账号:
密码:
CTIMES / 文章 /   
八位元MCU的创新变革与应用
 

【作者: 廖崇榮】2021年08月19日 星期四

浏览人次:【1698】
  

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。不论在运算时脉、串列周边与类比输入输出都较过往有显着的提升。以现今的主流应用来看,4 bit与16 bit MCU几??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於运算。MCU执行的工作在於将I/O、ADC,比较器与串列资料读入,然後透过汇集、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。



图一 : 简单灯控架构
图一 : 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??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。



图二 : 现今许多灯控应用还是使用8bit MCU
图二 : 现今许多灯控应用还是使用8bit MCU

时脉是MCU的心脏,内部RC时脉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,笙泉在MCU强化内部震荡电路稳定性,这也是8 bit MCU的开发重点,能够让产品适用於户外的灯控需求。



图三 : 无线充电发射端架构
图三 : 无线充电发射端架构

至於高速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,其实对於一般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。以高时脉的8 bit控制器还算迎刃有馀。


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,那类比数位转换器(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。


由於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)介於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後两个最低有效位(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的选择不属於「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。


表一:8 bit MCU的优势

 

  8位元微控制器

   32位元微控制器

程式空间优势

  1. 指令长度约1 ~ 3 bytes
  2. 大部分指令都只有1 byte
  3. 有效节省程式空间
  1. 指令长度皆为4 bytes
  2. Thumb mode也要2 bytes

中断延迟

  1. 须备分的暂存器(register)较少
  2. 针对中断服务涵式(ISR)可快进快出
  1. 须备分的暂存器(register)较多
  2. Load/store 架构可能造成额外资料搬移

 


表二:8 bit/32 bit MCU在中断服务常式(ISR)的延迟比较

 

CAST X8051XC3

ARM Cortex M0

 

一般状态

最长延迟状态

一般状态

最长延迟状态

需在堆叠(stack)

备分的暂存器

PSW, ACC, B

PSW, ACC, B, DPTRs

R0-R3, R12

R0-R15

其他延迟因素

PSW初始化

清除NVIC的pending 位元

实际量测的ISR 延迟(latency)

10

18

17

24

不预期状况

遇到直接或间接定址的运算元

(1) N 个字元的load/store
(2) 跳跃指令
(3) PC(Program counter)的搬移与累加

不预期状况造成的多馀周期

1 个周期

(1) N 个周期
(2) 3个周期
(3) 4或3个周期


近年来笙泉的8 bit 6D系列结合许多原本只存在32 bit平台的功能,例如直接记忆体存取(Direct Memory Access;DMA)、循环冗馀校验(Cyclic Redundancy Check;CRC)、快速通道互联(Intel QuickPath Interconnect;QPI)、扩充储存器区块(Expanded Memory Block;EMB)等,而逐步发展出一种先进式8bit MCU,形同保有8 bit MCU的敏捷性又兼顾32 bit MCU的高性能。


由於周边串列埠的速度大幅提升,许多讯号传输的应用更加无法忍受资料的延迟,因此笙泉将DMA放到8 bit MCU中以提高传输的效率。


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,笙泉采取在MCU当中加上硬体CRC,以确保传输资料的正确性。



图四 : 8 bit MCU发展面向
图四 : 8 bit MCU发展面向

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。


(本文作者廖崇荣为笙泉科技产品企划行销处处长)


相关文章
高效能MCU促进产业快速改变
ST:支付技术发展迅速 使用者渴??新的支付体验
运用软硬体整合成效保护网路设备安全
疫情推升智慧联网装置需求 MCU出货迎来大爆发
动物大探奇
comments powered by Disqus
相关讨论
  相关新品
mbed
原厂/品牌:RS
供应商:RS
產品類別:
Arduino
原厂/品牌:RS
供应商:RS
產品類別:
Raspberry Pi
原厂/品牌:RS
供应商:RS
產品類別:
  相关新闻
» 【东西讲座】发光记忆体发展潜力高 系统端整合是商用关键
» 凌华科技边缘AI助力全球首场高速Indy自动驾驶挑战赛
» 爱立信:以5G超越5G 才能迈向6G
» Aruba:分散式服务正颠覆一切 从人工智慧与机器学习
» 「物联网智造基地成果展」登场 串联七大跨界创新应用
  相关产品
» 意法半导体推出车用高整合度智慧高侧驱动器
» Diodes新款D类立体声音讯放大器提高效率和省电池量
» 施耐德推出EcoStruxure Secure Connect Advisor 助企业逐步实践数位转型
» u-blox Announces Ultra-compact, Feature-rich Bluetooth Low Energy SiP
» u-blox SiP低功耗蓝牙模组ANNA-B4适用於工业及室内定位应用
  相关资源
» Power Management Solutions for Altera FPGAs

AD


刊登廣告 新聞信箱 读者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2021 远播信息股份有限公司版权所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29号11楼 / 电话 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw