從單片機(jī)誕生到MCU全球超級(jí)明星榜

目前，全球MCU呈百花齊放趨勢(shì)，歐、美、日、臺(tái)均表現(xiàn)出眾。中國(guó)作為全球最大的芯片銷售國(guó)，每年消耗掉的MCU數(shù)量占據(jù)全球市場(chǎng)總量的70%左右，然而由中國(guó)芯片廠家直接生產(chǎn)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(guó)內(nèi)還有宏晶、兆易創(chuàng)新等企業(yè)在MCU高端領(lǐng)域發(fā)力，未來還是值得期許的！

　　MCU是什么呢？其實(shí)，MCU就是我們?nèi)粘Ｉ钪兴玫膯纹瑱C(jī)簡(jiǎn)稱MCU。它集成了內(nèi)處理器（CPU）、存儲(chǔ)器（RAM、ROM）、計(jì)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(chǔ)上，將要處理的數(shù)據(jù)、計(jì)算方法、步驟、操作命令編制成程序，存放于MCU內(nèi)部或外部存儲(chǔ)器中，MCU在運(yùn)行時(shí)能自動(dòng)地、連續(xù)地從存儲(chǔ)器中取出并執(zhí)行。

　　MCU發(fā)展簡(jiǎn)史

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

　　1976年，Intel公司研制出了MCS-48系列8位單片機(jī)，使單片機(jī)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新階段。MCS-48系列單片機(jī)內(nèi)部集成了8位CPU、多個(gè)并行I/O口、8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、小容量的RAM和ROM。當(dāng)時(shí)還沒有串行通信接口，操作相對(duì)簡(jiǎn)單。

　　1980年，Intel公司在MCS-48系列單片機(jī)的基礎(chǔ)上，推出了MCS-51系列8位高檔單片機(jī)，這就是當(dāng)前大名鼎鼎的“51單片機(jī)”的祖先。MCS-51系列單片機(jī)比MCS-48系列單片機(jī)有明顯提高，內(nèi)部增加了串行通信接口。MCS-51系列單片機(jī)因其性能可靠、簡(jiǎn)單實(shí)用、性價(jià)比高深受歡迎，被譽(yù)為“最經(jīng)典的單片機(jī)”。據(jù)悉，全球各大高校的單片機(jī)教材均使用了MCS-51系列8位單片機(jī)為教程內(nèi)容。

　　1983年，16位單片機(jī)正式問世，不過由于性價(jià)比并不理想，遂未得到普及。16位單片機(jī)主要被應(yīng)用于復(fù)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(shù)高速發(fā)展，32位單片機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，嵌入式系統(tǒng)因此得到大力推廣。就在32位單片機(jī)大舉入侵市場(chǎng)之時(shí)，8位單片機(jī)將被32位單片機(jī)取代的聲音一時(shí)甚囂塵上。不過，也有業(yè)內(nèi)人士表示，未來8位和32位將以互補(bǔ)性的組合占據(jù)MCU領(lǐng)域，而16位產(chǎn)品面對(duì)8位和32位MCU的“雙向夾擊”，或?qū)⒅鸩阶呦蛳觥?/p>

　　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(shè)定，這使得一根I2C總線上可以同時(shí)連接8個(gè)這樣的傳感器。MCU需要訪問傳感器時(shí)，先要發(fā)出一個(gè)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(hào)）。傳感器中有3個(gè)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(gè)寄存器的。主程序會(huì)不斷更新傳感器的配置寄存器，這會(huì)使傳感器工作于單步模式，每更新一次就會(huì)測(cè)量一次溫度。

　　MCU結(jié)構(gòu)與組成

　　Ⅰ：中央處理器CPU，包括運(yùn)算器、控制器和寄存器組。是MCU內(nèi)部的核心部件，由運(yùn)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(shù)邏輯運(yùn)算、位變量處理和數(shù)據(jù)傳送操作，后者是按一定時(shí)序協(xié)調(diào)工作，是分析和執(zhí)行指令的部件。

　　Ⅱ：存儲(chǔ)器，包括ROM和RAM。ROM程序存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)數(shù)據(jù)掉電后不消失。ROM又分為片內(nèi)存儲(chǔ)器和片外（擴(kuò)展）存儲(chǔ)器兩種。

　　RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，在程序運(yùn)行過程中可以隨時(shí)寫入數(shù)據(jù)，又可以隨時(shí)讀出數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)在掉電后不能保持。

　　Ⅲ：輸入、輸出I/O接口，與外部輸入、輸出（電路）設(shè)備相連接。PO/P1/P2/P3等數(shù)字I/O接口，內(nèi)部電路含端口鎖存器、輸出驅(qū)動(dòng)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(nèi)部驅(qū)動(dòng)器為“開路集電極”輸出電路，應(yīng)用時(shí)內(nèi)部或外部電路接有上拉電阻。每個(gè)端口均可作為數(shù)字信號(hào)輸入或輸出口，并具有復(fù)用功能（指端口功能有第一功能、第二功能甚至數(shù)個(gè)功能，在應(yīng)用中可靈活設(shè)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(hào)經(jīng)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換電路，變換為數(shù)字（頻率）信號(hào)，再進(jìn)行處理;對(duì)輸出模擬量信號(hào)，則先經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后，再輸出至外部電路。

