以下全文轉(zhuǎn)載自EEWeb主編Max Maxfield在EEJournal上發(fā)表的文章：

我們周圍不斷充斥著有關(guān) 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。它是一臺 4 位機器（部件編號雖然叫4004，卻沒有一語雙關(guān)的意思）。

順便說一句，如果您想了解更多關(guān)于 4004 以及當(dāng)代微處理器的發(fā)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(fā)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(guān)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(nèi)部存儲器或外設(shè)。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(shù)器、定時器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）等外設(shè)以及UART、I2C 和 SPI 等通信接口。從本質(zhì)上講，單片機是一種小型獨立計算機，存在于包含自己的程序的單個硅芯片上。它一上電，程序就開始執(zhí)行。這就解釋了為什么單片機出現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)中，以及為什么嵌入式系統(tǒng)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(guān)微處理器和單片機之間區(qū)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 年代初為汽車制造的 4 位器件，還是 TI 工程師 Gary Boone 和 Michael Cochran設(shè)計并于 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(gòu)（ISA）由 John H. Wharton 構(gòu)想。神奇的是，由8051演變出的新產(chǎn)品至今仍然強勁。

順便說一句，John曾經(jīng)告訴我，當(dāng)他還是一名在英特爾工作的年輕工程師時，他經(jīng)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么，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(jié)束后，John 飽餐了一頓，回到辦公桌前，勾勒出 8051 的架構(gòu)（功能單元和總線等）和 ISA。

如今，有眾多的單片機能夠?qū)崿F(xiàn)我們的各類設(shè)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 于 1975 年開發(fā)。我不確定它的具體發(fā)展史，但 PIC MCU現(xiàn)在是Microchip Technology Inc.的產(chǎn)品。同時，最初的 8 位 AVR 架構(gòu)是由 Alf-Egil Bogen 和 Vegard Wollan 還是挪威理工學(xué)院（NTH）的學(xué)生時提出的。該技術(shù)隨后被 Atmel 收購，該公司于 1996 年發(fā)布了 AVR 系列的第一批成員。 Atmel已于 2016 年被 Microchip收購。

我們有什么方法可以量化這種“存在感”？我曾經(jīng)同Microchip 8位單片機產(chǎn)品部的營銷副總裁 Greg Robinson 和資深公共關(guān)系經(jīng)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(lǐng)先！如果我在Microchip負(fù)責(zé)這些產(chǎn)品的話，我肯定要笑逐顏開了。

Gartner 2021 市場份額報告中的全球 8 位單片機市場份額

Greg 告訴我，Microchip將持續(xù)創(chuàng)新，其中不乏許多8位新產(chǎn)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于內(nèi)核的外設(shè)。

除了傳統(tǒng)的單芯片系統(tǒng)（即Microchip MCU是板上唯一的處理器）外，8位處理器作為系統(tǒng)管理IC和協(xié)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征都很重要。這在很大程度上是因為我們看到分布式智能在物聯(lián)網(wǎng)邊緣節(jié)點、汽車安全、工業(yè)控制系統(tǒng)、醫(yī)療電子和家用電子等應(yīng)用領(lǐng)域的急劇增長。即使是最先進(jìn)的 5G 系統(tǒng)，通常也可以從將某些任務(wù)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(fā)揮它們的魔力并做它們最擅長的事情。

Greg說：“盡管聽起來很奇怪，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(nèi)務(wù)管理任務(wù)等傳遞給8 位處理器。此外，8 位器件越來越多地用作協(xié)處理器，執(zhí)行諸如獲取傳感器讀數(shù)和預(yù)處理此傳感器數(shù)據(jù)等任務(wù)，然后將其傳遞給更高級處理器?！?/p>

我們談到的主題之一是當(dāng)前的供應(yīng)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(chǎn)品是內(nèi)部制造的，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(shè)有晶圓廠，他們還擁有自己的封裝、制造和測試廠。

盡管如此，但由于貿(mào)易戰(zhàn)和全球新冠疫情共同引發(fā)的大風(fēng)暴，在過去 18 至 24 個月內(nèi)產(chǎn)生了大量需求，因此仍然存在供貨短缺的情況。Greg 說：“提高產(chǎn)量也不是嘴上一說這么簡單?！盡icrochip 總裁兼首席執(zhí)行官 Ganesh Moorthy 曾表示，他預(yù)計短缺將持續(xù)到 2023 年，但 Microchip 已承諾在未來幾年會投入 10 億美元，用于繼續(xù)推出新產(chǎn)品，同時擴大產(chǎn)能以滿足對現(xiàn)有器件的需求。

