在百花齊放的終端需求推動下，MCU正在迸發出強勁的動力。
據IC insights在今年三月份發布的報告預測, 從 2021 年到 2026 年，MCU總銷售額預計將以 6.7% 的複合年增長率增長，並在預測的最後一年達到 272 億美元。按照 IC insights的報告，在蒸蒸日上的MCU市場，當然以32位 MCU最為關注，但過去一直少被媒體提及的8位MCU，甚至4 位MCU也位列其中。報告指出，到2026年，全球4/8 位 MCU依然有24億美元的規模。
看到這裡，也許有讀者會疑惑，因為在32位MCU價格一直在往下探的當下，為何8位MCU還有市場？甚至早在十幾年前，就有分析人士認為8位MCU已死。
但在Microchip 8位單片機產品部副總監Steve Kennelly看來，我們似乎對8 位 MCU有了誤解。下面我們來看看Microchip怎麼說。
我們周圍不斷充斥著有關 8 位、16 位、32 位和 64 位處理器的討論，我不確定如今還有多少年輕工程師知道第一個商用微處理器——英特爾4004。它是一台 4 位機器（部件編號雖然叫4004，卻沒有一語雙關的意思）。
順便說一句，如果您想了解更多關於 4004 以及當代微處理器的發展史，我衷心推薦我的朋友Steve Leibson在 EEJournal 上撰寫的專欄文章：《我們是否真的知道是誰發明了微處理器？》和《哪個才是第一個微處理器？》以及《微處理器50歲生日快樂》的第1部分和第2部分。
微處理器（µP）也稱為微處理器單元（MPU）。早期的 MPU 僅包含一個中央處理單元（CPU）。隨著時間的推移，添加了其他功能，如高速緩存、浮點運算單元（FPU）以及存儲管理單元（MMU）等。關鍵是：除了任何高速緩存以及 FPU 和 MMU 之類的東西，微處理器不包含任何內部存儲器或外設。相比之下，單片機（µC），也稱為微控制器單元（MCU），包含閃存等非易失性存儲器，SRAM 等易失性存儲器，計數器、定時器、模數轉換器（ADC）等外設以及UART、I2C 和 SPI 等通信接口。從本質上講，單片機是一種小型獨立計算機，存在於包含自己的程序的單個矽晶片上。它一上電，程序就開始執行。這就解釋了為什麼單片機出現在嵌入式系統中，以及為什麼嵌入式系統隨處可見。（您可以通過我的專欄文章《CPU、MPU、MCU和GPU的常見問題解答有哪些？》，了解有關微處理器和單片機之間區別的更多信息）。
單片機的歷史與微處理器的歷史一樣不甚明朗。第一個單片機是哪個？是日本人在1970 年代初為汽車製造的 4 位器件，還是 TI 工程師 Gary Boone 和 Michael Cochran設計並於 1974 年首次亮相的 4 位 TMS 1000？談到 8 位 MCU，1976 年面市的英特爾 8048（又名 MCS-48）是第一個嗎？我不知道。我所知道的是，早期 8 位 MCU 中最著名的可能是1980 年上市的 8051（又名 MCS-51），其指令集架構（ISA）由 John H. Wharton 構想。神奇的是，由8051演變出的新產品至今仍然強勁。
順便說一句，John曾經告訴我，當他還是一名在英特爾工作的年輕工程師時，他經常和他的主管出去吃午飯。有一天，他們聽說要在午餐時間開會討論一些事情。他們不確定會議的重點是什麼，只知道提供免費三明治。這個會議原來是 8051 的啟動會。真的是完全從一張白紙開始的。會議結束後，John 飽餐了一頓，回到辦公桌前，勾勒出 8051 的架構（功能單元和總線等）和 ISA。
如今，有眾多的單片機能夠實現我們的各類設想，而PIC®單片機和AVR®單片機是真正有存在感的兩個系列。第一個 8 位 PIC MCU由 General Instruments 於 1975 年開發。我不確定它的具體發展史，但 PIC MCU現在是Microchip Technology Inc.的產品。同時，最初的 8 位 AVR 架構是由 Alf-Egil Bogen 和 Vegard Wollan 還是挪威理工學院（NTH）的學生時提出的。該技術隨後被 Atmel 收購，該公司於 1996 年發布了 AVR 系列的第一批成員。 Atmel已於 2016 年被 Microchip收購。
我們有什麼方法可以量化這種“存在感”？我曾經同Microchip 8位單片機產品部的營銷副總裁 Greg Robinson 和資深公共關係經理Brian Thorsen 交流過。如下圖所示，在撰寫本文時，Microchip 的 8 位 MCU 市場份額為 32%，遙遙領先！如果我在Microchip負責這些產品的話，我肯定要笑逐顏開了。
Greg 告訴我，Microchip將持續創新，其中不乏許多8位新產品。例如，在 2022 年第二季度，Microchip推出了5 個全新系列，約 65 款器件，擁有豐富的片上模擬和其他獨立於內核的外設。
除了傳統的單晶片系統（即Microchip MCU是板上唯一的處理器）外，8位處理器作為系統管理IC和協處理器的作用也越來越大，尺寸、空間、低功耗和壽命等方方面面的特徵都很重要。這在很大程度上是因為我們看到分布式智能在物聯網邊緣節點、汽車安全、工業控制系統、醫療電子和家用電子等應用領域的急劇增長。即使是最先進的 5G 系統，通常也可以從將某些任務分配給更小的 8 位處理器中受益，從而釋放更高級處理器來發揮它們的魔力並做它們最擅長的事情。
