老工程師的技術生活(十一)---關於多核心MCU 的基本概念

我想來講講所謂多核心MCU 的一些基本概念，但說真的我也沒真正去研究過像

STM32 裡那些所謂雙核心或是其他高階多核心的MCU 東西。有機會我也會去試試看的。

但對於一些MCU 的基本概念，我想應該相去不遠吧。這也是許多MCU 的設計基本架構吧。

也不好意思，我大學不是念EE 或資電相關科系，所以學校教的所謂微處理器課程內容，

我也不知道，但我的確是從 8051 的基礎從組合語言開始玩起的。所以應該還是有點概念吧。

現在不管是 CISC 或 RISC 架構的MCU 來說：基本上都是從程式記憶體中去抓取程式碼，

然後藉由這些程式碼來解讀MCU 所理解的指令，來一一執行。然後依據指令來判斷是一般

計算、記憶體搬動或是I/O 控制等等來完成指令所交付的任務。我想這就一般的基本概念。

但接下來就大家各自發揮創意，來設計不同的抓取指令、解碼與執行的順序或方式，也就是

所謂 pipe-line 的方式。這部份我們就不再鑽研了。大家有興趣都可以去網路搜尋研究。

說坦白話：現在要設計一顆MCU 真的也不難啦，只不過設計MCU 就會牽涉到開發工具、

組譯平台架構與系統支援等等許多繁縟的後段工程支持。 涉及各路專業領域人馬的投入，

一開始肯定就是燒錢的投資與針對此MCU 系統新興市場的切入與支持投入。--- 不容易啊。

所以市面上可以大賣的 MCU 知名的大概也就大家所熟悉的那幾種。甚至也都號稱與某某

MCU 架構兼容或可取代性的。也都是為了省去上述後段的：開發平台工具的支持。

真的很辛苦的啦。以下就簡單地解說一下吧。

一顆MCU 基本運行需要那些控制架構(或參考依據)？基本上就是：

1. Program counter：這個就是讓CPU 知道自己已經執行到第幾行或到哪一行了。沒有這個

參考內容，CPU 肯定是跑飛了。

2. Stack pointer： 堆疊指標位置。因為CPU 在執行過程中，可能會碰到中斷、跳躍指令(Jump)

或是呼叫副程式(Call) 時，一定得先記得原先位置在哪？否則執行完這些分支(Branch) 指令

之後，就會回不來了。至於 Stack 要放在哪？用多少層記憶體管理，那就隨各家MCU 設計

公司自行決定了。

3. Accumulator ：累加器，這是CPU 運行的基本單元，不管是運算或記憶體搬動，都需要

一個基本的暫存器(register)，這個累加器就是它內部的基本配備了。至於還要多少額外的

暫存器設計，就看各家的設計概念，當然暫存器就是一個記憶體，越多的記憶體牽涉到的

就是基本設計與晶片製造成本了。

4. Flags： 旗標。只要是牽涉到運算的基本動作，就會產生所謂的溢位(Carry) 、零值(Zero)

或是所謂的正負號結果等等...所以這也是CPU 運行時所不可缺少的基本暫存器了。

---

然後至於其他那些所謂的一般暫存器、控制暫存器或是相關記憶體管理暫存器等等，

就是CPU 功能支持度來擴充增加而已。這些都是一些MCU 設計的消費額(就是成本啊。

