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八位元MCU的創新變革與應用
 

【作者: 廖崇榮】   2021年08月19日 星期四

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回顧微控制器(MCU)的演變歷程,可說是從早期4/8位元(bit)經歷過度的16 bit,直到近年非常普及的32 bit。不論在運算時脈、串列周邊與類比輸入輸出都較過往有顯著的提升。以現今的主流應用來看,4 bit與16 bit MCU幾乎消失,由8 bit與32 bit MCU瓜分整個應用市場。


為何8 bit MCU可以經過30多年仍歷久不衰?以下從幾個面向來分析:


MCU的「C」代表的是controller,並非computing,亦即控制的要素遠大於運算。MCU執行的工作在於將I/O、ADC,比較器與串列資料讀入,然後透過匯集、判斷與不複雜的運算,再將其結果透過I/O、DAC、PWM及串列輸出。


以LED燈控應用為例,一般只需10~16針腳的8bit MCU即可,使用3通道的PWM驅動R/G/B,或是再增加2 通道控制白光與冷光,幾根I/O針腳或ADC做輸入的偵測非常簡單,但LED照明還是維持12%的複合成長率,單是在中國智能燈控市場,每月就有超過100kk的規模。



圖一 : 簡單燈控架構
圖一 : 簡單燈控架構

即使LED燈控架構簡單,還是有幾個重點可討論,例如現今的燈控面臨調光要求越來越高,不僅要求須有豐富的顏色變化,也要求必須具有色彩改變的綿密性。


這些要求讓傳統16Mhz PWM已無法負荷,需要搭配鎖相迴路(Phase Lock Loop;PLL)與可程式計數器陣列(Programmable Counter Array;PCA)產生高速PWM來強化燈控效果,例如笙泉MCU提供的144Mhz高速PWM,即可滿足此應用。另外,燈控應用為了成本考量,一般不會使用外部震盪器。因此,內部震盪電路的設計就必須具備精準性。


一般來說,室內燈控比較少遇到溫度變化所造成的溫飄現象,但是放置在戶外的景觀燈或是LED廣告看板,就會面臨到日夜溫差狀況的挑戰。



圖二 : 現今許多燈控應用還是使用8bit MCU
圖二 : 現今許多燈控應用還是使用8bit MCU

時脈是MCU的心臟,內部RC時脈因溫度所造成的頻率偏差會造成許多問題,首先PWM訊號也是經由內部主頻產生,當溫度造成的頻飄影響PWM的輸出,會間接造成LED顏色的微幅改變。更嚴重的是,有很多燈控應用是透過非同步傳輸的UART與控制主機進行通訊,並不像I2C/SPI有時鐘(clock)訊號同步控制,UART只要頻率飄移超過4%,就會造成整個通訊異常而導致LED畫面黑屏錯誤。


因此,笙泉在MCU強化內部震盪電路穩定性,這也是8 bit MCU的開發重點,能夠讓產品適用於戶外的燈控需求。



圖三 : 無線充電發射端架構
圖三 : 無線充電發射端架構

至於高速PWM除了燈控以外,還能夠應用在許多的消費型產品,例如時下流行的無線充電,其實對於一般5W/10W的充電發射端(TX),並不一定需使用到32 bit的運算,大部分是以16 bit的數值比較處理。以高時脈的8 bit控制器還算迎刃有餘。


很多廠商也放入運算放大器幫助電流擷取,並降低無線充組裝電路板(Printed Cicrcuit Board Assembly;PCBA)板上的外部元件。或是推出高整合度的專用IC,用MCU整合MOS與其他高壓原件來進一步縮小無線充電PCBA面積。


如果說PWM是很重要的MCU輸出元件,那類比數位轉換器(Analog-to-digital converter ;ADC)可說是MCU最重要的輸入元件。目前主流MCU的ADC已經從過去的8/10 bit進化到12 bit,速度已推升到1Msps以上的高速取樣。


