn)品。或者，用戶可以說(shuō)“我想實(shí)現(xiàn)這個(gè)應(yīng)用”，該工具不僅可以將他們引導(dǎo)到合適的產(chǎn)品，還可以引導(dǎo)到相關(guān)的固件和軟件以及開(kāi)發(fā)工具。

Greg 在結(jié)束談話前，說(shuō)了一些很有趣的內(nèi)容。那就是不光是 8 位 MCU這塊餅在增長(zhǎng)，各種新的應(yīng)用也不斷涌現(xiàn)，就像有了一個(gè)全新的餅。因此，他表示：“Microchip 非常看好 8 位 MCU 市場(chǎng)?！边@對(duì)我來(lái)說(shuō)是個(gè)好消息，因?yàn)槲蚁矚g 8 位 MCU。那么你呢？你有什么想法愿意分享嗎？

直接轉(zhuǎn)載來(lái)源：Microchip微芯
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審核編輯 黃宇