什么是MCU

　　MCU即微控制單元 ，又稱單片微型計(jì)算機(jī)（Single Chip Microcomputer ）或者單片機(jī)，是把中央處理器（Central Process Unit；CPU）的頻率與規(guī)格做適當(dāng)縮減，并將內(nèi)存（memory）、計(jì)數(shù)器（Timer）、USB、A/D轉(zhuǎn)換、UART、PLC、DMA等周邊接口，甚至LCD驅(qū)動(dòng)電路都整合在單一芯片上，形成芯片級的計(jì)算機(jī)，為不同的應(yīng)用場合做不同組合控制。諸如手機(jī)、PC外圍、遙控器，至汽車電子、工業(yè)上的步進(jìn)馬達(dá)、機(jī)器手臂的控制等，都可見到MCU的身影。

　　MCU的主要分類

　　按用途分類：

　　通用型：將可開發(fā)的資源（ROM、RAM、I/O、 EPROM）等全部提供給用戶。

　　專用型：其硬件及指令是按照某種特定用途而設(shè)計(jì)，例如錄音機(jī)機(jī)芯控制器、打印機(jī)控制器、電機(jī)控制器等。

　　按其基本操作處理的數(shù)據(jù)位數(shù)分類：

　　根據(jù)總線或數(shù)據(jù)暫存器的寬度，單片機(jī)又分為1位、4位、8位、16位、32位甚至64位單片機(jī)。4位MCU大部份應(yīng)用在計(jì)算器、車用儀表、車用防盜裝置、呼叫器、無線電話、CD播放器、LCD驅(qū)動(dòng)控制器、LCD游戲機(jī)、兒童玩具、磅秤、充電器、胎壓計(jì)、溫濕度計(jì)、遙控器及傻瓜相機(jī)等；8位MCU大部份應(yīng)用在電表、馬達(dá)控制器、電動(dòng)玩具機(jī)、變頻式冷氣機(jī)、呼叫器、傳真機(jī)、來電辨識器（CallerID）、電話錄音機(jī)、CRT顯示器、鍵盤及USB等；8位、16位單片機(jī)主要用于一般的控制領(lǐng)域，一般不使用操作系統(tǒng)， 16位MCU大部份應(yīng)用在行動(dòng)電話、數(shù)字相機(jī)及攝錄放影機(jī)等；32位MCU大部份應(yīng)用在Modem、GPS、PDA、HPC、STB、Hub、Bridge、Router、工作站、ISDN電話、激光打印機(jī)與彩色傳真機(jī)； 32位用于網(wǎng)絡(luò)操作、多媒體處理等復(fù)雜處理的場合，一般要使用嵌入式操作系統(tǒng)。64位MCU大部份應(yīng)用在高階工作站、多媒體互動(dòng)系統(tǒng)、高級電視游樂器（如SEGA的Dreamcast及Nintendo的GameBoy）及高級終端機(jī)等。

　　8位MCU工作頻率在16~50MHz之間，強(qiáng)調(diào)簡單效能、低成本應(yīng)用，在目前MCU市場總值仍有一定地位，而不少M(fèi)CU業(yè)者也持續(xù)為8bit MCU開發(fā)頻率調(diào)節(jié)的節(jié)能設(shè)計(jì)，以因應(yīng)綠色時(shí)代的產(chǎn)品開發(fā)需求。

　　16位MCU，則以16位運(yùn)算、16/24位尋址能力及頻率在24~100MHz為主流規(guī)格，部分16bit MCU額外提供32位加/減/乘/除的特殊指令。由于32bit MCU出現(xiàn)并持續(xù)降價(jià)及8bit MCU簡單耐用又便宜的低價(jià)優(yōu)勢下，夾在中間的16bit MCU市場不斷被擠壓，成為出貨比例中最低的產(chǎn)品。

　　32位MCU可說是MCU市場主流，單顆報(bào)價(jià)在1.5~4美元之間，工作頻率大多在100~350MHz之間，執(zhí)行效能更佳，應(yīng)用類型也相當(dāng)多元。但32位MCU會(huì)因?yàn)椴僮鲾?shù)與內(nèi)存長度的增加，相同功能的程序代碼長度較8/16bit MCU增加30~40%，這導(dǎo)致內(nèi)嵌OTP/FlashROM內(nèi)存容量不能太小，而芯片對外腳位數(shù)量暴增，進(jìn)一步局限32bit MCU的成本縮減能力。

　　按存儲器結(jié)構(gòu)分：

　　MCU根據(jù)其存儲器結(jié)構(gòu)可分為哈佛（Harvard）結(jié)構(gòu)和馮？諾依曼（Von Neumann）結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在的單片機(jī)絕大多數(shù)都是基于馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)的，這種結(jié)構(gòu)清楚地定義了嵌入式系統(tǒng)所必需的四個(gè)基本部分：一個(gè)中央處理器核心，程序存儲器（只讀存儲器或者閃存）、數(shù)據(jù)存儲器（隨機(jī)存儲器）、一個(gè)或者更多的定時(shí)/計(jì)時(shí)器，還有用來與外圍設(shè)備以及擴(kuò)展資源進(jìn)行通信的輸入/輸出端口，所有這些都被集成在單個(gè)集成電路芯片上。

