從單片機誕生到MCU全球超級明星榜

目前，全球MCU呈百花齊放趨勢，歐、美、日、臺均表現(xiàn)出眾。中國作為全球最大的芯片銷售國，每年消耗掉的MCU數(shù)量占據(jù)全球市場總量的70%左右，然而由中國芯片廠家直接生產的MCU芯片卻鳳毛麟角，并且絕大部分仍處于低端的4/8位MCU芯片階段。不過，國內還有宏晶、兆易創(chuàng)新等企業(yè)在MCU高端領域發(fā)力，未來還是值得期許的！

　　MCU是什么呢？其實，MCU就是我們日常生活中所用的單片機簡稱MCU。它集成了內處理器（CPU）、存儲器（RAM、ROM）、計數(shù)器、以及I/O端口為一體的一塊集成芯片。在此硬件電路基礎上，將要處理的數(shù)據(jù)、計算方法、步驟、操作命令編制成程序，存放于MCU內部或外部存儲器中，MCU在運行時能自動地、連續(xù)地從存儲器中取出并執(zhí)行。

　　MCU發(fā)展簡史

　　1975年，美國德州儀器公司（TI）首次推出4位單片機——TMS-1000，標志著單片機正式誕生。

　　1976年，Intel公司研制出了MCS-48系列8位單片機，使單片機的發(fā)展進入了一個新階段。MCS-48系列單片機內部集成了8位CPU、多個并行I/O口、8位定時器/計數(shù)器、小容量的RAM和ROM。當時還沒有串行通信接口，操作相對簡單。

　　1980年，Intel公司在MCS-48系列單片機的基礎上，推出了MCS-51系列8位高檔單片機，這就是當前大名鼎鼎的“51單片機”的祖先。MCS-51系列單片機比MCS-48系列單片機有明顯提高，內部增加了串行通信接口。MCS-51系列單片機因其性能可靠、簡單實用、性價比高深受歡迎，被譽為“最經典的單片機”。據(jù)悉，全球各大高校的單片機教材均使用了MCS-51系列8位單片機為教程內容。

　　1983年，16位單片機正式問世，不過由于性價比并不理想，遂未得到普及。16位單片機主要被應用于復雜的控制系統(tǒng)以及早期的嵌入系統(tǒng)。

　　90年代之后，集成電路技術高速發(fā)展，32位單片機應運而生，嵌入式系統(tǒng)因此得到大力推廣。就在32位單片機大舉入侵市場之時，8位單片機將被32位單片機取代的聲音一時甚囂塵上。不過，也有業(yè)內人士表示，未來8位和32位將以互補性的組合占據(jù)MCU領域，而16位產品面對8位和32位MCU的“雙向夾擊”，或將逐步走向消亡。

　　MCU原理

　　MCU同溫度傳感器之間通過I2C總線連接。I2C總線占用2條MCU輸入輸出口線，二者之間的通信完全依靠軟件完成。溫度傳感器的地址可以通過2根地址引腳設定，這使得一根I2C總線上可以同時連接8個這樣的傳感器。MCU需要訪問傳感器時，先要發(fā)出一個8位的寄存器指針？然后再發(fā)出傳感器的地址，（7位地址，低位是WR信號）。傳感器中有3個寄存器可供MCU使用，8位寄存器指針就是用來確定MCU究竟要使用哪個寄存器的。主程序會不斷更新傳感器的配置寄存器，這會使傳感器工作于單步模式，每更新一次就會測量一次溫度。

　　MCU結構與組成

　?、瘢褐醒胩幚砥鰿PU，包括運算器、控制器和寄存器組。是MCU內部的核心部件，由運算部件和控制部件兩大部分組成。前者能完成數(shù)據(jù)的算術邏輯運算、位變量處理和數(shù)據(jù)傳送操作，后者是按一定時序協(xié)調工作，是分析和執(zhí)行指令的部件。

　?、颍捍鎯ζ?，包括ROM和RAM。ROM程序存儲器，MCU的工作是按事先編制好的程序一條條循序執(zhí)行的，ROM程序存儲器即用來存放已編的程序（系統(tǒng)程序由制造廠家編制和寫入）。存儲數(shù)據(jù)掉電后不消失。ROM又分為片內存儲器和片外（擴展）存儲器兩種。

　　RAM數(shù)據(jù)存儲器，在程序運行過程中可以隨時寫入數(shù)據(jù)，又可以隨時讀出數(shù)據(jù)。存儲數(shù)據(jù)在掉電后不能保持。

　?、螅狠斎?、輸出I/O接口，與外部輸入、輸出（電路）設備相連接。PO/P1/P2/P3等數(shù)字I/O接口，內部電路含端口鎖存器、輸出驅動器和輸入緩沖器等電路。其中PO為三態(tài)雙向接口，P1/P2/P3數(shù)字I/O端口，內部驅動器為“開路集電極”輸出電路，應用時內部或外部電路接有上拉電阻。每個端口均可作為數(shù)字信號輸入或輸出口，并具有復用功能（指端口功能有第一功能、第二功能甚至數(shù)個功能，在應用中可靈活設置）。

　　MCU器件，除數(shù)字I/O端口外，還有ADC模擬量輸入、輸出端口，輸入信號經內部A/D轉換電路，變換為數(shù)字（頻率）信號，再進行處理;對輸出模擬量信號，則先經D/A轉換后，再輸出至外部電路。

