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八位MCU为何能坚挺三十年?

发表时间:2021-09-07

回顾微控制器(MCU)的演变历程,可说是从早期4/8位元(bit)经历过度的16 bit,直到近年非常普及的32 bit。不论在运算时钟、串列周边与模拟输入输出都较过往有显著的提升。以现今的主流应用来看,4 bit与16 bit MCU几乎消失,由8 bit与32 bit MCU瓜分整个应用市场。

为何8 bit MCU可以经过30多年仍历久不衰?以下从几个面向来分析:

MCU的「C」代表的是controller,并非computing,亦即控制的要素远大于运算。MCU执行的工作在于将I/O、ADC,比较器与串列资料读入,然后透过汇集、判断与不复杂的运算,再将其结果透过I/O、DAC、PWM及串列输出。

以LED灯控应用为例,一般只需10~16针脚的8bit MCU即可,使用3通道的PWM驱动R/G/B,或是再增加2 通道控制白光与冷光,几根I/O针脚或ADC做输入的侦测非常简单,但LED照明还是维持12%的复合成长率,单是在中国智能灯控市场,每月就有超过100kk的规模。


简单灯控架构

即使LED灯控架构简单,还是有几个重点可讨论,例如现今的灯控面临调光要求越来越高,不仅要求须有丰富的颜色变化,也要求必须具有色彩改变的绵密性。

这些要求让传统16Mhz PWM已无法负荷,需要搭配锁相回路(Phase Lock Loop;PLL)与可程式计数器阵列(Programmable Counter Array;PCA)产生高速PWM来强化灯控效果,例如笙泉MCU提供的144Mhz高速PWM,即可满足此应用。另外,灯控应用为了成本考量,一般不会使用外部震荡器。因此,内部振荡电路的设计就必须具备精准性。

一般来说,室内灯控比较少遇到温度变化所造成的温飘现象,但是放置在户外的景观灯或是LED广告看板,就会面临到日夜温差状况的挑战。

时钟是MCU的心脏,内部RC时钟因温度所造成的频率偏差会造成许多问题,首先PWM讯号也是经由内部主频产生,当温度造成的频飘影响PWM的输出,会间接造成LED颜色的微幅改变。更严重的是,有很多灯控应用是透过非同步传输的UART与控制主机进行通讯,并不像I2C/SPI有时钟(clock)讯号同步控制,UART只要频率飘移超过4%,就会造成整个通讯异常而导致LED画面黑屏错误。

因此,在MCU强化内部震荡电路稳定性,这也是8 bit MCU的开发重点,能够让产品适用于户外的灯控需求。


无线充电发射端架构

至于高速PWM除了灯控以外,还能够应用在许多的消费型产品,例如时下流行的无线充电,其实对于一般5W/10W的充电发射端(TX),并不一定需使用到32 bit的运算,大部分是以16 bit的数值比较处理。以高时钟的8 bit控制器还算迎刃有余。

很多厂商也放入运算放大器帮助电流撷取,并降低无线充组装电路板(Printed Cicrcuit Board Assembly;PCBA)板上的外部元件。或是推出高整合度的专用IC,用MCU整合MOS与其他高压元件来进一步缩小无线充电PCBA面积。

如果说PWM是很重要的MCU输出元件,那模拟数位转换器(Analog-to-digital converter ;ADC)可说是MCU最重要的输入元件。目前主流MCU的ADC已经从过去的8/10 bit进化到12 bit,速度已推升到1Msps以上的高速取样。

由于ADC需要多次撷取累积平均,开发者大多数还是会用16 bit来存放撷取资料,一般的MCU ADC有效位数(effective number of bits;ENOB)介于9.5~10.5 bit,国外大厂的ADC有效范围也许高些。所以假设开发者舍弃最后两个最低有效位(Least Significant Bit;LSB),以10 bit资料来作处理。16 bit的资料范围还是可以让ADC累加运算有相当大的累加空间。除非是使用高精度的delta sigma ADC,否则鲜少应用需要用到32 bit来处理ADC运算。

观察2020年MCU市场规模,32bit MCU占了55%,8 bit MCU市占率仍有43%,可见得32bit/8bit的选择不属于「是非题」,还是要视应用端而定。一般来说,控制型或需要大量位元(bit)运算的应用仍然会选择8bit MCU,而32bit数值运算与DSP/floating需求的应用,才会选择32bit MCU(如扫地机器人与四轴无人机)。

此外,8bit MCU有些架构上的特点,如可较节省程式空间与降低中断延迟,以下表列出8 bit MCU的几项优势,并搭配国外进行的实验,从中比较可看出8 bit MCU 在某些运行效能较32 bit MCU来得更有优势。


现今的消费型应用日益复杂,PCBA也随着元件增加而造成更多的杂讯产生,例如有线传输就有可能遇到杂讯的干扰而出错,为此采取在MCU当中加上硬件CRC,以确保传输资料的正确性。


观察8 bit MCU能够在市场上历久不衰,其最大的原因是在某些应用方面有不可取代性。长远来看,32位元MCU持续扩大占有率是不变的趋势,而今8 bit MCU也随着市场应用不断的改革出新。预估接下来的几年,应该还是一个8位元与32位元MCU并存的时代,如同RISC/CISC架构在目前的微算机市场下各据山头。

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