2022年第二季度新產(chǎn)品預(yù)告

ADCC 代表“ADC 計算”， 它是模擬和數(shù)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松配置。其他選項包括具有相關(guān)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(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、斜坡發(fā)生器、溫度傳感器、電壓基準(zhǔn)、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(tǒng)方法是使用外部運算放大器（左）。片上運算放大器（右）的優(yōu)勢包括節(jié)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(tài)更改軟件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(shù)，這很有用）。

帶有內(nèi)部運算放大器的 PIC?和AVR?單片機

獨立于內(nèi)核的外設(shè)（CIP）背后的概念是，外設(shè)可以在內(nèi)核處于“打盹”模式或處理更重要的任務(wù)時自行執(zhí)行任務(wù)。例如，CIP 可以在內(nèi)核進(jìn)入休眠狀態(tài)時從傳感器獲取讀數(shù)，然后對結(jié)果進(jìn)行累積、求平均值和/或過濾。稍后，當(dāng)內(nèi)核喚醒時，外設(shè)可以準(zhǔn)備好其預(yù)處理的數(shù)據(jù)并等待著。

使用獨立于內(nèi)核的外設(shè)創(chuàng)建自定義外設(shè)

當(dāng) CIP 組合在一起創(chuàng)建自定義外設(shè)或“超級外設(shè)”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(xié)議控制一堆 LED 的應(yīng)用。

將 CIP 組合在一起以創(chuàng)建“超級外設(shè)”或“超級模塊”

指定“哪個 LED”和“什么顏色”涉及一個相當(dāng)復(fù)雜的信號，并且可能需要發(fā)送大量數(shù)據(jù)。這通常需要一個高速 32 位 MCU。然而，通過使用少數(shù) CIP 外設(shè)——定時器、SPI、PWM 和一些使用 CLC（可配置邏輯單元）實現(xiàn)的邏輯——可以在 8 位 PIC 單片機上實現(xiàn)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(xiàn)相同的功能。）

結(jié)果是允許 8 位 MCU 以比指令速度（即在內(nèi)核上運行的指令）快得多的邏輯速度驅(qū)動一串 LED，同時釋放內(nèi)核以執(zhí)行其他任務(wù)。

一般來說，擁有 CIP，特別是能夠?qū)⑺鼈兘M合在一起，打開了通往各種部署場景的大門，允許外設(shè)處理各種傳感器數(shù)據(jù)。

常見的傳感器輸出類型

考慮下面所示的示例，其中使用 8 位 PIC 或 AVR 單片機來監(jiān)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(xiàn)。

典型的多傳感器應(yīng)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，解決方案不是采用外部電壓電平轉(zhuǎn)換器，而是采用 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 可用于從傳感器讀取值，從而實現(xiàn)比 3.3V MCU 更好的分辨率，而 PIC/ AVR MCU可以使用其 MVIO 功能將此數(shù)據(jù)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(shù)量之多，每個組件都有不同數(shù)量的引腳以及不同的功能和外設(shè)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(guān)于Microchip PIC 和 AVR MCU，他就是一本行走著的百科全書。對于那些不認(rèn)識 Joe 的人，Microchip 網(wǎng)站上有一個產(chǎn)品選型指南，用戶說了“我需要這個功能”后，就會被引導(dǎo)到合適的產(chǎn)品?；蛘?，用戶可以說“我想實現(xiàn)這個應(yīng)用”，該工具不僅可以將他們引導(dǎo)到合適的產(chǎn)品，還可以引導(dǎo)到相關(guān)的固件和軟件以及開發(fā)工具。

Greg 在結(jié)束談話前，說了一些很有趣的內(nèi)容。那就是不光是 8 位 MCU這塊餅在增長，各種新的應(yīng)用也不斷涌現(xiàn)，就像有了一個全新的餅。因此，他表示：“Microchip 非?？春?8 位 MCU 市場。”這對我來說是個好消息，因為我喜歡 8 位 MCU。那么你呢？你有什么想法愿意分享嗎？

直接轉(zhuǎn)載來源：Microchip微芯
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審核編輯 黃宇