八位MCU为何能坚挺三十年？
时间：2021-09-03 10:10:34
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[导读]来源：内容由半导体行业观察转自「CTIMES」，作者廖崇荣，谢谢。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16bit，直到近年非常普及的32bit。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，4bit与16...
来源：内容由半导体行业观察转自「CTIMES」，作者廖崇荣，谢谢。
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。
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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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。
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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