本文由半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫(ID:ICVIEWS)編譯自pc.watch

隨著時(shí)代的流逝，8/16位MCU可能會從市場上消失。

前陣子連MCU界都在說“32位時(shí)代來了”，看來8位MCU市場真的進(jìn)入了黃昏時(shí)代，它似乎正在加速。

8位MCU的定義是什么?

一個(gè)產(chǎn)品是MCU還是MPU(Micro Processor Unit)，簡單來說就是看它是否可以在沒有外部存儲器或其他外圍電路的情況下運(yùn)行，而MCU除了CPU內(nèi)核本身之外，一般都是SRAM(用于程序操作/數(shù)據(jù)存儲)和閃存(大多數(shù)用于程序存儲，但有時(shí)用于數(shù)據(jù)存儲)，外圍電路。它配備了時(shí)鐘，外圍I / O，甚至PMIC，只要外部提供電源，它將自行運(yùn)行。MPU基本上具有外部存儲器，并將其用作程序存儲區(qū)域。

但是，有了這個(gè)定義，例如，ScratchPad區(qū)域中的SRAM呢(這很麻煩，因?yàn)橛袝r(shí)有些東西可以在這里放置代碼)，或者Xeon MAX MCU是否具有64GB HBM2e封裝并且在沒有外部DRAM的情況下運(yùn)行?

另一個(gè)定義是MMU(內(nèi)存管理單元)在MPU上運(yùn)行，而MPU(內(nèi)存保護(hù)單元)運(yùn)行或(盡管現(xiàn)在數(shù)量不多)還有一個(gè)分類，即MCU首先沒有內(nèi)存管理單元。簡而言之，它是虛擬內(nèi)存是否有效。

這在目前的32位到64位全盛時(shí)期是一個(gè)相當(dāng)有說服力的標(biāo)準(zhǔn)，但是在4/8/16位的情況下，MPU沒有配備MMU的情況很多，所以不是一個(gè)完美的標(biāo)準(zhǔn)。很難說事實(shí)上，有MPU和MCU都準(zhǔn)備在同一個(gè)核心的相同外設(shè)配置中的例子。

那么，就趨勢而言，市場上不再有8/16位MPU，可以將它假設(shè)為一個(gè)擁有內(nèi)存的MCU，即：它是32位MCU和MPU的混合。64位MCU仍然很少(但不是沒有)，大多數(shù)是MPU。下一個(gè)問題是，8位是什么意思?

首先，8 位 CPU(或 16 位或 32 位)的定義是什么?以前說地址總線和數(shù)據(jù)總線的大小是由地址總線的大小決定的，Intel 8088是8位嗎?還有說MC68000是32位還是16位，SuperH系列是32位還是16位。

在我看來，如果所有指令可以處理的最大數(shù)據(jù)類型大小是8位，那么它就是一個(gè)8位 CPU。即使是歷史上被視為8位CPU的Z80，也有16位的Load/Store指令和算術(shù)運(yùn)算指令，但也僅限于地址處理所必需的。其中，AND/OR/等邏輯運(yùn)算XOR 只有 8 位。

即使是歷史上被視為8位CPU的Z80，也有16位的Load/Store指令和算術(shù)運(yùn)算指令，但也僅限于地址處理所必需的。其中，AND/OR/等邏輯運(yùn)算XOR 只有 8 位。

順便說一下，瑞薩電子的產(chǎn)品線中還有一款名為RL78的 8/16 位 MCU 。目前的產(chǎn)品，有的被當(dāng)成8位(RL78G10/G1M/G1N：S1核心)，有的被當(dāng)成16位(其他：S2/S3核心)。

新的8位MCU

這就是為什么我要談?wù)撆c僅執(zhí)行 8 位操作的 MCU 相關(guān)的數(shù)據(jù)。說實(shí)話，8位的MCU本身還在出貨，甚至有新品出貨。

例如，上月(2023 年 2 月)，中國臺灣 Holtek 半導(dǎo)體宣布了具有自己的 8 位 RISC 內(nèi)核的“ BH66F2560 ”和“ BH67F2476 ”。不過搭載Holtek的8位MCU的產(chǎn)品比通用產(chǎn)品更接近于ASSP，所以可以說是有所不同，但在通用產(chǎn)品方面，去年4月Microchip推出了“AVR DD”和“ PIC16”發(fā)布了一款新產(chǎn)品。所以，在產(chǎn)品層面，還是有小幅上漲的，很多之前公布的產(chǎn)品還在出貨中，不代表產(chǎn)品馬上就會從市場上消失。