　　MCU主要分類

　　MCU按其存儲(chǔ)器類型可分為無片內(nèi)ROM型和帶片內(nèi)ROM型兩種。對(duì)于無片內(nèi)ROM型的芯片，必須外接EPROM才能應(yīng)用（典型芯片為8031）。帶片內(nèi)ROM型的芯片又分為片內(nèi)EPROM型（典型芯片為87C51）、MASK片內(nèi)掩模ROM型（典型芯片為8051）、片內(nèi)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(zhǎng)度可分為8、16、32位MCU。

　　MCU主要應(yīng)用領(lǐng)域

　　目前，國(guó)內(nèi)MCU應(yīng)用市場(chǎng)最為廣泛的是消費(fèi)電子領(lǐng)域，其次是計(jì)算機(jī)與外設(shè)和汽車電子市場(chǎng)。

　　消費(fèi)電子，包括家用電器、電視、游戲機(jī)及音視頻系統(tǒng)等；

　　工業(yè)領(lǐng)域，包括智能家居、自動(dòng)化、醫(yī)療應(yīng)用及能源生成與分配；

　　汽車領(lǐng)域，包括汽車動(dòng)力總成和安全控制系統(tǒng)。

　　MCU未來市場(chǎng)趨勢(shì)

　　1、后來居上，32位MCU將成主流。

　　據(jù)ICInsights市場(chǎng)研究報(bào)告顯示，2015年全球MCU市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到168億美元，出貨量255億顆。對(duì)于32位MCU市場(chǎng)而言，2015年是具有重大標(biāo)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(yīng)該會(huì)保持30%左右的高速增長(zhǎng)。

　　在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，很多場(chǎng)合不僅需要實(shí)現(xiàn)機(jī)械化向電磁化、智能化的轉(zhuǎn)變，而且還要考慮可靠的連接性、安全性和保護(hù)性，所有這些功能的實(shí)現(xiàn)都需要MCU的參與，因此32位MCU會(huì)是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的主流。

　　2、MCU大整合將成未來發(fā)展新趨勢(shì)。

　　隨著智能設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)等產(chǎn)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(shì)。高度整合的MCU不僅可以方便客戶開發(fā)產(chǎn)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(chǎng)潛力。

　　3、ARM核心與專用核心MCU，短期內(nèi)難分伯仲。

　　從MCU整體發(fā)展看，專有核心MCU仍保持著強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，兩大國(guó)際廠商瑞薩和Microchip還在堅(jiān)守自己的核心，并未轉(zhuǎn)向開發(fā)ARM核心MCU，這是因?yàn)閷Ｓ泻诵腗CU在相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域有長(zhǎng)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(huì)保持增長(zhǎng)。但專有核MCU也存在瓶頸，比如很難實(shí)現(xiàn)跨領(lǐng)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(zhǎng)期發(fā)展?fàn)顩r將如何呈現(xiàn)，將有待觀察。

　　MCU全球超級(jí)明星榜

　　1、STM32系列

　　由意法半導(dǎo)體推出的STM32系列單片機(jī)，在業(yè)內(nèi)赫赫有名。這是一款性價(jià)比超高，功能超強(qiáng)的單片機(jī)。2016年初，STM32全球出貨已破16億顆大關(guān)，相當(dāng)于每秒就有20顆被出售，產(chǎn)值超過了STM8。意法半導(dǎo)體方面表示，2019財(cái)年意法半導(dǎo)體MCU在中國(guó)市場(chǎng)的市占率要達(dá)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(biāo)準(zhǔn)：從內(nèi)核上分，可分為：Cortex-M0/-M0+、Cortex-M3、Cortex-M4，以及Cortex-M7。從應(yīng)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(jī)是美國(guó)微芯公司（Microship）推出的產(chǎn)品，該系列單片機(jī)不是單純的功能堆積，而是以多型號(hào)來滿足不同層次的需要，并可提供低價(jià)的OTP芯片。另外，該系列單片機(jī)還具有低功耗睡眠功能、掉電復(fù)位鎖定、上電復(fù)位電路、看門狗電路等功能，而且外圍器件少、占用空間小；成本低，保密技術(shù)也十分可靠，可最大限度地保護(hù)開發(fā)者的利益。因此，在工業(yè)控制、儀器儀表、計(jì)算機(jī)、家電等諸多領(lǐng)域具有極其廣闊的發(fā)展前景。

　　3、51系列

　　作為入門級(jí)別的51單片機(jī)，最早由Intel推出，主要有8031、8051系列。由于其典型的結(jié)構(gòu)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(jīng)典”，為以后的其它單片機(jī)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。后來Atmel以8051內(nèi)核為基礎(chǔ)推出了AT89系列單片機(jī)。

　　4、TMS系列

　　TMS系列單片機(jī)，是由德州儀器推出的8位CMOS單片機(jī)。具有多種存儲(chǔ)模式、多種外圍接口模式，適用于復(fù)雜的實(shí)時(shí)控制場(chǎng)合。其低工作功耗CMOS技術(shù)，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(shè)功能，使TMS370C系列單片機(jī)被廣泛應(yīng)用于汽車電子，工業(yè)電機(jī)控制，電腦，通信和消費(fèi)類電子等領(lǐng)域。

　　5、MSP430系列

　　MSP430系列單片機(jī)是德州儀器1996年開始推向市場(chǎng)的一種16位超低功耗的混合信號(hào)處理器。主要是由于其針對(duì)實(shí)際應(yīng)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(gè)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(nèi)好評(píng)。

　　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(yīng)用，在此就不一一贅述了。