由於ADC需要多次擷取累積平均,開發者大多數還是會用16 bit來存放擷取資料,一般的MCU ADC有效位數(effective number of bits;ENOB)介於9.5~10.5 bit,國外大廠的ADC有效範圍也許高些。所以假設開發者捨棄最後兩個最低有效位(Least Significant Bit;LSB),以10 bit資料來作處理。16 bit的資料範圍還是可以讓ADC累加運算有相當大的累加空間。除非是使用高精度的delta sigma ADC,否則鮮少應用需要用到32 bit來處理ADC運算。


觀察2020年MCU市場規模,32bit MCU占了55%,8 bit MCU市占率仍有43%,可見得32bit/8bit的選擇不屬於「是非題」,還是要視應用端而定。一般來說,控制型或大量需要位元(bit)運算的應用仍然會選擇8bit MCU,而32bit數值運算與DSP/floating需求的應用,才會選擇32bit MCU(如掃地機器人與四軸無人機)。


此外,8bit MCU有些架構上的特點,如可較節省程式空間與降低中斷延遲,以下表列出8 bit MCU的幾項優勢,並搭配國外進行的實驗,從中比較可看出8 bit MCU 在某些運行效能較32 bit MCU來得更有優勢。


表一:8 bit MCU的優勢

 

  8位元微控制器

   32位元微控制器

程式空間優勢

  1. 指令長度約1 ~ 3 bytes
  2. 大部分指令都只有1 byte
  3. 有效節省程式空間
  1. 指令長度皆為4 bytes
  2. Thumb mode也要2 bytes

中斷延遲

  1. 須備分的暫存器(register)較少
  2. 針對中斷服務涵式(ISR)可快進快出
  1. 須備分的暫存器(register)較多
  2. Load/store 架構可能造成額外資料搬移

 


表二:8 bit/32 bit MCU在中斷服務常式(ISR)的延遲比較

 

CAST X8051XC3

ARM Cortex M0

 

一般狀態

最長延遲狀態

一般狀態

最長延遲狀態

需在堆疊(stack)

備分的暫存器

PSW, ACC, B

PSW, ACC, B, DPTRs

R0-R3, R12

R0-R15

其他延遲因素

PSW初始化

清除NVIC的pending 位元

實際量測的ISR 延遲(latency)

10

18

17

24

不預期狀況

遇到直接或間接定址的運算元

(1) N 個字元的load/store
(2) 跳躍指令
(3) PC(Program counter)的搬移與累加

不預期狀況造成的多餘週期

1 個週期

(1) N 個週期
(2) 3個週期
(3) 4或3個週期


近年來笙泉的8 bit 6D系列結合許多原本只存在32 bit平台的功能,例如直接記憶體存取(Direct Memory Access;DMA)、循環冗餘校驗(Cyclic Redundancy Check;CRC)、快速通道互聯(Intel QuickPath Interconnect;QPI)、擴充儲存器區塊(Expanded Memory Block;EMB)等,而逐步發展出一種先進式8bit MCU,形同保有8 bit MCU的敏捷性又兼顧32 bit MCU的高性能。


由於周邊串列埠的速度大幅提升,許多訊號傳輸的應用更加無法忍受資料的延遲,因此笙泉將DMA放到8 bit MCU中以提高傳輸的效率。


現今的消費型應用日益複雜,PCBA也隨著元件增加而造成更多的雜訊產生,例如有線傳輸就有可能遇到雜訊的干擾而出錯,笙泉採取在MCU當中加上硬體CRC,以確保傳輸資料的正確性。



圖四 : 8 bit MCU發展面向
圖四 : 8 bit MCU發展面向

觀察8 bit MCU能夠在市場上歷久不衰,其最大的原因是在某些應用方面有不可取代性。長遠來看,32位元MCU持續擴大占有率是不變的趨勢,而今8 bit MCU也隨著市場應用不斷的改革出新。預估接下來的幾年,應該還是一個8位元與32位元MCU並存的時代,如同RISC/CISC架構在目前的微算機市場下各據山頭。


(本文作者廖崇榮為笙泉科技產品企劃行銷處處長)


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