　　按指令結(jié)構(gòu)分：

　　MCU根據(jù)指令結(jié)構(gòu)又可分為CISC（Complex InstrucTIon Set Computer，復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)）和RISC（Reduced InstrucTIon Set Comuter，精簡指令集計(jì)算機(jī)微控制器）

　　MCU技術(shù)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。本方案中，傳感器的7位地址已經(jīng)設(shè)定為1001000。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）。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。本方案中，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)測量一次溫度。

　　要讀取傳感器測量值寄存器的內(nèi)容，MCU必須首先發(fā)送傳感器地址和寄存器指針。MCU發(fā)出一個(gè)啟動(dòng)信號，接著發(fā)出傳感器地址，然后將RD/WR管腳設(shè)為高電平，就可以讀取測量值寄存器。

　　為了讀出傳感器測量值寄存器中的16位數(shù)據(jù)，MCU必須與傳感器進(jìn)行兩次8位數(shù)據(jù)通信。當(dāng)傳感器上電工作時(shí)，默認(rèn)的測量精度為9位，分辨力為0.5C/LSB（量程為-128.5C至128.5C）。本方案采用默認(rèn)測量精度，根據(jù)需要，可以重新設(shè)置傳感器，將測量精度提高到12位。如果只要求作一般的溫度指示，比如自動(dòng)調(diào)溫器，那么分辨力達(dá)到1C就可以滿足要求了。這種情況下，傳感器的低8位數(shù)據(jù)可以忽略，只用高8位數(shù)據(jù)就可以達(dá)到分辨力1C的設(shè)計(jì)要求。由于讀取寄存器時(shí)是按先高8位后低8位的順序，所以低8位數(shù)據(jù)既可以讀，也可以不讀。只讀取高8位數(shù)據(jù)的好處有二，第一是可以縮短MCU和傳感器的工作時(shí)間，降低功耗；第二是不影響分辨力指標(biāo)。

　　MCU讀取傳感器的測量值后，接下來就要進(jìn)行換算并將結(jié)果顯示在LCD上。整個(gè)處理過程包括：判斷顯示結(jié)果的正負(fù)號，進(jìn)行二進(jìn)制碼到BCD碼的轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)傳到LCD的相關(guān)寄存器中。

　　數(shù)據(jù)處理完畢并顯示結(jié)果之后，MCU會(huì)向傳感器發(fā)出一個(gè)單步指令。單步指令會(huì)讓傳感器啟動(dòng)一次溫度測試，然后自動(dòng)進(jìn)入等待模式，直到模數(shù)轉(zhuǎn)換完畢。MCU發(fā)出單步指令后，就進(jìn)入LPM3模式，這時(shí)MCU系統(tǒng)時(shí)鐘繼續(xù)工作，產(chǎn)生定時(shí)中斷喚醒CPU。定時(shí)的長短可以通過編程調(diào)整，以便適應(yīng)具體應(yīng)用的需要。

　　MCU市場現(xiàn)狀分析

　　2015年開始，為爭奪市場份額，布局強(qiáng)勁增長的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，MCU主要廠商之間發(fā)生了數(shù)起大規(guī)模并購。根據(jù)市場調(diào)研機(jī)構(gòu)ICInsights的統(tǒng)計(jì)，從收購?fù)瓿珊喜⒑蟮匿N售數(shù)據(jù)看，NXP、Microchip和Cypress2016年MCU產(chǎn)品線銷售額同比大幅增長，排名也相應(yīng)上升。未進(jìn)行大規(guī)模收購的MCU廠商則表現(xiàn)平平，只有個(gè)位數(shù)的增長，比如ST和TI，有的出現(xiàn)了大幅下降，比如像Samsung，（見圖1）。

　　圖1 ?2016全球MCU市場格局

　　從圖1我們還看到，8大MCU廠商全球市場份額合計(jì)達(dá)到了88%，這也就是說除了幾大MCU外，小的MCU公司市場份額非常小。ICInsights2016年8月的研究報(bào)告說，MCU市場將于2020年達(dá)到高峰，銷售額達(dá)到209億美元，銷售267億顆芯片，（見圖2）。針對這樣的市場形勢，在剛剛結(jié)束的2017年STM32峰會(huì)上，ST給自己定下目標(biāo)是2020年銷售額將到達(dá)40億美元，從目前市場10%份額增長到20%分額。

