低成本 MCU 并不等同于低价值 MCU。对于灯光控制、定时器、按键管理和小型电池产品而言，最合适的处理器往往不是资源最多的那颗，而是能够在功耗、可靠性、开发难度与生产成本之间实现平衡的那颗。

01为什么工程师仍在研究低成本 8 位 MCU？

复杂处理器适合数据处理、丰富协议和高性能运算，但很多嵌入式产品只需要稳定完成有限的控制任务。选择 PFS154，首先考虑的是可反复编程的 MTP 特性和器件的可获取性，而非追求更高性能。文中还引用了 2019 年关于“3 美分 MCU”的调查，说明超低成本器件长期受到硬件社区关注。

实验资料图：对高性能 SAM S70 与 PFS154 的功能资源进行并列对比，强调“按任务需求选择硬件”的思路。

该图并不表示两者存在直接的价格或性能可替换关系。PFS154 适合低资源控制应用，而 SAM S70 面向完全不同的算力和外设需求。评估应从产品功能清单出发，而不是简单比较数据手册厚度。

02PFS154 的资源配置：明确“有”与“没有”

根据应广官方 PFS154 产品页面和 Free PDK 器件表，PFS154 为 PDK14 指令架构的 8 位 MCU，配备 MTP 程序存储器和 128 字节 RAM。它具备定时器、PWM 和比较器资源，但没有内置通用 ADC。这对传感器、模拟电压检测和成本控制方案很关键。

03实验 PCB：先把验证问题变简单

围绕 PFS154-S14 制作了专用实验板。硬件设计没有急于追求最小 PCB 面积，而是保留了电源接入、功能测试、引脚访问和编程接口。这是典型的“实验方便优先、量产缩减随后”的开发路径。

实验资料图：组装的蓝色 PFS154 实验 PCB，包含测试连接点、按键与编程相关结构。

原板照片说明，开发验证要考虑的不只是 MCU 本身：编程触点、焊接空间、供电稳定性和测试辅助接口，同样影响开发效率。正式量产设计则可以根据需要移除多余测试点，并优化治具结构。

实验资料图：实验板连接烧录器后的接线示例。此图仅展示该实验的装配状态，不可替代正式引脚定义与编程接口表。

实验资料图：搭建完成后的实验装置全景，可观察实验板、电缆和烧录器的位置关系。

04开发工具链：官方 Writer 与 Free PDK 有何区别？

选用 Free PDK，主要因为它支持基于 SDCC 的 C 语言开发和开放的硬件工具。Free PDK 是独立开发的开源项目，与应广官方 Padauk Developer Studio / Writer 属于不同的软件工具链。

Free PDK 官方文档明确指出：SDCC 构建的二进制不能直接用应广官方烧录器写入。工具链应在立项阶段就明确，并通过真实硬件验证编译、烧录与测试路径。

烧录命令（开源工具链）

BASH · Easy PDK Programmer

# 以下为 2022 年 LED 项目的命令形式
# 需要事先正确安装并连接 Easy PDK Programmer

easypdkprog --icname=PFS154 write firmware.hex

# firmware.hex 为示例文件名，需换成自己的固件。

命令形式参考 2022 年 LED 项目。设备识别、编程电压、驱动安装、固件与器件版本应逐项验证；不能仅凭命令执行无报错就认定量产合格。

05后续实验：能否依靠两组时钟制造真随机数？

研究没有停在“芯片可以烧录”。随后提出一个更有挑战的问题：PFS154 没有通用 ADC，能否利用内部两组时钟的计数差异，构建一个真正的随机数源（TRNG）？

结构示意图：实验思路为 IHRC 提供高速计数，ILRC 参与低速时基，低频中断读取计数器位并通过串行方式输出。

记录的典型条件包括 IHRC 约 16MHz、ILRC 约 54kHz，以及经过分频后约 1.6Hz 的低速中断。这样每次中断采 1 位，要累积 8 位才能形成 1 字节。

这意味着输出速率极低。然而即使速度慢，序列是否具有足够随机性仍是独立问题。不同频率的时钟并不能自动保证彼此完全独立，更不能单靠数据位的变化就证明它是可靠熵源。

实验资料图：实验示波/时序截图，画面测得约 1.553Hz 的低速输出。测量条件来自该实验，不是芯片的固定运行值。

06代码：计数器位采集与 PC 数据分析

在中断中读取高速定时器的指定二进制位，累计 8 次后形成一个字节。下列 C 代码是为了说明这一过程而重新编写的教学片段，不是复制完整固件，也不包含 PFS154 的寄存器初始化与真实 UART 驱动。

