开发人员如何为嵌入式设计选择最优的8位MCU?

引言

尽管竞争激烈，而且有32位Arm Cortex-M处理器等新平台的市场份额在强劲增长，现今的8位MCU仍占据整个微控制器（MCU）市场的很大一部分。嵌入式市场中8位MCU的持续优势在于多种因素：低成本、简单、快速掌握用法以及成熟的生态系统，这个生态系统包含无处不在的工具库。

已经十分成熟的8位MCU技术，其价格已接近其下限，这为开发人员带来了选择难题。在寻找嵌入式设计的低成本8位MCU时，有许多具有相似的价格及功能集的产品，但选择哪种最好呢？经常被忽视的一个方面是：来自不同供应商的类似的8位MCU硬件的真实价格以及使用价值。以下是一些重要的考虑因素，最终将揭示8位MCU的实际价值。

生态系统

▪ 工具

当成本成为嵌入式设计应该考虑的主要因素时，避免在编译器许可证或编码环境上花费资金是明智的。在选择MCU之前，请确认供应商的芯片和他们提供的软件示例是否能够在免费开发平台上使用。否则，取决于需要组件数量的不同，即使一家供应商的平均销售价格（ASP）等于或高于另一家，最终的实际花费成本也可能是较低的。

例如，来自竞争厂商的两个基于8051的MCU选择可能具有类似的芯片价格，但工具成本不同。如果MCU供应商提供的基于8051的芯片缺少免费编译器或集成开发环境（IDE）许可证，则开发人员必须使用Keil或IAR并支付许可费用，从而增加了项目的总投资。更加具有成本优势的选择是使用免费IDE和无限制Keil许可证支持的8位平台。

▪ 软件

一旦理解了编译器和开发环境，下一个隐形的技术指标是MCU平台上软件示例和生态系统的可用性。例如，寻找那些为其外设提供大量代码示例的MCU供应商。这样可以轻松把控所需的每个外设，如PWM、UART和ADC，然后将它们组合到一个项目中，就能很快完成设计。这意味着产品可更快地进入市场并增加潜在的收入，使得产品拥有更高溢价能力。所以，良好的MCU生态系统可提供更高的性价比优势。

技术指标：设计、特性和测试（GBD、GBC和GBT）

在仔细阅读相对简单的8位MCU规格时，可以从数据手册的摘要页面中轻松了解器件的功能，然后参考电气规格表以获取有关重要规格的更多详细信息。然而，事实上比看起来要更复杂一点，开发人员应该考虑三个关键方面：1）是否有对设计来说重要的最小值和最大值；2）这些值的测试条件是否匹配实际使用情况；以及3）这些参数是否得到设计、特性或测试保证。

由于温度、Vdd范围、工作频率和其它因素会影响设计中的真实值，因此需要始终谨慎考虑典型值。如今，业界常见的情况是：在一个基于另一个参数的技术指标下，会发生功能受限的情况。通常，数据手册首页上会展现非常有吸引力的技术指标。然而，在深入研究电气技术规范表之后，很明显看似顶尖的技术参数仅存在于Vdd、核心频率、温度等参数非常受限的情况下，这可能与设计的其它方面相冲突。这种错觉可能导致失望，因为最初的最佳解决方案仅来自首页，然后在发现这些规范的所有注意事项后，设计决策变得不那么明确了。

例如，图1中显示的图表来自数据手册的首页。对于廉价的MCU来说，20 MHz技术参数是非常好的，然而，详细数据表明这只能在4.5V Vdd以上才能实现，这在真实系统中或许是不可能的，或者会导致以增加成本为代价使用更大的升压转换器来达到该操作速度。

图1 安全操作区域图

图1中的图表引发了对其它规格的质疑，那些规格在很大程度上依赖于其它因素。当一个重要的技术参数拥有了4 MHz的测试条件，但设计将在20 MHz下运行时，需要预先考虑该技术参数，它对于某些特定使用场景可能会不准确。可以假设它可能非常不准确，特别是如果它是模拟技术参数。

