8 位元微控制器仍是功率低和易用性的絕佳選項

1990 年代，我將之稱為「微控制器的黃金年代」，當時 C 編譯器開始普及，但如果您想找一份嵌入式編程工作，仍須具備彙編語言編程技能。像我一樣的現場應用工程師 (FAE)，帶著甜甜圈去拜訪客戶，在會議室裡，滔滔不絕地介紹自家最新微控制器產品的各種優點，工程師會在底下一邊嚼著甜甜圈，一邊張大眼睛看著我。

那時的半導體公司，不像現在每個月都能推出新的微控制器產品，我們通常每季只推出一兩樣新產品，但是，有些事情從未改變。有一次，我嫻熟地運用 PowerPoint 技巧向二十幾位工程師做簡報，他們都是車體控制器團隊的成員。車體控制器是個簡易型的小控制盒，依據 goesintas/goesoutas 原則工作；開關訊號進入 (goesinta) 控制盒當中，而致動器控制訊號從控制盒輸出 (goesouta)。這是一種簡單的小東西，完全能用具有多個 GPIO 的 8 位元微控制器實現。

我正在口若懸河地講著，突然會議室後方有一隻手舉起來。

一個堅定的聲音響起：「我們的管理階層決定，要在車體控制器中開始使用 32 位元微控制器。」會議室裡一陣低語，我猜他們的管理階層根本就沒作出這樣的決定，那個人可能別有企圖，比如說，他偏好的供應商，很不巧的，剛好不是我的公司。

「你們不需要 32 位元的微控制器，我不相信你說的話」，我心裡暗想。但為了保住自己的飯碗，我實際上是這麼回答的：「可不可以請您分享一下，您下一代的控制器產品，會用到 32 位元架構的哪些功能呢？」

他稍作停頓，有些反抗地回答道：「我們就是要用 32 位元架構。」我從他的聲音中聽到一絲的猶豫，其他工程師也感受到他語調中的無力，於是把頭轉回會議室的前方，迫切地想聽聽我怎麼說。

我仔細解釋了 32 位元架構相較於 8 位元的優點。他們是否需要更快的時脈速度？下一代的產品是否需要執行更複雜的數學運算？韌體是否需要使用多執行緒，還有，是否需要即時作業系統 (RTOS)？韌體的大小會不會膨脹到需要更多記憶體位址的程度？所有這些直到現在也依然是從 8 位元轉到 32 位元核心的合理理由 (其實 16 位元是這兩個等級間的最佳過渡，但這是另一個主題)。

我回答以後，大家一邊愉快地享用著甜甜圈，一邊討論 8 位元和 32 位元架構的差異。8 位元的微控制器架構更為簡單，而且編程模型易於理解。這種架構通常只需要一個電源供應器即可。儘管行銷人員有不同的說法，但是現代 8 位元架構的功耗要低於 32 位元架構，這是因為內部切換的匯流排訊號更少。

8 位元產品的真實範例

多年來，Microchip Technology 一直對其提供的 8 位元微控制器深感自豪。Microchip 的 megaAVR 8 位元核心 (也稱為 ATMega) 很受歡迎，其採用傳統的 Harvard 架構，可以定址高達 256 KB 的程式記憶體。該元件使用簡易的暫存器式架構，對 C 語言的相容性相當高，具有 32 個 8 位元、一般用途 (GP) 的暫存器 (圖 1)。

圖 1：megaAVR 微控制器採用 32 個 8 位元暫存器的架構，分別以 R0 至 R31 予以標記。這些暫存器也可定址為暫存器對，組成十六個 16 位元暫存器。(圖片來源：Microchip Technology)

GP 暫存器可組合成暫存器對，形成十六個 16 位元暫存器。最後三個暫存器對可選擇作為 16 位元位址暫存器 X、Y 與 Z 使用，實現間接的定址。

除了這些 GP 暫存器之外，megaAVR 還具有一個 16 位元的堆疊暫存器，以及一個 8 位元的狀態暫存器，可以說非常簡單。簡單到能以彙編語言進行編程 (「真正的編程工程師都用彙編語言進行編程」)。

不，您無法存取 megaAVR 中的程式計數器，所以請不要動它。

megaAVR 系列的典型範例即是 20 MHz 的 ATMEGA1609。這是一款相當容易使用的微控制器，具有 16 KB 的快閃記憶體、2 KB 的 RAM，以及 256 位元組的 EEPROM。大部份的指令都是單週期的。

圖 2：Microchip Technology 的 ATMEGA1609 是一款簡單、靈活、低功率的 8 位元微控制器，能夠在多種環境下工作。(圖片來源：Microchip Technology)

該元件具有一個 10 位元的類比數位轉換器 (ADC)、五個 16 位元計時器、一個即時時脈 (RTC)、多個低功率選項，以及一個雙週期的有號數／無號數硬體乘法器。

此外，megaAVR 還具有單週期的位元設定與位元清除指令，以及需要一到三個週期的位元測試指令。

熱愛 C 語言的開發人員，通常會忽視位元指令的重要性。事實上，原生的位元指令 (「我們需要原子指令」) 能大幅提升效能、減少程式碼大小、提升程式碼可讀性，讓您不再愁容滿面。

ATMEGA1609 所需的電源供應器頗具彈性，電壓介於 1.8 至 5.5 V 之間，工作溫度範圍為 -40°C 至 +125°C。寬廣的電源電壓及工作溫度範圍並非偶然。從設計角度來看，這款 8 位元微控制器旨在適應以及用於多種設計環境。「易用性」是其重點！

有時候，開發人員需要快速完成簡單的專案；8 位元的產品使用起來簡單、靈活，而且可靠耐用。這些都是不容忽視的特徵。