谁会买树莓派的MCU

半导体行业观察 10-07 2730

前言：

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来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）编译自eejournal，谢谢。

包括 TI、NXP、STMicroelectronics、Microchip 等在内的许多半导体供应商都在微控制器市场上占有一席之地。与几乎所有半导体利基市场一样，几十年来，微控制器变得越来越大。在 1970 年代，出现了用于 VCR 和其他简单消费电子产品的 4 位微控制器。有大量的 8 位微控制器，紧随其后的是 16 位微控制器。摩托罗拉半导体（后来更名为飞思卡尔，最终被 NXP 收购）开发了 6801、6805、68705、68HC08、68HC11、68HC12 和 68HC16 微控制器系列，每个系列都有数百种变体。如今，32 位微控制器非常普遍。

摩托罗拉半导体在微控制器制造商中绝非独一无二。每个芯片供应商的微控制器变体似乎都像兔子一样激增，每个微控制器供应商都提供了自己专有的架构风格——或多种风格。瑞萨电子于 2002 年成立时，整合了一系列源自日立、三菱和最终 NEC 的日本微控制器架构。

随后，Arm 开始进军微控制器市场，并在十年左右的时间里，将所有这些专有的微控制器处理器架构推向了市场。

微控制器不是迷人的部件。它们不是用最新的光刻技术制成的。它们不需要特殊的封装或小芯片组装。它们不会需要 100 瓦功率。鉴于此，您可能会认为它们不是硅动物园的关键部分。但是，微控制器是硅生态的关键成员。

当我在去年 10 月写“芯片短缺需要多长时间才能缓解？” 时，我特意选择了一张福特皮卡浩瀚的海洋散布在风景中的照片，作为短缺的典型快照。那些卡车正在等待微控制器。微控制器是处理器世界的主力。

现在，全球迎来了一家新的微控制器供应商，它想要你的生意。此外，它手头有足够的半导体芯片来生产 2000 万个零件。您很可能听说过该供应商。这是树莓派。他们已经准备好通过Raspberry Pi Direct向你出售芯片。当你购买一卷时（每卷 3400 个芯片），售价是 70 美分。如果你只想要一个？价格将是一块钱。

Raspberry Pi 已将其微控制器命名为 RP2040。它与该公司去年推出的 Raspberry Pi Pico 板上的微控制器相同。已经有一个软件开发生态系统，包括一个 IDE、一个 C/C++ 编译器、一个 MicroPython 解释器和一个围绕这个“新”微控制器构建的 TensorFlow Lite 机器学习框架。该公司已售出 150 万块 Pico 板。这就是您对 Raspberry Pi 的期望。

一美元能买到多少微控制器？（你没有得到多少？）非常值得一看。

这是 Raspberry Pi RP2040 微控制器的框图：

首先，我必须说这个。你会花很多钱买到很多微控制器。这是一个 32 位双核微控制器，具有 264 KB 的片上 RAM 和微控制器中常见的各种出色的外围设备。注意你没有得到什么也很重要。有一个片上 Flash EEPROM，所以程序代码需要在断电时存储在其他地方。与其他具有用于程序和数据存储的片上闪存的微控制器相比，这似乎带来了很大的不便，但它确实允许您在使用 8 引脚 NAND 闪存 SOIC 的设计中放入大量程序存储器。不利的一面是，闪存芯片的成本可能高于微控制器。

RP2040 可以直接从其内部 RAM 或通过专用 SPI、DSPI 或 QSPI 接口连接的外部存储器（RAM 或 ROM）执行代码。根据手册，当从外部存储器执行代码时，小型指令缓存提高了“典型应用程序”的代码执行速度。此外，RP2040 没有内置以太网或无线功能。尽管有这些限制，但这是一款功能非常强大的设备。

从设计和公司的营销材料中可以明显看出，Raspberry Pi 开发了 RP2040 微控制器以用作更快、更强大的处理器，否则您可能会使用 Arduino。如果我在 Raspberry Pi 从事营销工作，我可能会放弃“强大”这个词。

RP2040 微控制器的核心是核心处理器，它基于一对能够以 133 MHz 的速度运行的 Arm Cortex-M0+ 处理器内核。这些是 32 位微处理器内核，使用 Arm Thumb 压缩指令集实现卓越的代码密度。重要的一点：这些处理器内核没有 L0 指令缓存，因此在从片上 RAM 执行代码时，指令周期时间是确定的。在许多微控制器应用中，您需要这种确定性来进行精确的 I/O 控制。过去，所有微控制器都具有确定的指令周期时间，但时代已经改变。RP2040 在这一点上是老派。

RP2040 中的 Arm Cortex-M0+ 处理器内核还有一个值得注意的特性：它们具有硬件乘法器。如果您的应用程序需要任何数量的数学计算，这是一个重要的功能。它对于机器学习应用程序也非常方便。

RP2040 的外设包括：

两个 UART

两个 SPI 控制器

两个 I2C 控制器

十六个 PWM 通道

具有主机和设备支持的 USB 1.1 控制器和 PHY

两个 PIO 块

您应该熟悉这些外围设备中的大多数，但最后一项，PIO 块，可能不是。两个 PIO 单元中的每一个都是一个小型 I/O 控制器，由八个单向 FIFO 存储器（四个输入和四个输出）、四个复杂状态机、一个由四个状态机共享的 32 入口指令存储器和一个中断控制器组成. 四个状态机同时执行 PIO 单元的共享指令存储器中的程序。只有 9 条 PIO 指令，并且 Raspberry Pi 将 PIO 汇编器集成到 RP2040 微控制器的 SDK 中。

PIO 单元的 FIFO 存储器对在 PIO 和 RP2040 微控制器系统的其余部分之间传输的数据进行排队。GPIO 引脚映射逻辑允许每个状态机观察和操作多达 30 个 GPIO 引脚。

您可以使用这些 PIO 单元做什么？它们可用于生成精确的波形，并且可以支持各种现有的 I/O 标准，包括：

模拟 8080 和 6800 并行总线协议：

I2C

3针I2S

SDIO

SPI、DSPI、QSPI

UART

DPI 或 VGA（使用电阻 DAC）

PIO 编程可以由人类程序员直接组装，从 Raspberry Pi 的 PIO 库中提取，或由应用软件以编程方式生成。我确信在这些 PIO 单位周围会成长出一批狂热的追随者。

Raspberry Pi 的 Pico 板售价 4 美元，可从包括Adafruit Industries在内的多家供应商处购买。

Adafruit 还提供自己的开发板Black Adafruit Feather RP2040，售价 11.95 美元。