http://tech.digitimes.com.tw/ShowNews.aspx?zCatId=A14&zNotesDocId=9CCB67BEA3BE68BA4825711E003C5135

引言:微控制器是一種無所不在的內嵌型控制晶片,舉凡玩具、家電、汽車、房舍等各物各處中都有其存在,負責各種感測、監控工作。
 如果各位還體會不到它的存在,且讓筆者作更細膩的描述,例如電視、錄放影機等遙控器的內部即有一顆,負責感應操作者的按鈕操控,並將按鈕訊號轉化成紅外線再發送給電視、錄放影機,其他的紅外線遙控器也類似。

又如熱水瓶、開飲機,其內部亦是由微控器負責感測水溫,並接受使用者的指示是否該加溫、沸騰,同樣的冷氣機的溫控也是用微控器來實現。此外如桌上電腦所用的鍵盤、滑鼠等也各有一顆,負責將敲打的鍵碼、指標的X/Y軸位移偏量等資訊回傳到電腦上。
 透過上述的若干舉例,相信各位能輕易體會微控器的無所不在,也因為無所不在,因此其用量規模也相當可觀,單就最典型、大宗的8-bit、8051架構的微控器來說,全球一年的出貨需求就高達33億顆,且還未論其他仍在強勁成長的16-bit、32-bit或非8051架構。
 也因為市場的遍廣,使得微控器不易像其他泛用處理晶片般(如CPU、GPU)的形成寡佔、壟斷,研製微控器晶片的業者只要能貼近、切中某一產業或某一應用的控制需求,就能在市場上爭得一席。
 不過,近年來微控器的技術及市場又有了新需求、新演化,簡單性邏輯已漸難滿足所需,而開始朝智慧型演算的方向提升,且對控制力的要求也愈來愈高,這使得微控器界有了更多的新激盪,而應用設計者面對新一波的激盪改變當如何因應?本文將對此進行更多瞭解與分析。
附註:「微控制器」簡稱「微控器」,也俗稱「單晶片」,大陸方面則俗稱「單片機」,英文則為Microcontroller,一般簡寫成MCU(Micro Controller Unit),亦常縮寫成「uC」,然也有人寫成「uP」。
4-bit微控器
 打從英特爾(Intel)的4004問世開始4-bit MCU就已經存在,至今依然有許多應用是用4-bit MCU,如電子計算機、電子數字錶、電子玩具、LCD控制、紅外線遙控器、小型家電、電池充電器、傳呼機(Pager,俗稱B.B.Call)、來電顯示器(Caller ID)等
 同時MCU業者也仍持續在生產供貨4-bit MCU,如Atmel的MARC4架構系列,日本沖電氣(Oki)的nx 63K系列,台灣義隆電子(ELAN Microelectronics Corp.;EMC)的EM73系列,EPSON的S1C6x族系,日本瑞薩(Renesas,原日立-Hitachi)的720族系與HMCS400族系,Samsung的S3C1、S3C7系列,台灣十速科技(Tenx)的TM87系列,及Winbond的W541系列、W742E/Cxxx系列等。
 雖然數年前業界出現了「用8-bit MCU取代4-bit MCU」的呼聲,認為4-bit MCU的僅存優勢在於價格,只要讓8-bit MCU的單價逼近4-bit水準即可產生替代效應,然對大規模量產的MCU而言,微幅的單價差異即會造成極大的採購總額差,因此,4-bit MCU仍有其存續性,8-bit MCU仍難以全然取代,不過積極降低單價的8-bit MCU也確實取代了4-bit MCU領域中偏高階運用的部份。


▲EPSON 4-bit MCU中的S1C63族系(另有S1C60/62族系)所針對的應用主要有5種:溫度計、來電顯示器、隨身聽、機械控制、需A/D轉換、串列I/O的控制單元等。(圖片來源:w3.EPSON.com.tw)
8-bit微控器
 無論就用量規模還是市場銷售總額,8-bit MCU都是目前MCU中的第一主流,勝過16-bit MCU、32-bit MCU及前述的4-bit MCU,且應用的層面也最廣最多。
 在8-bit MCU中又以8051架構獲得最多業者所採用,多到不勝枚舉,所以在此僅能列舉數家較知名的業者,如Atmel、Philips、Silicon Laboratories(新投入市場者)、MAXIM/Dallas Semiconductor、Winbond等。
附註:2001年MAXIM收併Dallas Semiconductor。