BH67F2476框圖

不過，8位CPU內(nèi)核本身也有一段時(shí)間沒有新出來了。如果不是一定要商用的話，去年8月推出的Open Source Silicon Initiative就有類似“NoobsASIC ”之類的東西，但是沒有什么可以商用的。

Silicon Labs在2015年宣布了一個(gè)名為“EFM8”的8位MCU系列，但實(shí)際上核心本身是一個(gè)8051兼容的核心，其流水線結(jié)構(gòu)稱為CIP-51。

據(jù)我所知，最新的新核心是波蘭的DCD(數(shù)字核心設(shè)計(jì))于2014年發(fā)布的PIC16兼容“ DRPIC1655X ”和MC68HC11K兼容“ D68HC11K ”，以紀(jì)念他們的15周年，以及8051-兼容“ DT8051 ”。

雖然兩者都是IP形式，指令集兼容PIC16/MC68HC11/8051，但內(nèi)部流水線結(jié)構(gòu)獨(dú)特，據(jù)說DRPIC1655X等0.35μm工藝可以運(yùn)行800MHz。

順便說一句，在8051核心方面，2012年2月(當(dāng)時(shí)是IXYS公司的子公司)Zilog突然公布了一款名為“Z8051 ”的核心。該公告的新聞稿稱，“Zilog 供應(yīng) Z80/Z8/Z16 等內(nèi)核已超過 35 年，但 8051 內(nèi)核的歷史也一樣長。因此 Zilog 宣布推出 Z8051。這是一件很自然的事情去做。”我猜我拿到了核心IP。順便說一句，這款 Z8051 已經(jīng)完全停產(chǎn)。

看產(chǎn)品規(guī)格，主要的指令可以在1~2個(gè)周期左右處理，所以屬于高速范疇。

Zilog 也有來自前三星半導(dǎo)體的 4/8 位 MCU 產(chǎn)品線，但這是母公司IXYSCorporation 在 2013 年收購三星的整個(gè) 4/8 位 MCU 業(yè)務(wù)是被迫的。尤其是S3家族是Z80兼容核心，現(xiàn)在感覺來不及了。

順便說一句，CAST在2015年2月的Embedded World上發(fā)布了“S8051XC80251”，這是一款與s3兼容的超高速IP核，但這是一款與8051二進(jìn)制兼容的16位80251兼容CPU，所以我覺得它有點(diǎn)超出這個(gè)框架。

8位 MCU出不來的原因

言歸正傳，8位MCU產(chǎn)品還在發(fā)布，但架構(gòu)上，2010年代上半年就已經(jīng)完成改造，此后出新架構(gòu)的可能性極低。事實(shí)上，只要一兩個(gè)人愿意，就可以構(gòu)建一個(gè)架構(gòu)。Atmel的“AVR8”內(nèi)核，廣泛應(yīng)用于Arduino Uno(及其前身Arduino Duemilanove、Arduino Diecimila等)，最初稱為μRISC，由挪威理工學(xué)院的Alf-Egil Bogen和Vegard Wollan開發(fā)。它被發(fā)展成為他的兩篇畢業(yè)論文的主題。把這個(gè)帶到Atmel的結(jié)果是因?yàn)椤癆lf and Vegard's RISC”而被命名為AVR。

AVR8 核心框圖(來自收購 Atmel 的 Microchip 發(fā)布的數(shù)據(jù)表)

然而，雖然創(chuàng)建一個(gè)處理器很容易，但創(chuàng)建一個(gè)編寫在其上運(yùn)行的程序的環(huán)境需要付出巨大的努力和人力。僅僅準(zhǔn)備一個(gè)匯編器和一個(gè)鏈接器是不夠的，如果你試圖準(zhǔn)備所有的東西，比如C或者諸如移植、調(diào)試環(huán)境、集成開發(fā)環(huán)境、庫、中間件、OS等等，那將花費(fèi)很多(沒有依據(jù))這是一個(gè)粗略的估計(jì)，但我認(rèn)為 10 倍以上的 CPU 內(nèi)核開發(fā)不會奏效)。即使我們花那個(gè)成本把新架構(gòu)推向世界，它的銷量是否足以收回成本?答案肯定是否定的。

