儘管如Arm Cortex-M處理器等新平台加入競爭角逐且市場佔有率增加,但目前8位元微控制器(MCU)仍佔據整體MCU市場的較大部分。嵌入式市場中8位元MCU的持續優勢包括多種因素:低成本、簡易性、快速控制功能、成熟的生態系統,以及無處不在的工具庫。

8位元MCU技術已相當成熟,其單價已接近價格下限,這為開發人員帶來一種隱形挑戰。在尋找嵌入式設計的低成本8位元MCU時,有許多具備相似價格和功能集的優秀選擇,但哪種選擇最好呢?經常被忽視的一個方面是:來自不同供應商之間類似的8位元MCU硬體真實價格及價值。以下是一些重要的考量因素,最終將揭露8位元MCU的實際價格。

生態鏈

工具:當成本成為嵌入式設計的驅動因素時,避免在編譯器授權或編碼環境上花費資金是明智的。在選擇MCU之前,請確認供應商的晶片和他們提供的軟體範例是否能夠在免費開發平台上使用。否則,即使某家供應商的平均銷售價格(ASP)等於或高於另一家,依晶片的數量而定,其實際成本也可能更低。

例如,來自競爭廠商的兩種8051 MCU選項,可能具備類似的硬體規格,但不同的工具成本。如果MCU供應商提供的基礎8051裝置缺少編譯器或整合式開發環境(IDE)授權,則開發人員必須使用Keil或IAR並支付授權費用,因此增加計畫的總投資。更具成本效益的選項是使用免費IDE和無限制Keil授權支援的8位元平台。

軟體:一旦理解了編譯器和開發環境,下一個隱形的技術指標是MCU平台上軟體範例和生態系統的可用性,例如,尋找那些為其周邊設備提供大量程式碼範例的MCU供應商。如此將可以輕鬆掌控所需的每個周邊,如PWM、UART和ADC,然後將它們組合到一個專案中,並盡快完成設計。這意味著能夠更快地進入市場並增加潛在收入,使得擁有溢價能力、支援良好的MCU生態系統擁有更高的ASP。

技術指標

設計、特性和測試(GBD、GBC和GBT)認證:在仔細閱讀相對簡單的8位元MCU規格時,可以從產品手冊的摘要頁面輕鬆了解元件的功能,然後參考電氣技術規格表以獲取有關重要規格的更多細節。然而,事實上比看起來要更複雜一點,開發人員應該考量三個關鍵面向:1.對設計而言是否有重要的最小值和最大值;2.這些值的測試條件匹配實際使用情況嗎,以及3.這些值是否得到設計、特性或測試認證。

由於溫度、Vdd、工作頻率和其他因素會影響設計中的真正數值,因此代表值需要被謹慎考慮。目前,業界常見的情況是:在某個基於另一個參數的技術指標下,會碰到功能受限的情況。這通常是為了在產品手冊的首頁上呈現具吸引力的技術指標。然而,在深入研究電氣技術規格表之後,很明顯看到類似頂尖的技術參數僅存在於非常受限的參數下,例如Vdd、核心頻率、溫度等,可能與設計的其他方面互相衝突。這種錯覺可能導致失望,因為最初的最佳解決方案是基於首頁,但檢查這些規範的所有注意事項之後,設計決策卻變得不那麼明確。

例如,圖1中顯示的圖表來自產品手冊的首頁。對低價MCU而言,20MHz技術規格是很不錯的,然而,詳細資料表示這只能在4.5V Vdd以上才能實現,這在系統中似乎是不可能的,或者會導致增加成本的代價,例如使用更大的升壓轉換器來達到該操作速度。

20191014NT31P1 圖1 安全操作區域圖。

圖1中的圖表在很大程度上取決於其他因素,引發了對其他規格的質疑。當一個重要的技術規格具備4MHz的測試條件,但設計將在20MHz下運作時,需要預先考慮到該指標,針對某些特定使用場景可能不夠準確。可以假設它有可能非常不準確,特別是類比技術指標。

此外,在檢視技術規格表時,重要的是要研究註解,並了解它是否經過設計認證、特性認證或測試認證(亦稱為GBD、GBC和GBT)。通常,GBD在規格認證中可信度最低,GBT擁有最佳的可信度,GBC次之。

表1中的範例(取自典型的MCU產品手冊)顯示了GBD和GBC兩種選項。如果應用具備嚴格時脈要求,並且需要非常精確的振盪器,那麼GBD規格有點令人擔憂,因為調整後的高速振盪器的唯一規格是GBD。如果它接近未調整的高速內部(HIS)振盪器規格的5%的不準確值,可能會造成高速通訊介面如UART操作失敗。在儀表或計量等應用中,需要運算或追蹤特定時間區間內的事件,振盪器的漂移會影響測量的準確度。

20191014NT31P1-1 表1 典型8位元MCU中HSI振盪器特性。

靈活性和可擴展性

在每個專案中切換不同架構和技術可能會延遲了最終設計,進而拖延產品上市時間。雖然供應商A的元件也許是目前專案的最佳選擇,但供應商B的另一款元件可能對今年度後期的專案更佳適合。這需要為每個專案進行最佳化、權衡,並在專案之間重用開發和知識。在評估現今設計的供應商選擇時,請確保他們擁有適合未來產品的解決方案,例如,如果需要在下一個專案使用其他供應商提供的元件,那麼為現有專案選擇的一次性最佳元件,可能會延遲下一個專案。盡量選用可擴展的8位元平台,例如Silicon Labs的EFM8產品組合,它提供可擴展的記憶體和GPIO選項,並支援免費的IDE和無限期的Keil認證。可擴展的平台在相似的架構中提供了許多GPIO和記憶體選項,允許在專案之間輕鬆轉換元件。

仔細查看MCU系列中的每個元件是值得的,這樣能確保功能一致,並在轉換到更大的GPIO裝置時不會犧牲重要的功能,例如適當數量的通訊埠、DAC或PWM通道。

壽命和供應保證

8位元市場已經非常成熟,8位元裝置也已經存在了幾十年。因此,現今的8位元ASP非常低。這對開發人員來說是很好的事情,但對於半導體供應商而言可能是一種痛處,因為半導體供應商已經靠近盈利最低點,有些供應商已經放棄了對8位元產品組合的新投資。當供應商宣佈產品終止(EOL),以及「不推薦用於新設計(NRND)」通知時,這種情況可能會變得令人擔憂,這可能對終端產品的使用壽命造成威脅。

許多供應商都宣佈有關MCU產品壽命的訊息,有些甚至提供了供應商計畫支援元件的確切日期。例如,Silicon Labs為每個8位元系列整理出至少支援日期,明確說明哪些適合用於長期設計。

MCU產品的使用壽命可能不是快速設計的關鍵問題,例如壽命短暫且需求快速下降的消費性產品,但對醫療、汽車和工業應用來說至關重要,這些應用的終端產品通常需要2~3年的設計階段,然後需求平緩的上升並持續超過10年。若是因為廉價8位元MCU停產而失去繼續構建重要的、可獲利的終端產品,那麼將是災難性的事件。

結論

雖然8位元MCU在不斷發展的MCU領域中已佔據一席之地,但嵌入式開發人員必須納入新的考量因素。這一點相當重要,使用8位元MCU的好處包括相對較低的成本和易用性,但這可能受到工具隱形成本、支援軟體不足、誤導的產品手冊參數和缺乏可擴展性的影響。在為下一個設計評估適合的MCU時,請記住這些考量因素可以大大提高目前及長期的市場成功機會。

本文同步刊登於EE Times Taiwan 10月號雜誌