　　MCU主要分類

　　MCU按其存儲器類型可分為無片內ROM型和帶片內ROM型兩種。對于無片內ROM型的芯片，必須外接EPROM才能應用（典型芯片為8031）。帶片內ROM型的芯片又分為片內EPROM型（典型芯片為87C51）、MASK片內掩模ROM型（典型芯片為8051）、片內FLASH型（典型芯片為89C51）等類型；按用途分為通用型和專用型；根據(jù)數(shù)據(jù)總線的寬度和一次可處理的數(shù)據(jù)字節(jié)長度可分為8、16、32位MCU。

　　MCU主要應用領域

　　目前，國內MCU應用市場最為廣泛的是消費電子領域，其次是計算機與外設和汽車電子市場。

　　消費電子，包括家用電器、電視、游戲機及音視頻系統(tǒng)等；

　　工業(yè)領域，包括智能家居、自動化、醫(yī)療應用及能源生成與分配；

　　汽車領域，包括汽車動力總成和安全控制系統(tǒng)。

　　MCU未來市場趨勢

　　1、后來居上，32位MCU將成主流。

　　據(jù)ICInsights市場研究報告顯示，2015年全球MCU市場規(guī)模達到168億美元，出貨量255億顆。對于32位MCU市場而言，2015年是具有重大標志性意義的一年，全球32位MCU出貨量超過4/8位MCU與16位MCU出貨量的總和，而且未來幾年應該會保持30%左右的高速增長。

　　在物聯(lián)網(wǎng)應用中，很多場合不僅需要實現(xiàn)機械化向電磁化、智能化的轉變，而且還要考慮可靠的連接性、安全性和保護性，所有這些功能的實現(xiàn)都需要MCU的參與，因此32位MCU會是物聯(lián)網(wǎng)應用的主流。

　　2、MCU大整合將成未來發(fā)展新趨勢。

　　隨著智能設備、物聯(lián)網(wǎng)等產業(yè)的快速發(fā)展，無線RF、傳感器、電源管理等搭配MCU成為一種新趨勢。高度整合的MCU不僅可以方便客戶開發(fā)產品，并且可減少印刷電路板的占用空間，從而能夠降低一部分成本，將來非常具有市場潛力。

　　3、ARM核心與專用核心MCU，短期內難分伯仲。

　　從MCU整體發(fā)展看，專有核心MCU仍保持著強大競爭優(yōu)勢，兩大國際廠商瑞薩和Microchip還在堅守自己的核心，并未轉向開發(fā)ARM核心MCU，這是因為專有核心MCU在相關應用領域有長期積累，在軟硬件開發(fā)和支持都很成熟。從短期來看，專有核心MCU仍會保持增長。但專有核MCU也存在瓶頸，比如很難實現(xiàn)跨領域推廣，開發(fā)工具成本要比ARM核高，而且支持力度要比ARM核小，二者未來長期發(fā)展狀況將如何呈現(xiàn)，將有待觀察。

　　MCU全球超級明星榜

　　1、STM32系列

　　由意法半導體推出的STM32系列單片機，在業(yè)內赫赫有名。這是一款性價比超高，功能超強的單片機。2016年初，STM32全球出貨已破16億顆大關，相當于每秒就有20顆被出售，產值超過了STM8。意法半導體方面表示，2019財年意法半導體MCU在中國市場的市占率要達到20%，STM32則是其首要武器。

　　STM32系列家族主要有：STM32 F0、STM32 F1、STM32 F2、STM32 F3、STM32 F4、STM32 L0、STM32 L1、STM32T、STM32W等。其劃分標準：從內核上分，可分為：Cortex-M0/-M0+、Cortex-M3、Cortex-M4，以及Cortex-M7。從應用上分，大體分為：超低功耗型、主流型、高性能型。

　　2、PIC系列

　　PIC系列單片機是美國微芯公司（Microship）推出的產品，該系列單片機不是單純的功能堆積，而是以多型號來滿足不同層次的需要，并可提供低價的OTP芯片。另外，該系列單片機還具有低功耗睡眠功能、掉電復位鎖定、上電復位電路、看門狗電路等功能，而且外圍器件少、占用空間?。怀杀镜?，保密技術也十分可靠，可最大限度地保護開發(fā)者的利益。因此，在工業(yè)控制、儀器儀表、計算機、家電等諸多領域具有極其廣闊的發(fā)展前景。

　　3、51系列

　　作為入門級別的51單片機，最早由Intel推出，主要有8031、8051系列。由于其典型的結構和完善的總線專用寄存器的集中管理，眾多的邏輯位操作功能及面向控制的豐富的指令系統(tǒng)，堪稱為一代“經典”，為以后的其它單片機的發(fā)展奠定了基礎。后來Atmel以8051內核為基礎推出了AT89系列單片機。

　　4、TMS系列

　　TMS系列單片機，是由德州儀器推出的8位CMOS單片機。具有多種存儲模式、多種外圍接口模式，適用于復雜的實時控制場合。其低工作功耗CMOS技術，寬工作溫度范圍，噪聲抑制，再加上高性能和豐富的片上外設功能，使TMS370C系列單片機被廣泛應用于汽車電子，工業(yè)電機控制，電腦，通信和消費類電子等領域。

　　5、MSP430系列

　　MSP430系列單片機是德州儀器1996年開始推向市場的一種16位超低功耗的混合信號處理器。主要是由于其針對實際應用需求，把許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一個芯片上，以提供“單片”解決方案。因其低功耗，速度快，指令少，匯編語言靈活等特性，頗受業(yè)內好評。

　　其他如Atmel的AVR系列、Freescal的MC系列、麥肯的MDT系列等都非常優(yōu)秀且被廣泛應用，在此就不一一贅述了。