另一個(gè)是MCU造成的限制。即使你說，“好吧，讓我們使用 8051 架構(gòu)并添加超標(biāo)量和亂序來創(chuàng)建一個(gè)運(yùn)行在幾個(gè) GHz 的內(nèi)核”，現(xiàn)有的 8051 應(yīng)用程序假定一個(gè)有序/單發(fā)流水線結(jié)構(gòu)，原本超標(biāo)量處理的余地不大，即使亂序也很難期待性能的提升，而且無法準(zhǔn)確計(jì)算到處理完成的處理周期。

首先，在 MCU 的情況下，將程序代碼放在 NOR 閃存中是很常見的，即使以 800 MHz 驅(qū)動的 Cortex-M7 內(nèi)核也跟不上從閃存中讀取的速度，所以如果不使用cache在一起，就會出現(xiàn)Wait。Cortex-M7和Cortex-R52做dual issues沒有意義，但是dual issues對于8位MCU是完全沒用的。

此外，由于使用了NOR flash，因此很難使用高級工藝。三星在2019年宣布與Arm合作，在28nm FD-SOI上采用MRAM和MCU核心的Musca-A1，但尚未量產(chǎn)。從這個(gè)意義上說，無論你怎么努力，臺積電的Around N16都是極限小型化。至于工作頻率，運(yùn)行在N16上的NOR flash的工作速度成為限速階段，實(shí)際工作頻率的上限在幾百M(fèi)Hz量級。那樣的話，現(xiàn)有的8051 IP就足夠了。

市場需求與實(shí)施成本的困境

然而，市場需求正朝著更高性能和更高功能的方向發(fā)展。在過去，MCU只是用于設(shè)備內(nèi)部的封閉控制，基本不需要考慮與外界的通信。然而，最近連接的設(shè)備數(shù)量開始迅速增加，但使用 USART 的串行通信顯然是不夠的，而且在很多情況下某種網(wǎng)絡(luò)是必需的。

或者M(jìn)CU本身對安全的需求越來越大，更不用說Secure Enclave、固件保護(hù)功能、安全密鑰存儲和TRNG(真隨機(jī)數(shù)生成器)進(jìn)行加密通信了，至少需要一個(gè)PRNG(偽隨機(jī)數(shù)生成器)。

對于做一些更復(fù)雜的事情的設(shè)備，為了以防萬一，對 OTA 固件更新功能的需求越來越大。這是因?yàn)榧词乖诋a(chǎn)品發(fā)布后發(fā)現(xiàn)漏洞，也必須在沒有 OTA 更新的情況下進(jìn)行物理收集或替換。

各種功能這樣增加，代碼量自然會增加，另外為了支持更新，flash容量也會增加。為了承載網(wǎng)絡(luò)棧，對SRAM的容量也有相應(yīng)的要求。因此，CPU 核心與 MCU 芯片尺寸的比例變得相當(dāng)小。

以 DCD 的“DRPIC1655X”為例，MCU 所需的電路規(guī)模約為 4800 個(gè)門。另一方面，Arm 的“Cortex-M0”有大約 12000 到 25000 個(gè)門(取決于電路配置)。中國臺灣晶心科技的“N22”內(nèi)核(RV32)也可以實(shí)現(xiàn)約15800個(gè)門。也就是說，只要在8位內(nèi)核上增加10000個(gè)門左右，就可以變成32位內(nèi)核。此外，嘗試僅使用 8 位算術(shù)來執(zhí)行這些功能是非常低效的。發(fā)生這種情況時(shí)，8 位 MCU 變得低效。

當(dāng)初為什么8位MCU應(yīng)用如此廣泛呢?優(yōu)點(diǎn)是電路規(guī)模小，所以即使?jié)M負(fù)荷工作也能保持低功耗。但是近年由于需要的內(nèi)存容量增加，所以電路規(guī)模并沒有太大變化，可以說是8位或32位，節(jié)省成本的優(yōu)點(diǎn)也沒有以前那么顯著了。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)和安全等所有處理都由公司負(fù)責(zé)時(shí)，內(nèi)核的滿負(fù)荷驅(qū)動時(shí)間比32位MCU更長，因此，省電的優(yōu)勢很小(或者更糟糕的是，8位消耗更多的功率)。目前，市場上新的8位MCU僅限于與這些限制沒有太大關(guān)系的產(chǎn)品。