也是一些功能支持能力，也會增加系統開發複雜度的)。所以依據這個基本架構想法，

我們就可以很簡單的設計很基本的CPU 了：

這個就是我當初所幫忙撰寫的多核心MCU 的IDE (Integrated Development Environment) 平台了。

上方那個就是Visual Studio 的開發環境，我們也可以看到所對應的 MCU 中的這四個基本

CPU 參數定義位置了。這也是我唯一寫過的Viusal Studio 的Mainframe 架構的軟體程式。

之前也完全沒有碰過：當初也不知道哪裡來的勇氣，一開始就挑戰這個東西。

當然之前也用過其他MCU 的IDE 平台，像是Microchip 或是Keil 。我必須承認：尤其是Keil

影響的成分比較多啦。所以在IDE 平台上就得要能夠查看MCU 的各項 Registers 或記憶體

內容。就會有所謂的各種視窗：Registers Window/Memory Window/Watch windows 等等。

我當初是用 Visual C++ 6 來寫的，這個VC6 版本壽命很久。網路上許多VC 參考程式，

幾乎都是從VC6 開始的。

不過，我現在都是用 Visual Studio 201x 版了，但重新編譯與組譯這個軟體，會出現許多

不相容的結果，這個絕對可以重新解掉所有的錯誤訊息，但已經沒那個必要了。

上圖就是可以由使用者自行查看任何 CPU 內的 SFR (Special Function Register) 內容。

大致上許多MCU 的開發平台都是如此這般的。

我要說的是：當你自己經常使用這些工具之後，你大概也會知道這類 IDE 工具在做甚麼的。

差別就是你要如何自己設計一個屬於自己的 IDE 工具平台。

但道理也很簡單：有沒有機會？或是有沒有老闆或資金讓你可以這樣子磨練一下。

不過，你也不用羨慕或想法，因為這些東西已經很成熟了，就算你不用這一種IDE 工具，

一般的 GCC 也都很好用的。現在許多年輕人搞不好還比較喜歡GCC 這套，因為簡易又

容易跨平台使用。可能只有我們這一種老人家或是比較笨、比較懶的人才會用這種IDE吧。

其實如果你是大老闆的話，也不用這麼辛苦，你也可以花一大筆錢想辦法跟Keil 或是IAR

這一類公司合作。產品形象也比較好，只是台灣許多老闆就是想省事、省錢吧。

所以我才有那個機會自我要求磨練一下吧。

---

有了這個基礎的四個CPU 控制參數(變量)之後，你就完成了一個很基礎的CPU 架構了。

這也是這個多核心中每一顆CPU 的基本元素了，也就是說每一顆CPU 都有自己獨立的

這四個基本元素。所以依此類推，若有八組這四個基本元素，你就可以說是八核心。

若有十六組的基本元素，你也就可說是十六核心了...當然啊，當核心數增加，所面臨的

晶片內部的複雜度也會增加，也當然也有其系統極限的。

(這個多核心是共用一組系統時脈(clock)的。所以當你核心數增加時，每顆CPU 能分到的

系統頻寬就越低....所以簡單來說：它就是一個硬體上固定的分時多工系統而已。)