C · 采样逻辑示意（非可直接烧录程序）

#include 

/* 原理示例：从高速计数器取 1 bit，拼成 8-bit 输出。
   不包含 PFS154 定时器、中断和 UART 的初始化。 */
static volatile uint8_t byte_accumulator = 0;
static volatile uint8_t sample_index = 0;
static volatile uint8_t output_data = 0;
static volatile uint8_t output_ready = 0;
static volatile uint16_t overrun_count = 0;

/* 由低速定时器中断服务程序在确认中断来源后调用 */
void sample_fast_timer(uint8_t fast_count)
{
    uint8_t bit = (fast_count >> 1) & 0x01u;
    byte_accumulator |= (uint8_t)(bit << sample_index);
    sample_index++;

    if (sample_index == 8u) {
        if (output_ready == 0u) {
            output_data = byte_accumulator;
            output_ready = 1u;
        } else {
            overrun_count++;
        }
        byte_accumulator = 0u;
        sample_index = 0u;
    }
}

/* 主循环读取 output_data 前，应屏蔽相关中断，
   或在具有一致性保证的临界区中读取并清除 output_ready。 */

如何检查采集的二进制数据？

如果已经将 MCU 输出保存成 serialdump_round2.bin，可以先用 Python 检查位频率，再做更深入的统计测试。

PYTHON 3 · 简单位分布检查

from pathlib import Path

raw = Path("serialdump_round2.bin").read_bytes()
if not raw:
    raise SystemExit("输入文件为空")

n_bits = len(raw) * 8
n_ones = sum(b.bit_count() for b in raw)
ratio = n_ones / n_bits

print(f"字节数: {len(raw):,}")
print(f"比特数: {n_bits:,}")
print(f"1 比例: {ratio:.4%}")
print(f"0 比例: {1-ratio:.4%}")
print(f"偏离 50%: {abs(ratio-0.5):.4%}")

# 注意：位比例接近 50% 并不能证明真随机。
# 还需要自相关、运行长度、最小熵与多环境测试。

这个统计只揭示 0、1 的总体比例。即使结果非常接近 50%，也不能证明不存在相关性、周期结构或其他不可预测性问题。

统计测试命令

BASH · dieharder

dieharder -g 201 -f serialdump_round2.bin -a

使用 dieharder 进行多项随机性检测，实验结果中大部分项目失败。由于样本相对有限，dieharder 多次复读输入文件，一部分指标解释需要谨慎；但原始分布的不均匀性已经构成明显问题。

07实验结论：随机数测试没有成功

这部分必须按事实描述：尝试从两组片内时钟之间获取抖动随机性，但结果未表现出合格随机序列的统计特征。通过调整采样方式，仍没有获得可靠结论。

因此，这一案例的正确结论不是“PFS154 可用于安全随机数生成”，而是片内时钟抖动采样存在方法论风险。即使某一组统计数据看起来较好，也不能直接用于密钥生成或其他安全相关应用。

08延伸项目：PFS154 在电池 LED 产品中的应用

后续项目将 PFS154 用于 2022 年电子贺卡，替换此前版本中的 ATtiny10。此类 LED、小型电池设备与低成本 MCU 的典型目标场景更接近，因为它主要关心有限 I/O、PWM 控制、待机功耗和程序结构。

项目原理图：2022 年电子贺卡的电池、PFS154、LED 及唤醒按钮电路示意。线路中 R1/R2/R3 位置需结合实际 BOM 与说明核对。

以上电流为特定电路和固件下的测量值，不能作为 PFS154 所有配置下的通用能耗承诺。

曾讨论过利用低驱动能力配置控制 LED 电流，但这不是任何 LED 场合都可以省去限流设计的依据。工程中仍需核对 LED 正向电压、I/O 端口电流限制、器件公差和功耗情况。

09型号比较与量产：别只盯住单颗价格

PFS154 并非所有简单控制产品的唯一答案。将 MTP 与 OTP、不同程序容量、I/O 与模拟资源进行并排比较，能更快识别各型号的适用边界。

推荐的六步选型流程

1. 列出功能与 I/O 清单：包含按键、PWM、定时、比较器/ADC、低功耗唤醒等资源。
2. 核对引脚复用与封装：保证各外设功能能够在实际封装上同时运行。
3. 先验证开发环境：明确 Mini-C 官方工具链或 Free PDK；避免临近量产才发现烧录不兼容。
4. 做时钟、电源与抗干扰测试：检查上电、欠压、温度变化、看门狗和异常状态。
5. 验证烧录节拍和治具：核算写入时间、校验结果、工站错误率以及序列号追溯。
6. 比较总体成本：从单颗芯片扩展到 BOM、PCB、编程、测试和良率成本。

 

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