可以将哪类外设功能集成到MCU中？

近年来，随着工艺与IP的逐渐成熟，32位的MCU增长迅速，风头之劲乃至16位的MCU基本上被跳过了。现在说嵌入式MCU，要么就是8位，要么就是32位，16位的MCU产品型号屈指可数。

在半导体领域，微控制器(MCU)是一个很卷的赛道。为了能够从众多竞争者中脱颖而出，MCU产品一直在不断添加新“技能”，以适应市场环境的新要求。因此，时至今日，如果你“打开”一颗MCU，会发现其早已不再是一颗传统意义上简单的计算和控制芯片，而是集成了CPU内核以及丰富外设功能模块的SoC。

尤其是在CPU内核趋向同质化的今天，想要在产品设计上实现差异化，MCU厂商更是要在CPU内核之外的外设功能的集成上大做文章，让自己的产品具有与众不同的卖点。

“可以将哪类外设功能集成到MCU中”，对于这个问题，MCU厂商已经进行了诸多尝试：存储器、定时器、模拟外设、通信接口，甚至是射频收发器……不一而足。今天，Microchip更是脑洞大开，给出了一个新思路——将一个“微型FPGA”集成到MCU中!

在8位MCU中集成可编程逻辑

电子工程师都知道，在相当长的时间里，MCU和以FPGA为代表的可编程逻辑，是两个特性迥异的开发平台：前者是在通用CPU架构的基础上，通过软件编程去满足不同应用的设计要求，具有较高的灵活性和可扩展性，不过代价就是在性能和功耗上有所折中;而后者由于具有硬件可编程特性，开发者可以根据应用“定制”所需的硬件电路，在性能和功耗上自然更胜一筹，不过开发门槛相对较高。

之前也有⼚商将两者结合在⼀起，开发出兼具灵活性和⾼能效的异构平台，不过它们⼤都定位于中⾼端的产品。将可编程逻辑与8位MCU整合在⼀起的尝试，并不多⻅。⽽Microchip正是找到了这个独特的市场切⼊点，推出了PIC16F13145 系列MCU。

具体来讲，与传统的8位MCU不同，PIC16F13145系列的外设中，除了ADC、DAC、⽐较器和定时器等这些“常规”配置，还有⼀个特别的可配置逻辑块(CLB)模块。

CLB由32个基本逻辑元件(BLE)阵列(每个BLE都能够模拟AND / OR / NAND / NOR⻔)以及缓冲器/反相缓冲器、D触发器、JK触发器、多路复⽤器或四输⼊LUT构成。

这意味着，开发者可以利⽤CLB直接在MCU内创建基于硬件的定制组合逻辑功能，实现⾃⼰想要的硬件电路，⽽不受通⽤MCU固定硬件架构的限制，就好像在MCU中添加了⼀个“微型FPGA”。

那么8位的MCU的情形又如何，很多嵌入式工程师都有一些误解，下面来简单分析下。

01

8位MCU正在被淘汰

这是最常见的误解，先说事实，根据最新的Gartner的市场报告，8位的市场营收额和增长额跟32位的相比都仅仅差几个百分点。考虑到8位的单个芯片比32位芯片要便宜很多的事实，8位的出货量其实远高于32位的。

打个直观的比方，现在我们有了高铁，是不是所有传统的普快、特快火车都要立即淘汰呢?显然事实并非如此，至于原因就太多了。现实情况就是8位 MCU曾经的应用领域并不能立即用32位的MCU直接替代。

02

8位处理器缺乏创新

不少人会认为既然现在市场的宠儿是32位的MCU，厂商们是不是都没有投入研发资源在8位产品上了。

这么想的人可能一想到8位的MCU，脑海中会浮现40DIP的“经典8051”的形象，事实上芯片厂商们并没有停止创新。

比如CIP-51内核因为采用了一个时钟周期等同于一个指令周期的设计，瞬间将同频率的8051性能提高了12倍。国内的一些半导体厂商也有基于8051或其他8位内核的创新。

03

8位处理器难以使用C/C++语言编程

如果你了解Arduino的设计原理，这个误解就不攻自破。

当然坦白讲，8位的MCU使用高级语言编程确实比32位的MCU要困难些，主要障碍就是内存地址的不统一。

比如8051内核的内存地址就分为CODE、data、sfr、idata和xdata。如果涉及到banking就更复杂了，8位的PIC还有硬件Stack这样更加“非主流”的设计，但是这些障碍都可以通过工具的优化来缓解。

04

8位处理器专为简单应用而生

这个观点倒是有几分真实，但是嵌入式应用本身就是简单应用居多。嵌入式系统应用的本身特点决定了8位依然有很多用武之地。外设和编译器的进化将慢慢拓展8位处理器的应用范畴。

05

8位处理器不能胜任IoT应用需求

IoT应用不是一个单独的应用，而是一个复合应用。

智能手表、智能音箱、主控制器、网关这种当然需要复杂的处理器来实现。

但是IoT应用还包含大量的传感器节点、执行节点和转换节点。

这种节点用低功耗的8位处理器来实现更加适合。

06

8位处理器响应慢

这个就是完全的误解了。典型的嵌入式应用中，响应速度主要跟中断响应和唤醒延迟相关。8位处理器有天然的优势(地址转换工作量小、IP单元实现门数少)，不输于32位的处理器。

07

8位处理器的能效低于32位处理器

曾经看过ARM公司的权威工程师写的一本书，书中观点是32位处理器的能效比高于8位的MCU，理由是32位处理器能快速处理完任务，休眠时间的比例更大。

但是这个结论包含一个假设，就是任务有一定复杂度。

如果任务本身非常简单，唤醒过程的功耗也很大，那么这个假设不成立。

针对不同应用场景，不能简单说8位、32位哪个能效比更高。至少非常简单的应用中，8位的能效比要高。如果再加上单独响应，无需CPU干预的一些任务，8位的能效比甚至能高出很多。

08

相同价格的32位处理器功能远强于8位处理器

这个也有一定程度的可信度，但是不要忘记有相当大的一部分应用使用8位的MCU就已足够在这种情况下，非要购买平均价格高一点的32位 MCU，成本就会上升。对于很多基本上标准化了的嵌入式产品来说，8位MCU还是具有一定的成本优势的。

09

8位处理器设计的应用不能适应未来变化

这是个思维角度问题，作为嵌入式程序员，更应该考虑当前的任务。不管是什么类型的MCU，如果产品形态变化了或者需求本身变化了，就要重新设计。未来谁都看不清，何必考虑那么多没有实际意义的前瞻。

10

8位处理器开发工作更繁重且没有升级路径

32位处理器的处理更加以软件为中心，可以做更多的代码复用。

而8位处理器更多地利用硬件外设来完成任务。

综合而言，没有绝对的差别。

只要是嵌入式处理器，升级路径都不大明确。

如果你采用既有8位，又有32位的产品的厂家，你会发现很多外设都很相似。

考虑到现在图形化配置外设的趋势，升级路径逐渐变得不那么重要，反正都是图形化或者脚本化来生成基础驱动代码。