8位MCU市场规模分析

我们经常讨论8位、16位、32位和64位处理器，但不知道现在年轻的工程师们是否知道，第一个商业微处理器Intel 4004是一台4位机器。

微处理器也称为微处理器单元(MPU)。早期的MPU只包含一个中央处理单元(CPU)，随着时间的推移，添加了如cache memory、浮点单元(FPU)、内存管理单元(MMU)等功能。关键的一点是：MPU不包含任何内存或外设。

相比而言，微控制器（MCU)包含非易失性存储器(如Flash)、易失性存储器(如SRAM)、外围设备(如计数器、计时器、ADC和UART、I2C、SPI等通信接口)。从本质上讲，MCU是一个小的独立的计算机，用一个单独的硅芯片实现，它包含自己的程序，一启动就开始执行。这就解释了为什么MCU会出现在嵌入式系统中，也解释了为什么嵌入式系统随处可见。

MCU的历史和MPU的历史一样模糊。哪个是第一个MCU？是日本人在20世纪70年代早期为汽车发明的4位设备，还是TI工程师在1974年发明的4位TMS 1000 ？关于8位MCU，早期最著名的可能是8051(又名MCS-51)，其指令集架构(ISA)是由John H. Wharton构想的，并于1980年面市。直到今天，8051的变种仍然活跃在市场上。

如今，有无数的MCU可以满足用户的各种需求。其中，PIC微控制器和AVR微控制器是两个最大的家族。第一个8位PIC是通用仪器在1975年开发的，现在PIC是Microchip Technology的业务范围。最初的8位AVR架构是由Alf-EgilBogen和Vegard Wollan在挪威理工学院(NTH)求学时构想的，Atmel随后获得了这项技术，并于1996年推出了AVR家族的第一批产品。Atmel于2016年被Microchip Technology收购。

笔者刚刚与Microchip的GregRobinson和Brian Thorsen聊天，Greg是Microchip的MCU8业务部的营销副总裁，Brian是高级公关经理。从下图我们可以看出，在8位MCU方面，Microchip拥有32%的市场份额(其最接近的竞争对手NXP拥有11%的市场份额)。

Greg表示，Microchip将继续创新，将新的部件推广到8位空间。例如，在2022年第二季度，Microchip将推出5个新系列，拥有65种设备，这些设备拥有丰富的片上模拟设备和其他独立于核心的外围设备。

除了传统的单芯片系统(其中MicrochipMCU是板上唯一的处理器)外，8位处理器在系统管理IC和协处理器中的作用越来越大。这在很大程度上是由于分布式智能在物联网边缘设备、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所推动的。即使是最先进的5G系统，通常也可以受益于将某些任务转移到更小的8位处理器上，从而将更高级别的处理器释放出来，做自己最擅长的事情。

Greg透露，很多8位处理器的增长都是由32位处理器驱动的，32位处理器将诸如人机界面(HMI)功能和家务管理任务传递给了8位处理器。此外，8位机器作为协同处理器的使用越来越多，可以执行诸如读取传感器读数和在将传感器数据传递给更高级别处理器之前对其进行预处理等任务。

我们也讨论了当前的供应链问题。在谈话之前，笔者没有意识到Microchip公司95%的8位产品都是内部生产的，他们还拥有自己的封装，制造和测试设备。

MicroChip总裁兼CEO GaneshMoorthy预计短缺将延续到2023年，但公司已承诺在未来几年投入10亿美元，使公司能够继续推出新产品，同时扩大产能，以满足现有设备的需求。

上表中的ADCC代表“ADC计算”，它是模拟和数字功能的混合。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，其他选项包括带有相关可编程增益放大器(PGA)的ADC，这省去了使用外部PGA，以及带有上下文/排序的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、零交叉检测和运算放大器。

考虑下面给出的opamp示例。传统的方法是使用外部opamp，引入片上opamp的好处包括节省电路板上的空间，减少材料清单(BOM)，并能够在程序控制下实时改变软件中的增益和其他特性。

核心独立外设(core independent peripheral，简称CIP)的概念是，当core在休眠或处理更重要的任务时，外设可以自己执行任务。例如，CIP可以从传感器读取读数，然后在core休眠时累加、平均或对结果做滤波处理。当core被唤醒时，外围设备就已经准备好了预处理过的数据。

当CIP组合在一起创建自定义外设(或者可以称之为“超级外设”)时，事情开始变得真正有趣起来。下面是一个很好的例子。这是一个使用串行总线通信协议控制一组LED的应用程序。

指定“哪个LED”和“什么颜色”涉及到相当复杂的信号，可能需要发送大量的数据，这通常需要高速的32位MCU。然而，通过使用少量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微控制器上实现这种算法。

其结果是允许8位MCU以逻辑速度驱动LED链，这比指令速度(即在core上运行的指令)快得多，同时释放core来执行其他任务。

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。

考虑如下所示的例子，其中一个8位PIC或AVR微控制器被用于监控温度、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改变片上运放的增益来实现。

同样，可能MCU需要运行在5V，而使用I2C通信的振动传感器只需要1.8V。在这种情况下，不是采用外部voltage level shifter，而是采用MCU的多电压输入/输出(MVIO)功能。

上面是MVIO和I2C的组合，MVIO也可以与通用输入/输出(GPIO)一起使用。例如，运行在5V的8位PIC或AVR MCU可用于读取传感器的值，从而获得比3.3V MCU更高的精度，然后PIC/AVR可以使用其MVIO能力将该数据传输到3.3V 32位PIC32 SAM MCU。

Greg在结束谈话时说了一些非常有趣的事情，那就是不仅是8位MCU这块蛋糕的规模在增长，而且出现了各种各样的新应用，这就像是有了一个全新的蛋糕。因此，他表示，Microchip非常看好8位MCU市场。

审核编辑：汤梓红