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八位MCU为何能如此坚挺

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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,内部震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。


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沙发
中国龙芯CDX|  楼主 | 2023-3-19 09:52 | 只看该作者
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与其他高压原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,控制型或大量需要位元(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四轴飞行器)。

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。

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板凳
中国龙芯CDX|  楼主 | 2023-3-19 09:54 | 只看该作者

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地板
chenjun89| | 2023-3-21 08:09 | 只看该作者
首先4位机并没有消失,在一些消费电子上仍然在用。

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chenqianqian| | 2023-3-21 20:09 | 只看该作者
因为很多电子产品用8位机就能干很多事了.

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6
AdaMaYun| | 2023-3-22 08:26 | 只看该作者
楼主说的确实很有道理,基本上从整体考虑的话,在满足需求的前提下价格就是关键

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星辰大海不退缩| | 2023-3-23 14:34 | 只看该作者
8位MCU其实是性价比之选,一般情况下8位能满足大部分使用

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小小蚂蚁举千斤| | 2023-3-24 10:56 | 只看该作者
笙泉MCU还能再很多行业继续发光贡献产品

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9
OKAKAKO| | 2023-3-25 14:51 | 只看该作者
楼主这个文章分析的很到位,其实一般情况下8位MCU能做好多事情

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10
jf101| | 2023-3-25 15:03 | 只看该作者
现在我是没有用过4位和16位的基本都是8位和32位的,这个也说明了8进制其实能力很强的

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11
jackcat| | 2023-8-9 15:02 | 只看该作者
可靠性较高               

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12
mikewalpole| | 2023-8-9 15:17 | 只看该作者
已经存在很长时间,其技术和生态系统非常成熟

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13
10299823| | 2023-8-9 16:02 | 只看该作者
相较于更高位的微控制器,8位MCU具有较低的价格。

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14
juliestephen| | 2023-8-9 17:04 | 只看该作者
能够在许多对功耗敏感的应用中得到广泛应用。

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jtracy3| | 2023-8-9 17:28 | 只看该作者
简单的架构和较小的存储需求              

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16
51xlf| | 2023-8-9 20:52 | 只看该作者
八位MCU的指令集相对简单,有助于降低学习曲线。

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10299823| | 2023-8-9 21:07 | 只看该作者
适用于对响应速度要求较高的应用

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18
mnynt121| | 2023-8-9 21:44 | 只看该作者
通常具有良好的抗干扰能力,能够在电磁干扰较强的环境下正常运行

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19
51xlf| | 2023-8-14 08:23 | 只看该作者
具有良好的兼容性和可扩展性,可以在各种嵌入式系统中轻松替换现有的解决方案

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20
deliahouse887| | 2023-8-14 11:30 | 只看该作者
通常配备简单的IDE 和丰富的外设

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