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8位元微控制器的演變

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Microchip MCU8產品部副總裁Steve Drehobl。
Microchip MCU8產品部副總裁Steve Drehobl。

雖然32位元MCU非常普遍,但對於需要低腳位數、非效能導向的嵌入式與物聯網應用,8位元MCU仍有其立足之處;經營多年的MCU大廠整合週邊控制功能,使8位元 MCU單晶片也能全面啟動,發揮低成本高整合的核心優勢…

挾低腳位與週邊整合之優勢  8位元MCU立足於入門市場

Microchip台灣區技術經理林建益。

Microchip台灣區技術經理林建益。

Microchip MCU8產品部副總裁Steve Drehobl,針對「8位元微控制器的演變」做演說。8位元MCU因為低價、程式碼撰寫容易與低腳位數(Low Pin Count)的優勢。對需要低腳位數、低成本且非效能導向的市場,仍具有相當的累積數量。

他引用Gartner市調指出,2014年全球MCU市場規模,8位元 MCU達62.67億美元,還大於32位元MCU的60.85億美元,以及16位元MCU的34.4億美元。而Microchip在全球8位元MCU市佔率,從1991年排名第23,1996年進入前十大,2001年進入前五大MCU廠,並在2006?2009年維持排名第一;僅在2010年位於併入NEC的瑞薩(Renesas)之後,然又在2014年重新取得8位元MCU市佔率排名第一。

Steve簡介8位元PIC(Peripheral Interface Controller)控制器沿革:1972年通用儀器(General Instrument)開始發表,1987年微電子部門獨立成Microchip Technology,從需搭配外接唯讀記憶體(ROM)到內建ROM的MCU設計。

當時曾面臨特殊應用積體電路(ASIC)的挑戰,但ASIC電路固定、欠缺擴充彈性的設計,使得系統整體設計的蹺蹺板失衡而全偏向硬體,但缺乏彈性的設計也使得以純硬體的設計方式逐漸式微。

1990年代以後,部份MCU廠商倡導將陸續出現的OTP記憶體、基本類比轉換電路換及Flash記憶體整合到MCU,此時系統設計的蹺蹺板失衡而全偏向軟體。MCU具備擴充彈性,但需要特殊應用韌體,導致設計複雜化、侷限於串列處理,造成功耗爆增及除錯╱驗證等問題,MCU也開始越來越覺得工作時脈與記憶體不夠用,腳位數也越加越多。

2015年,Microchip認為整合獨立於核心外的運作週邊(Core Independent Peripheral)及智慧型類比轉換電路架構的新8位元PIC MCU,核心設計聚焦於功能上的強化並可與獨立於核心外的運作週邊互連功能。Steve揭櫫PIC微控制器的功能方塊,以強調彈性化可擴展的週邊介面,從智慧型類比轉換(Intelligent Analog)、PWM與波型控制、計時與量測、邏輯與數學運算、安全監控、有線與無線的通訊功能、使用者介面到低功耗與系統彈性化設計。

週邊功能硬體以MCC串連組態實際操作

傳統MCU週邊訊號如計時、基本PWM脈波調變、基本類比訊號轉換等處理,需要先初始設定相關的感測、訊號、電源轉換的暫存器與事件觸發機制,而在觸發、運算處理需仰賴MCU分時處理;當有一筆計時、PWM或類比訊號輸入時,產生中斷訊號,暫停MCU目前執行的程式並先行處理,處理完畢後再回到被中斷的程式繼續執行,這樣使得週邊處理需耗費MCU的執行資源。

而8位元PIC MCU,則針對多個具備ASIC特性的週邊功能處理單元(感測器、訊號產生、電源轉換、角度計時器),等運算完成後觸發時通知MCU;甚至各週邊裝置,可以透過MPLAB Code Configurator(MCC)軟體預先組態並設定串接,每個功能硬體單元,會將運算結果直接連接餵給下一個單元,最後一個功能單元計算出結果之後再通知MCU接收結果即可。

接下來請到Microchip台灣區技術經理林建益先生上台實際做MCC軟體,針對PIC微控制器的組態做操作示範。MCC已整合在MPLAB X整合式開發環境(IDE)下,點選一顆Microchip PIC16F1619微控制器為例,先選擇模組(Module)、功能(Function)與訊號方向(input/output),然後選擇以哪個邏輯閘(AND、OR、NAND、NOR、NOT、etc), 接下來就可以像繪製OrCAD電路設計一樣,點選哪幾個邏輯閘輸入的腳位拉線來連接、串連,並且將用不到的訊號腳位打x(不指定訊號經過)。

林經理表示此種類似可程式化邏輯陣列圖形化組態介面,自MCC 2.0就開始提供。而9月11日開放MCC 3.0測試版下載,其功能上更可以將自行組態、串接設計的各功能單元電路,存成一個功能元件庫,供日後叫用;點選後也會展開對應可呼叫使用的C語言程式?函數碼,如此一來可讓開發商快速累積並開發各種不同更複雜的MCU週邊功能的應用。

維繫軟硬平衡與腳位數  聚焦功能與週邊互連

Steve Drehobl提到,PIC MCU能搭配最佳化韌體的組態訂製與彈性化,不僅加快系統設計?整合並降低複雜度,又具備硬體電路的明確運算性、平行化功能處理與低功耗的特性,同時兼顧軟硬體權重平衡的設計。對開發商而言,各種功能(Function)可由各週邊的組態串接、堆砌。

這種可由各種功能串連、堆砌的架構,對系統開發者而言,過去開發階段從功能定義(以天計算)、規格表解讀(以天計算)、撰寫程式碼(以週計算)、系統驗證(以月計算)到正式上市,MCC可以縮短到功能定義(以天計算)、直接系統驗證(以週計算)後直接上市,大幅縮減整個研發與驗證流程。

Microchip目前提供了20美元Curiosity開發板(針對IoT簡易連接、支援mikroBUS插槽可安插Microchip擴充子板)、75美元的Explorer8快速驗證概念開發板(廣泛支援各PIC MCU、雙Pmod插槽支援Digilent Pmod擴充模組、雙mikroBUS插槽),及頂級100美元的PICDEM LAB II專業開發板(結合類比與混合訊號處理功能、雙mikroBUS插槽)。

Steve Drehobl最後總結,Microchip以週邊內部互連操作、獨立於核心外的運作週邊,輔以直覺化、快速開發的MPLAB CodeConfigurator(MCC)組態與功能啟用技術,引領8位元微控制器(MCU)的進化,以滿足物聯網時代的各種系統開發需求。