　　圖2 ?2013-2020全球MCU市場預(yù)估

　　中國MCU發(fā)展機(jī)遇

　　中國單片機(jī)30年

　　80年代初北京工業(yè)大學(xué)電子廠掀起了TP801開發(fā)熱潮，同期，上海和江蘇等地開發(fā)了MCS-51的單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)，這股單片機(jī)的熱潮引發(fā)了全國的智能電子大變革的時(shí)代的開始。1986年10月，在上海復(fù)旦大學(xué)舉行了第一次全國單片機(jī)學(xué)術(shù)交流會(huì)，這標(biāo)志了中國單片機(jī)事業(yè)的開始，也由此經(jīng)歷了中國單片機(jī)30年輝煌發(fā)展歷史進(jìn)程。2016年11月，嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會(huì)舉辦了中國單片機(jī)30年紀(jì)念活動(dòng)，老中輕三代單片機(jī)工作者齊聚北航回憶這段歷程，共議中國單片機(jī)發(fā)展的美好前景。

　　過去幾年中國MCU市場一直持續(xù)增長，據(jù)isuppliResearch2015的研究報(bào)告（見圖3），2011年中國MCU市場銷售額大約30億美元，到了2016年已經(jīng)有40億美元，其中32位MCU市場份額將持續(xù)增大，期內(nèi)復(fù)合增長率已經(jīng)接近10%。前面我們看到全球8大MCU企業(yè)沒有的中國企業(yè)（包括***），有關(guān)研究報(bào)告還指出，

　　中國內(nèi)地和***MCU企業(yè)在中國市場各有10%的份額。筆者從剛剛結(jié)束的2017年STM32峰會(huì)了解到，2016年ST中國通用MCU市場營收在其全球市場中占比36%，從2007年開始就一直保持27%的年復(fù)合增長率，以物聯(lián)網(wǎng)，可穿戴、智能手機(jī)、智能樓宇和表計(jì)以及電動(dòng)汽車和無人機(jī)等新型應(yīng)用是拉動(dòng)MCU快速增長重要引擎。

　　圖32011-2017中國MCU市場預(yù)估

　　中國單片機(jī)30年，MCU廠商很多，但多數(shù)混跡8/16位低端市場，中國是全球第一大電子制造基地，有足夠大的市場來養(yǎng)活這些小廠商。但設(shè)計(jì)能力低，缺少戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃和資金支持的中小MCU廠商，難以改變中國企業(yè)在MCU市場的弱勢地位。

　　國產(chǎn)32位MCU提速

　　近年中國MCU企業(yè)的增長提速，尤其是在32位MCU市場上涌現(xiàn)出像兆易創(chuàng)新、致象科技和靈動(dòng)微電子這樣的企業(yè)，他們基于ARMCortexM技術(shù)的MCU芯片受到了市場的歡迎，國產(chǎn)MCU產(chǎn)品的市場戰(zhàn)略一般是更低的價(jià)格，更好的性能，本地周到的服務(wù)，最主要的是與國外產(chǎn)品pin-pin兼容，這些市場策略讓國內(nèi)企業(yè)非常受用，取得了豐碩的成果。

　　據(jù)財(cái)經(jīng)媒體報(bào)道，2016年，兆易創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)營收14.89億，凈利1.76億，營收同比增長25%、利潤增長了12%；MCU芯片實(shí)現(xiàn)營收1.97億元，同比增長55.2%，銷量4578萬顆，兆易創(chuàng)新最近以65億收購北京矽成。矽成的主營業(yè)務(wù)是以易失性存儲芯片為主，主要從事SRAM、中低密度DRAM、EEPROM等集成電路產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與銷售，產(chǎn)品應(yīng)用于汽車、工業(yè)醫(yī)療、網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)通訊、電子消費(fèi)產(chǎn)品等領(lǐng)域。這與兆易創(chuàng)新的非易失性存儲芯片，包括NORFlash和NANDFlash及其衍生產(chǎn)品以及MCU微控制器產(chǎn)品的研發(fā)、技術(shù)支持和銷售的業(yè)務(wù)范圍正好互補(bǔ)。收購矽成對于未來兆易創(chuàng)新GD32系列MCU發(fā)展都將起到積極作用，或?qū)⒂兄谡滓讋?chuàng)新拓展汽車電子市場的計(jì)劃。

　　MCU主要發(fā)展趨勢

　　1、低成本、低功耗、高集成、高精度、高穩(wěn)定性MCU占據(jù)更大市場份額。除了對傳統(tǒng)領(lǐng)域現(xiàn)有MCU系列產(chǎn)品進(jìn)行更新、升級外，未來新興應(yīng)用領(lǐng)域如低能耗電機(jī)控制、便攜式醫(yī)療設(shè)備、高精度工業(yè)儀器控制、特殊工作環(huán)境電子控制、精細(xì)動(dòng)力控制等，對產(chǎn)品可靠性、魯棒性、穩(wěn)定性等都有較高的要求。物聯(lián)網(wǎng)、節(jié)能環(huán)保、新能源動(dòng)力電池、軌道交通等新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)也需要大量低成本、低功耗、高集成、高精度、高穩(wěn)定性MCU。

　　2、整合各種不同功能的MCU不斷涌現(xiàn)。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。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，將來非常具有市場潛力。