此外，在检查技术规范表时，重要的是要研究附注，并了解它是否得到设计、特性或测试（亦称为GBD、GBC和GBT）保证。通常，GBD在规格中有最低可信度，而GBT在规格中有最大的信任度，GBC在中间。

表1中的示例（来自典型的MCU产品数据手册）显示了GBD和GBC的两个选项。

表1：典型8位MCU中HSI振荡器特性

如果应用要求严格的时序并且需要非常精确的振荡器，那么GBD规格有点令人担忧，因为调整后的高速振荡器的唯一规格是GBD。如果它达到未调整的高速内部（HSI）振荡器规格的5%的不准确度，这可能导致像UART这样的高速通信接口失败。在仪表或计量等应用中，您需要计算或跟踪特定时间窗内的事件，振荡器的漂移会影响测量的准确度。

灵活性和可扩展性

在每个项目中切换不同架构和技术可能会推迟设计的完成，从而减缓产品上市时间。虽然供应商A的器件可能是手头项目的最佳选择，但供应商B可能有另一款器件对于今年晚些时候的项目更好。这需要为每个项目进行优化、权衡，并在项目之间重用开发成果。

所以，在评估当前设计的供应商选择时，请确保他们拥有适合未来产品的解决方案。例如，如果您需要使用其它供应商提供的器件，那么项目最佳选择的一次性器件可能会延迟下一个项目。始终寻找可扩展的8位平台，例如图2中的Silicon Labs的EFM8产品组合，它提供可扩展的内存和GPIO选项，并支持免费的IDE和无限期的Keil许可证。可扩展的平台在相似的架构中提供了许多GPIO和存储器大小搭配，允许在项目之间轻松切换器件。

图2：Silicon Labs EFM8 MCU平台规格示例

仔细查看MCU系列中的每个器件型号是值得的，这样能确保功能一致，并在迁移到更多GPIO数量的器件时不会牺牲重要的功能，例如恰当数量的通信端口、DAC或PWM通道。

寿命和供应保证

8位市场已经非常成熟，8位器件也已经存在了几十年。因此，现今8位器件的ASP非常低。这对开发人员来说很好，但对于半导体供应商而言可能是一个痛点，因为半导体供应商已经接近盈利最低点，而且一些供应商已经放弃了对其8位产品的新品开发。当供应商发布寿命终止（EOL）以及 “不推荐用于新设计” （NRND）通知时，这种情况可能会变得令人担忧，这可能会威胁到最终产品的使用寿命。Silicon Labs是少数继续开发8位技术的MCU供应商之一。这表明了对8位市场的承诺，并使人们相信供应商不会停产其MCU产品。

许多供应商都在宣传保证有关MCU产品支持供货的信息，有些甚至提供了其产品计划支持供货的确切日期。例如，Silicon Labs为每个8位系列都列出了最晚支持供货日期，明确说明哪些可以适用于长期设计。

MCU产品的使用寿命可能不是快速设计的关键问题，例如寿命短且快速下降的消费类产品，但对于医疗、汽车和工业应用来说至关重要，这些应用的终端产品常常需要两到三年的设计时间，然后其应用需求平缓地上升并持续超过10年。如果由于廉价8位MCU停产而失去重要的、可盈利的终端产品市场，那么对于企业将是一个大的损失。

结论

虽然8位MCU已在不断发展的MCU领域中占据一席之地，但嵌入式开发人员必须纳入新的考量因素。使用8位MCU的好处包括相对较低的成本和易用性，但这可能受到工具隐形成本、支持软件不足、误导的数据手册参数和缺乏可扩展性的影响。在为您的下一个设计评估适合的MCU时，记住所有上述考量因素可以大大提高您现在和长期的市场成功机会。

本文同步刊登于电子工程专辑杂志2019年9月刊

责编：Yvonne Geng