▲NS的8-bit MCU:COP8系列之COP85GR7,COP85GR7主要是針對串列資料控制的應用而設計,如桌上電話、電子量測計、車用無線電、消費性產品的遙控器、以及消防、保全用的控制器。(圖片來源:National.com)
 除8051外,其他常見的8-bit MCU架構還有Atmel的AVR系列,Infineon的XC800族系與C500/C800族系,Microchip的PIC10/12/16/18 系列,Motorola/Freescale的68HC05/08/11系列,NS的COP8系列,Renesas的740族系,ST的 uPSD/ST5/ST6/ST7/ST9系列,以及Zilog的Z8族系、eZ80族系。
 也因為8-bit用量最大、技術最成熟,國內也有多家業者投入8-bit MCU,如凌陽科技(Sunplus)、義隆電子(ELAN)、盛群半導體(HOLTEK)、華邦電子(Winbond)、十速科技(Tenx)、矽成積體電路(ICSI)、松翰科技(SONiX)等。


▲Microchip的DSC數位信號控制器稱為dsPIC系列,是延續原有8-bit/16-bit PIC系列MCU的架構優勢,並融入DSP的特色功能而成。(圖片來源:Microchip.com)

 

 

16-bit微控器
 當8-bit MCU的效能、資源無法滿足應用時就必須考慮改行16-bit MCU,如數位相機、VCD/DVD播放機之類的應用,或如汽車的安全氣囊、引擎控制、防盜系統等,都需要更快速與大量的運算控制。
 至於有哪些業者能提供16-bit MCU?關於此主要有Infineon的XC166族系與C166族系,TI的MSP430系列,Motorola/Freescale的68HC12系列、68HCS12系列,Microchip的PIC24系列,Philips的XA系列,NS的CompactRISC(簡稱:CR16)系列與 CP3000族系,MAXIM的MAXQ系列,Renesas的H8系列,Intel的80251系列、8096/80196/80296系列、ST的 ST9/ST10/Super10系列等。

 

 

 

▲Microchip的第一代數位信號控制器:dsPIC30F系列,其定位訴求是成為16-bit MCU的超集合,並能兼具部份DSP及32-bit MCU才具備的能力。(圖片來源:Microchip.com)

 

 

 

 

 要特別說明的是,16-bit MCU的發展來自多個軸線,例如有直接從原有8-bit CISC架構進行擴展強化的作法,如Intel的80251(最早以前稱為ZX)或Philips的XA(eXtended Architecture,延伸架構),也如Motorola/Freescale的68HC12。
 另外,也有採行全新的架構設計,由於16-bit MCU在研創摸索時期,相同的時間MPU(Micro Processing Unit,即CPU)已進展至32-bit,且初期盛行RISC架構,以致16-bit MCU也吸取了諸多RISC的觀念及技術,如NS的CompactRISC、MAXIM的MAXQ等。
 此外,由於MCU、MPU在80 年代初無太多區別,以致許多控制應用也使用16-bit的8086/8088(Intel)、或68000(Motorola)、或針對嵌入需求而整合設計的80186/80188(Intel)等,至今仍有許多應用是使用這類的MPU,事實上MCU愈至高階愈與MPU相接近,而難以嚴格分別,16- bit已是如此,32-bit更是近似。
 附帶補充的是,國內的金麗科技(RDC)提出自有RISC架構的16-bit MCU:R11系列、R88系列,但卻能相容80186/80188等CISC架構的MPU。
32-bit微控器
 到了32-bit,MCU、MPU幾可合一而談,凡是訴求嵌入式應用的32-bit MPU/CPU多能算是32-bit MCU。因此,即便只論32-bit MCU/MPU的架構選擇都相當多樣,例如以桌上型運算延伸的x86(IA-32)、POWER/PowerPC、MIPS、SPARC,加上 SuperH(簡稱:SH)、i960、ARM等,如此就有六、七種架構,在此還未算入業者自創獨用的架構,如FR族系(Fujitsu)、 TriCore族系(Infineon)等。
 至於應用方面,32-bit MCU/MPU已具有充沛運算力及硬體資源,因此應用層面與類型也就特別多,小至PDA、PMP,大至電信機房的交換機、晶圓廠的製程設備都有運用,此外醫療儀器、軍用設施也都有使用。