至於系統的時脈(Clock) 、記憶體或匯流排(Bus) 要如何安排，就看各家CPU 公司的想法了。

但有一個非常現實的因素要考慮的是：設計之後的CPU 核心成本有多少？

功能強，你的CPU 的架構複雜，設計的邏輯電路多，所需的Gate Count 很多，這些在晶圓

上的製造成本都是嚴重的成本考量。當然太複雜的東西你的開發平台或系統驗證期也很長，

對於新創公司或團隊就是一種無形的成本壓力，簡單容易可以快速切入市場換現金的，

往往都是這些新創公司考量的第一要素：常常都是想說，當我先賺了第一桶金之後，

我就可以慢慢地擴充我 CPU 的功能與運算使用能力了。但其實這個就像人家說的：

當神木一落地了，就已經決定了他一生的命運了，因為也會成為市場、客戶與公司的工程

組織團隊的包袱了。往往都是技術以外的事情會阻礙下一代產品的命運。

我指的不光光只是這一家公司而已，而是台灣許多IC 設計公司都有這一種宿命，

你說台灣MCU 設計公司有沒有後續的 ARM based MCU 啊？但你有在市場聽到他們這些

32 bits MCU 有賣得像 STM32 嚇嚇叫嗎？stm32 賣到缺貨，天天喊漲價...人家為什麼還是

喜歡搞 stm32 兼容的MCU 啊？就是市場風向，也會影響這些公司的後段的業務與FAE 在

市場上操作問題啊。你是這些產品的工程人員，你會覺得你發展的潛力或機會在哪？

另外我稍微交代一下我參與的這個多核心的MCU 的後續工作：

其實以這個 多核心的MCU 的功能，以你對於一般MCU 系統設計有多一點經驗或工程能力

來說：說真的你隨便找一個高速或是懂得如何安排你系統的分時多工的設計架構，就可以

完全取代它了。(或是弄個FreeRTOS 在ARM MCU 平台上也可以。)真的不難。

差別的考量就是系統的設計成本，但一樣的道理：相對來說

他也是因為這樣的架構與產品市場的定位問題，也會限制他在系統設計的空間與機會。

我也可以直接說：一個簡單的 RISC 8 bit 的 AVR 可以做到這一點的。所以它在市場上的

唯一競爭優勢：也就是台灣廠商一貫的競爭策略 --- 殺價競爭而已。

(當初一開始時。老闆信誓旦旦地認為他一顆MCU 可賣多少錢，但實際後來市場價格

跟這個想法價格至少差了幾十倍以上。很無奈吧。這個就是殘酷的市場現實面啊。

因為每個來上班的業務，也不會管那麼多的核心技術問題，趕快出貨有業績比較重要吧。)

當然當他一出現在台灣市場上時，曾經一度炒了一下，但畢竟大家都是師出同源，

在產業裡也都算是近親繁殖的啦。所以當我當年一離開後，就有許多同業相關IC 設計公司

請我去"聊一聊"。有些人(公司)是想了解這是甚麼新奇的東西？有些公司就是想找我

可不可以也去幫忙一下弄一下IDE 開發平台或設計一下開發工具或相關軟體。

我至少跑了三四家相關MCU 的IC 設計公司，有的在新竹科學園區內、有的在竹北台元園區

還有是一些在新竹縣市的小巷弄內的.....有些公司的PM (產品企劃主管) 聽我稍微解釋一下

這個東西之後，也都覺得：還好了，也沒多大的驚奇之處。我說過了：你也別以為別人或

公司都是笨蛋，更何況大家過去都還是老同事、老同學的。

但不管如何，我都已經沒有那麼大的興趣了，寫這些IDE 軟體也讓我在PC 軟體的設計功力

大增，做一次可以，再做第二次就真的有點浪費生命了。有些公司還是不死心一直說服我，

但一來是為了競業條款。二來就真的已經沒那個心了。...搞了老半天的~我說：那乾脆我就

來個"不小心"把存有所原始碼資料的隨身碟給不小心地掉在路上，被你們撿到可不可以啊？

😂😂😂😂😂

大家也知道：這些東西一玩起來，沒有那個三、五年持續的維護著。怎麼會有成果呢？

---

我想我就很簡單的稍為交代一下所謂多核心 MCU 的基本概念，現在市場上不只八位元CPU，

就連 32 bits CPU 已也都已經發展到 N 核心了，也都非常成熟了，這也不是甚麼新奇的

玩意兒了。重點還是在於系統市場上的應用發展了。這當然也會牽涉到相對應公司與通路商

的資源投入，一開始，小打小鬧都沒啥多大問題，重點還是在於如何往後的永續發展吧。

但這是廣大市場與世界潮流的大方向趨勢，或是人家公司的經營方向，我無法置啄的。

對我來說：當然就是人生道路上的一段旅程而已：藉由這麼一次的因緣際會，可以好好

把自己在PC 軟體開發平台功力做一個提昇，也就是後來可以完成那個 CDI 系統平台。

也因此可以募資、開公司與參展得獎。再去第二家公司上班做一樣的工作內容，

也只不過繼續領一份餓不死的薪水而已。

當然後續也延伸了我在系統開發設計的廣度與深度，最重要的還是在於：奠定了

我往後可以完全自主獨立的系統開發能力，也包括了系統除錯、驗證或測試等等。

回首看看這樣子故事時，是不是也可以啟發各位讀者的一些想法。

我強調一下：我只是藉由一個產品的技術開發故事，分享一下個人職場生涯過程。

許多這類的故事，一人一生能寫也不多了，希望對於許多年輕人想透過這樣的經驗與

故事，可以多參考看看，也可以為自己未來的人生有更一步更清楚明白的規劃與做法。

祝福各位。