Greg說：“儘管聽起來很奇怪，很多 8 位的增長是由 32 位的增長推動的，其中 32 位處理器正在將人機界面（HMI）功能和內務管理任務等傳遞給8 位處理器。此外，8 位器件越來越多地用作協處理器，執行諸如獲取傳感器讀數和預處理此傳感器數據等任務，然後將其傳遞給更高級處理器。”
我們談到的主題之一是當前的供應鏈問題。在我們交談之前，我沒有意識到Microchip 出貨的 95% 的 8 位產品是內部製造的，而且除了在美國亞利桑那州Tempe、俄勒岡州Gresham和科羅拉多州Colorado Springs設有晶圓廠，他們還擁有自己的封裝、製造和測試廠。
儘管如此，但由於貿易戰和全球新冠疫情共同引發的大風暴，在過去 18 至 24 個月內產生了大量需求，因此仍然存在供貨短缺的情況。Greg 說：“提高產量也不是嘴上一說這麼簡單。”Microchip 總裁兼首席執行官 Ganesh Moorthy 曾表示，他預計短缺將持續到 2023 年，但 Microchip 已承諾在未來幾年會投入 10 億美元，用於繼續推出新產品，同時擴大產能以滿足對現有器件的需求。
ADCC 代表“ADC 計算”， 它是模擬和數字功能的混合體。片上模擬功能（包括 8 位、10 位和 12 位 ADC）可以使用圖形工具輕鬆配置。其他選項包括具有相關可編程增益放大器（PGA）的 ADC，從而無需使用外部 PGA，以及具有上下文/排序功能的 ADC。其他功能包括片上比較器、數模轉換器（DAC）、斜坡發生器、溫度傳感器、電壓基準、過零檢測和運算放大器（運放）。
考慮下面介紹的運算放大器示例。傳統方法是使用外部運算放大器（左）。片上運算放大器（右）的優勢包括節省電路板上的空間、減少物料清單（BOM）以及能夠在程序控制下動態更改軟體中的增益和其他特性（如果您要測量多個信號，每個信號都需要不同的運算放大器參數，這很有用）。
獨立於內核的外設（CIP）背後的概念是，外設可以在內核處於“打盹”模式或處理更重要的任務時自行執行任務。例如，CIP 可以在內核進入休眠狀態時從傳感器獲取讀數，然後對結果進行累積、求平均值和/或過濾。稍後，當內核喚醒時，外設可以準備好其預處理的數據並等待著。
當 CIP 組合在一起創建自定義外設或“超級外設”時，事情開始變得非常有趣。一個很好的例子如下所示。這涉及希望使用串行總線通信協議控制一堆 LED 的應用。
指定“哪個 LED”和“什麼顏色”涉及一個相當複雜的信號，並且可能需要發送大量數據。這通常需要一個高速 32 位 MCU。然而，通過使用少數 CIP 外設——定時器、SPI、PWM 和一些使用 CLC（可配置邏輯單元）實現的邏輯——可以在 8 位 PIC 單片機上實現該算法。（與 PIC MCU的 CLC 不同，可以使用可配置自定義邏輯（CCL）在 AVR 上實現相同的功能。）
結果是允許 8 位 MCU 以比指令速度（即在內核上運行的指令）快得多的邏輯速度驅動一串 LED，同時釋放內核以執行其他任務。
一般來說，擁有 CIP，特別是能夠將它們組合在一起，打開了通往各種部署場景的大門，允許外設處理各種傳感器數據。
考慮下面所示的示例，其中使用 8 位 PIC 或 AVR 單片機來監控溫度、濕度和振動傳感器的輸出。可能來自溫度傳感器的信號比來自濕度傳感器的信號需要更高的增益，這可以通過在程序控制下來回交換片上運算放大器的增益來實現。
典型的多傳感器應用
同時，MCU 可能以 5V 運行，而使用 I2C 通信的振動傳感器僅需要 1.8V。在這種情況下，解決方案不是採用外部電壓電平轉換器，而是採用 MCU 的多電壓輸入/輸出（MVIO）功能。
上面的示例顯示了 MVIO 和 I2C 的組合，但 MVIO 也可以與通用輸入/輸出（GPIO）一起使用。事實上，這引出了另一個例子，因為運行在 5V 的 8 位 PIC 或 AVR MCU 可用於從傳感器讀取值，從而實現比 3.3V MCU 更好的解析度，而 PIC/ AVR MCU可以使用其 MVIO 功能將此數據傳送到 3.3V 32 位 PIC32 SAM MCU。
讓 PIC/AVR MCU的新手感到困惑的一件事是可用的不同組件數量之多，每個組件都有不同數量的引腳以及不同的功能和外設組合。有幾種方法可以解決這個問題。就我而言，我會直接問我的朋友 Joe Farr。關於Microchip PIC 和 AVR MCU，他就是一本行走著的百科全書。對於那些不認識 Joe 的人，Microchip 網站上有一個產品選型指南，用戶說了“我需要這個功能”後，就會被引導到合適的產品。或者，用戶可以說“我想實現這個應用”，該工具不僅可以將他們引導到合適的產品，還可以引導到相關的固件和軟體以及開發工具。
Greg 在結束談話前，說了一些很有趣的內容。那就是不光是 8 位 MCU這塊餅在增長，各種新的應用也不斷湧現，就像有了一個全新的餅。因此，他表示：“Microchip 非常看好 8 位 MCU 市場。”這對我來說是個好消息，因為我喜歡 8 位 MCU。那麼你呢？你有什麼想法願意分享嗎？
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