随着关于 8 位、16 位、32 位和 64 位处理器的讨论不断在我们周围盘旋，我不确定今天有多少年轻工程师知道第一个商用微处理器，英特尔4004 是一台 4 位机器（尽管事后看来——这是一门真正的科学——部件号有点（不是双关语）赠品）。
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、浮点单元 (FPU)、内存管理单元 (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围设备。相比之下，微控制器 (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) 和通信等外围设备UART、I2C 和 SPI 等接口。从本质上讲，微控制器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，它一上电就开始执行。这就解释了为什么微控制器出现在嵌入式系统中，以及为什么嵌入式系统出现在各处。（您可以在我的专栏中阅读有关微处理器和微控制器之间区别的更多信息
CPU、MPU、MCU 和 GPU 的常见问题解答是什么？）。
微控制器的历史与微处理器的历史一样晦涩难懂。第一个微控制器是哪个？它是日本人在 1970 年代初为汽车制造的 4 位设备吗？还是 TI 工程师 Gary Boone 和 Michael Cochran 于 1974 年首次亮相的 4 位 TMS 1000？谈到 8 位 MCU，英特尔 8048（又名 MCS-48）是 1976 年第一个出现的吗？我不知道。我所知道的是，早期 8 位 MCU 中最著名的可能是 8051（又名 MCS-51），其指令集架构 (ISA) 由 John H. Wharton 构想，并于 1980 年上市. 令人惊奇的是，8051 的变化至今仍然强劲。
顺便说一句，John (RIP) 曾经告诉我，当他还是一名在英特尔工作的年轻工程师时，他曾经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某事或其他事情。他们不确定会议的重点是什么，只是提供免费三明治（啊，看看免费三明治的力量）。有问题的会议结果是 8051 的启动，实际上是从头开始用一张白纸（或新清洁的白板，视情况而定）。会议结束后，塞满了免费食物，John 回到他的办公桌前，勾勒出 8051 的架构（功能单元、总线等）和 ISA。
这些天来，有无数的微控制器可以满足我们的幻想。PIC 单片机和 AVR 单片机是真正让人感受到存在的两个系列。第一个 8 位 PIC（发音为“pick”）由 General Instruments 于 1975 年开发。我不确定这里的具体历史，但 PIC 现在是
Microchip Technology的范围。同时，最初的 8 位 AVR 架构是由 Alf-Egil Bogen 和 Vegard Wollan 在挪威理工学院 (NTH) 的学生时构思的。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 本身随后于 2016 年被 Microchip Technology 收购。
当我说这些微控制器“让人感觉到它们的存在”时，我们有什么方法可以量化这种说法吗？好吧，天哪，我很高兴你问，因为我刚刚和 Microchip 的 Greg Robinson 和 Brian Thorsen 聊天，Greg 是 Microchip MCU8 业务部门的营销副总裁（MCU8 是他们对 8 位 MCU 的名称）和 Brian是高级公共关系经理。如下图所示，在撰写本文时，Microchip 的 8 位 MCU 市场份额为 32%（其最接近的竞争对手 NXP 为 11%），这肯定会让人大笑如果我在 Microchip 负责这些小骗子，我的脸。
Gartner 2021 市场份额报告中的全球 8 位微控制器市场份额（图片来源：Microchip）
Greg 告诉我，Microchip 继续创新并将新部件推广到 8 位空间。例如，在 2022 年第二季度，Microchip 推出了 5 个新系列，拥有 65 款器件，展示了片上模拟和其他独立于内核的外设的聚宝盆。
除了 Microchip MCU 是板上唯一处理器的传统单芯片系统之外，越来越多地使用 8 位处理器作为系统管理 IC 和协处理器——所有空间都具有尺寸、空间、低-功率和寿命很重要。这在很大程度上是由于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，仅举几例。即使是最先进的 5G 系统通常也可以从将某些任务卸载到更小的 8 位处理器中受益，从而释放更高级别的处理器来发挥他们的魔力并做他们最擅长的事情。
Greg 继续说，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东西传递给8 位处理器。此外，8 位机器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别的处理器。
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——除了控制亚利桑那州坦佩的晶圆厂；格雷沙姆，俄勒冈州；和科罗拉多州科罗拉多斯普林斯——他们还拥有自己的组装、制造和测试设施。
话虽如此，但由于贸易战和全球冠状病毒大流行共同引发的完美风暴在过去 18 至 24 个月内产生了大量需求，因此仍然存在短缺。Greg 说，你不能只动一下开关来提高产量——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 已承诺在未来几年花费 10 亿美元，这将使公司继续推出新产品，同时扩大产能以满足现有设备的需求。
2022 年第二季度新产品介绍（图片来源：Microchip）
在您问之前，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 (opamps)。
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 微控制器（图片来源：Microchip）
核心独立外设 (CIP) 背后的概念 是，外设可以在核心暂停或处理更重要的任务时自行执行任务。例如，CIP 可以从传感器获取读数，然后在内核进入睡眠状态时对结果进行累积、平均和/或过滤。稍后，当内核唤醒时，外设可以准备好并等待其预处理数据。
使用独立于内核的外设创建自定义外设
（图片来源：Microchip）
当 CIP 组合在一起创建自定义外围设备或“超级外围设备”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 的应用程序。
将 CPI 组合在一起以创建“超级外设”或“超级模块”
（图片来源：Microchip）
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 微控制器上实现该算法。（与 PIC 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 LED 链，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，为广泛的部署场景打开了大门，允许外围设备处理各种传感器数据。
常见的传感器输出类型（图片来源：Microchip）
考虑下面所示的示例，其中使用 8 位 PIC 或 AVR 微控制器来监控温度、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（图片来源：Microchip）
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/例如，AVR 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 派对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，我问我的朋友 Joe Farr，他是一本关于微芯 PIC 和 AVR MCU 的步行百科全书。对于那些不认识 Joe 的人，Microchip 网站上有一个产品选择指南，允许用户说“我需要这个功能”并被引导到合适的产品。或者，用户可以说“我想到了这个应用程序”，并且该工具不仅可以将他们引导到适当的部分，还可以引导他们到相关的固件和软件以及开发工具。
Greg 结束了我们的谈话，说了一些我觉得很有趣的话，那就是不仅仅是 8 位 MCU 饼的大小在增长，而且各种新的应用都在涌现，就像有了一个全新的饼. 因此，他说，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。你呢？你有什么想法愿意分享吗？
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