▲Atmel的32-bit MCU:AT91SAM7S系列(核心為ARM7TDMI)及其開發套件:AT91SAM7S-EK。(圖片來源:dtelectronics.com)
數位信號處理器DSP
 各位或許會疑惑:本文的主題是MCU,怎會與DSP(Digital Signal Processor)有關連?
 老實說,DSP在本質上可視為一種強化擴充型的MCU,過去有許多控制工作是8-bit MCU在效能、資源上所無法勝任的,而改用MPU又所費不眥,加上16-bit MCU初期不夠成熟,此時幾乎都只能用DSP來滿足。
 雖然具有DSP技術及產品業者相當多,但純就市佔來看則以TI、Motorola/Freescale、Agere、ADI(Analog Device Inc.)、Philips為主,且以16-bit架構為多。
附註:DSP主要可分為定點(亦稱:整數)運算型與浮點運算型,在此僅指定點運算型,事實上也以定點型為運用大宗。另外,也有特別強調VLIW架構的 DSP,但此類DSP多是針對重度多媒體編解碼運算而設計,經常稱為媒體處理器(Media Processor),如Philips的TriMedia族系、Pixelworks(Equator Technologies)的BSP族系、TI的TMS320C62x系列等,此等也不在本文所指的控制應用之列。
附註:不僅有DSP採行VLIW架構,亦有MPU使用VLIW架構,如Intel的Itanium/Itanium 2,或Transmeta的Crusoe/Effineon等。
數位信號控制器DSC
 談及DSP,有部份原因也是為了更容易解釋現在要說明的DSC(Digital Signal Controller)數位信號控制器。
 由於純MCU架構不易勝任部份控制運算(如:視訊編碼解碼、無線信號收發等),但為此而將原有熟悉的MCU完全棄捨,並改用DSP或更高層次的晶片方案來接替,也必須付出更多的研發心力及成本,因此有人提出讓MCU與DSP共混的執行架構,如此便成了DSC。
 DSC 確實是另一種新趨,而非部份業者的特例獨為,至少原有的MCU、DSP重量級業者都推出了DSC,如Microchip的dsPIC系列,TI的 TMS320C2x系列,Freescale的56800/56800E,ST的Super10(以原有ST10的16-bit MCU再添入DSP功能)等。
MPU+DSP
 DSC是MCU+DSP,那麼也就可以有MPU+ DSP,而且也已盛行多年,最知名的莫過於TI的OMAP(Open Multimedia Application Platform)平台與ADI的Blackfin(黑鰭)處理器,OMAP是將TI原有擅長的DSP與ARM架構的MPU進行結合,而Blackfin 也是ADI與Intel合作,將Intel專精的MPU與ADI拿手的DSP加以融合而成。
 類似的,Intel的PXA800F以 XScale為MPU核心,但又加了Wireless MMX的SIMD技術及MSA(Micro Signal Architecture)的DSP核心,也屬MPU+DSP的一種,其他如Infineon的S-GOLDlite使用ARM926核心,但也內嵌 ParthusCeva的TEAKlite(DSP矽智財)。
 只是PXA800F與S-GOLDlite等都幾乎只訴求於多媒體手機之用,而非泛用(General Purpose),然多媒體手機的全球需量極高,在幾乎不需顧慮量產回收規模的情況下,為滿足效能及品質而特別打造MPU+DSP架構仍然值得。


▲Infineon 的32-bit MCU:TC 1130,使用Infineon獨有的TriCore核心架構,並融入DSP功效,從某種角度看也可說是32-bit DSC(數位信號控制器),且今日Linux也支援TriCore。(圖片來源:Infineon.com)
結論
 最後讓我們來綜看MCU的趨勢版圖,很明顯的8-bit MCU將會強勢持續,且同時持續用設計彈性與價格調降來爭取應用設計者從4-bit換用8-bit。
 在8-bit MCU之外,另一個強勢已在32-bit的層次成形,即是以ARM為主的MCU/MPU,如今已有太多晶片業者採行ARM架構,在開發工具、範例程式、協力業者等各項支援、資源方面都達堅穩陣容而不易搖撼,類似的強力產業生態在8-bit MCU上也可見,即是8051架構。
 由此來看,最辛苦的會是在16-bit MCU,一方面16-bit MCU缺乏如8051、ARM一般的明顯主流架構,另一方面在價格、效能上都難以凸顯其價值,對設計者而言,價格取向的控制應用會偏好採行8-bit MCU,而效能取向的應用則會傾向32-bit MCU/MPU,加上16-bit還有MPU、DSP、DSC等選擇,在在讓人為16-bit MCU的後市擔憂。
 至於DSP則會視需求而與MCU/MPU搭配運用,可以如Microchip dsPIC、TI OMAP般直接在裸晶層次整合,也可以是在PCB印刷電路板上以獨立封裝方式配置。至於需要更即時、更重度的DSP運算則會採行VLIW架構的DSP。

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