比如開頭提到的Holtek的BH66F25609(脈搏血氧儀MCU)只有1KB SRAM/32KB閃存/EEPROM 1KB的數(shù)據(jù)，當(dāng)然也不支持網(wǎng)絡(luò)。它之所以有效，是因?yàn)樗鼪]有安全功能，并且適用于真正低成本的脈搏血氧儀。

順便說一句，除了8位之外，16位 MCU的情況幾乎一樣。本來16位的MCU是介于8位和32位之間的中間產(chǎn)品，但是隨著32位低端替代8位的快速增長，不僅8位連16位都失去了位置。盡管如此，Renesas Electronics 的 RL78 系列和 TI 的 MSP430 等供應(yīng)商正在盡力而為，但 Microchip 的 PIC24 系列非常艱難。

MCU遷移到32位的速度比預(yù)期的要快

這就是 8 位(和 16 位)MCU 市場緩慢萎縮的原因，越來越多的人傾向于在新設(shè)計(jì)中使用 32 位而不是 8/16 位。

嵌入式行業(yè)的特點(diǎn)是“漸強(qiáng)”。總之，如果新產(chǎn)品所需要的功能是全新的，不能通過擴(kuò)展現(xiàn)有設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，如果可以通過對現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行返工來完成，那么最好遵循設(shè)計(jì)并可靠地開發(fā)它。

至于可靠性，如果我們能在一定程度上掌握現(xiàn)有產(chǎn)品的特殊性和故障率，當(dāng)然，即使最后做適當(dāng)?shù)尿?yàn)證，使用現(xiàn)有產(chǎn)品的衍生模型更可靠。所以筆者認(rèn)為，距離8/16位MCU不再用于新產(chǎn)品的那一天還有10到20年的時(shí)間。

由于新冠疫情導(dǎo)致半導(dǎo)體短缺，這種前景被打破了。簡而言之，8位 MCU 已經(jīng)沒有了。就Sourcengine去年11月發(fā)布的Q4 2022 Lead Time Report來看，8/16位 MCU的采購暫時(shí)需要相當(dāng)長的lead time，解決這個(gè)問題的可能性不大。換句話說，只要你使用的是8/16位的MCU，產(chǎn)品制造就需要這么多的交貨時(shí)間。簡而言之，產(chǎn)品無法發(fā)貨。在這種情況下，別無選擇，只能使用任何可用的東西進(jìn)行制造，即使它是分銷庫存。

報(bào)告的嵌入式處理頁面，8/16位價(jià)格有進(jìn)一步上漲趨勢

在這種情況下，8/16位 MCU就很吃虧了。由于內(nèi)存量本來就很小，所以代碼是以針對每個(gè)體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化的形式編寫的。將這樣的軟件移植到其他MCU上是非常困難的，或者更確切地說，它比移植更接近于新開發(fā)。而且，你現(xiàn)在能拿到的MCU，以后不一定都能拿到。

最近Arm和RISC-V MCU的快速崛起，是因?yàn)槎嗉?a target="_blank">廠商發(fā)布了基于相同架構(gòu)的產(chǎn)品，所以廠商之間切換(外圍電路，內(nèi)存映射等)相對容易，即使改變了， CPU 內(nèi)核的架構(gòu)很常見。為了吸收外圍電路、內(nèi)存映射等硬件的差異，最簡單的方法是在兩者之間用HAL(Hardware Abstraction Layer)進(jìn)行抽象。為此，RVM-CSI提供了 8/16 位中不存在此類措施。

因此，由現(xiàn)有 8/16 位 MCU 擴(kuò)展支持的新產(chǎn)品開發(fā)正迅速轉(zhuǎn)向 32 位 MCU。于是，原以為要提前10年到20年的“8/16位MCU不再用于新產(chǎn)品的那一天”，似乎比預(yù)想的要早很多。

Arduino 項(xiàng)目當(dāng)然提供基于 8 位 AVR 的套件，例如現(xiàn)有的 Arduino Uno，但最近該項(xiàng)目專注于配備 32 位 SAMD21 的 MKR 系列。從 8 位到 32 位的轉(zhuǎn)變逐漸變得明顯。

隨著時(shí)代的流逝，本以為8/16位終究會從市場上消失，沒想到這種趨勢竟然加速到現(xiàn)在。

審核編輯：湯梓紅