什么是MCU

　　MCU即微控制單元 ，又稱單片微型計算機（Single Chip Microcomputer ）或者單片機，是把中央處理器（Central Process Unit；CPU）的頻率與規格做適當縮減，并將內存（memory）、計數器（Timer）、USB、A/D轉換、UART、PLC、DMA等周邊接口，甚至LCD驅動電路都整合在單一芯片上，形成芯片級的計算機，為不同的應用場合做不同組合控制。諸如手機、PC外圍、遙控器，至汽車電子、工業上的步進馬達、機器手臂的控制等，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計，例如錄音機機芯控制器、打印機控制器、電機控制器等。

　　按其基本操作處理的數據位數分類：

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

　　8位MCU工作頻率在16~50MHz之間，強調簡單效能、低成本應用，在目前MCU市場總值仍有一定地位，而不少MCU業者也持續為8bit MCU開發頻率調節的節能設計，以因應綠色時代的產品開發需求。

　　16位MCU，則以16位運算、16/24位尋址能力及頻率在24~100MHz為主流規格，部分16bit MCU額外提供32位加/減/乘/除的特殊指令。由于32bit MCU出現并持續降價及8bit MCU簡單耐用又便宜的低價優勢下，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品。

　　32位MCU可說是MCU市場主流，單顆報價在1.5~4美元之間，工作頻率大多在100~350MHz之間，執行效能更佳，應用類型也相當多元。但32位MCU會因為操作數與內存長度的增加，相同功能的程序代碼長度較8/16bit MCU增加30~40%，這導致內嵌OTP/FlashROM內存容量不能太小，而芯片對外腳位數量暴增，進一步局限32bit MCU的成本縮減能力。

　　按存儲器結構分：

　　MCU根據其存儲器結構可分為哈佛（Harvard）結構和馮？諾依曼（Von Neumann）結構。現在的單片機絕大多數都是基于馮·諾伊曼結構的，這種結構清楚地定義了嵌入式系統所必需的四個基本部分：一個中央處理器核心，程序存儲器（只讀存儲器或者閃存）、數據存儲器（隨機存儲器）、一個或者更多的定時/計時器，還有用來與外圍設備以及擴展資源進行通信的輸入/輸出端口，所有這些都被集成在單個集成電路芯片上。

　　按指令結構分：

　　MCU根據指令結構又可分為CISC（Complex InstrucTIon Set Computer，復雜指令集計算機）和RISC（Reduced InstrucTIon Set Comuter，精簡指令集計算機微控制器）

　　MCU技術原理

　　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。本方案中，傳感器的7位地址已經設定為1001000。MCU需要訪問傳感器時，先要發出一個8位的寄存器指針，然后再發出傳感器的地址（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。本方案中，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。

　　要讀取傳感器測量值寄存器的內容，MCU必須首先發送傳感器地址和寄存器指針。MCU發出一個啟動信號，接著發出傳感器地址，然后將RD/WR管腳設為高電平，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位數據，MCU必須與傳感器進行兩次8位數據通信。當傳感器上電工作時，默認的測量精度為9位，分辨力為0.5C/LSB（量程為-128.5C至128.5C）。本方案采用默認測量精度，根據需要，可以重新設置傳感器，將測量精度提高到12位。如果只要求作一般的溫度指示，比如自動調溫器，那么分辨力達到1C就可以滿足要求了。這種情況下，傳感器的低8位數據可以忽略，只用高8位數據就可以達到分辨力1C的設計要求。由于讀取寄存器時是按先高8位后低8位的順序，所以低8位數據既可以讀，也可以不讀。只讀取高8位數據的好處有二，第一是可以縮短MCU和傳感器的工作時間，降低功耗；第二是不影響分辨力指標。

　　MCU讀取傳感器的測量值后，接下來就要進行換算并將結果顯示在LCD上。整個處理過程包括：判斷顯示結果的正負號，進行二進制碼到BCD碼的轉換，將數據傳到LCD的相關寄存器中。

　　數據處理完畢并顯示結果之后，MCU會向傳感器發出一個單步指令。單步指令會讓傳感器啟動一次溫度測試，然后自動進入等待模式，直到模數轉換完畢。MCU發出單步指令后，就進入LPM3模式，這時MCU系統時鐘繼續工作，產生定時中斷喚醒CPU。定時的長短可以通過編程調整，以便適應具體應用的需要。

　　MCU市場現狀分析

　　2015年開始，為爭奪市場份額，布局強勁增長的物聯網應用，MCU主要廠商之間發生了數起大規模并購。根據市場調研機構ICInsights的統計，從收購完成合并后的銷售數據看，NXP、Microchip和Cypress2016年MCU產品線銷售額同比大幅增長，排名也相應上升。未進行大規模收購的MCU廠商則表現平平，只有個位數的增長，比如ST和TI，有的出現了大幅下降，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達到了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月的研究報告說，MCU市場將于2020年達到高峰，銷售額達到209億美元，銷售267億顆芯片，（見圖2）。針對這樣的市場形勢，在剛剛結束的2017年STM32峰會上，ST給自己定下目標是2020年銷售額將到達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市場預估

　　中國MCU發展機遇

　　中國單片機30年

　　80年代初北京工業大學電子廠掀起了TP801開發熱潮，同期，上海和江蘇等地開發了MCS-51的單片機開發系統，這股單片機的熱潮引發了全國的智能電子大變革的時代的開始。1986年10月，在上海復旦大學舉行了第一次全國單片機學術交流會，這標志了中國單片機事業的開始，也由此經歷了中國單片機30年輝煌發展歷史進程。2016年11月，嵌入式系統聯誼會舉辦了中國單片機30年紀念活動，老中輕三代單片機工作者齊聚北航回憶這段歷程，共議中國單片機發展的美好前景。

　　過去幾年中國MCU市場一直持續增長，據isuppliResearch2015的研究報告（見圖3），2011年中國MCU市場銷售額大約30億美元，到了2016年已經有40億美元，其中32位MCU市場份額將持續增大，期內復合增長率已經接近10%。前面我們看到全球8大MCU企業沒有的中國企業（包括***），有關研究報告還指出，

　　中國內地和***MCU企業在中國市場各有10%的份額。筆者從剛剛結束的2017年STM32峰會了解到，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%的年復合增長率，以物聯網，可穿戴、智能手機、智能樓宇和表計以及電動汽車和無人機等新型應用是拉動MCU快速增長重要引擎。

　　圖32011-2017中國MCU市場預估

　　中國單片機30年，MCU廠商很多，但多數混跡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活這些小廠商。但設計能力低，缺少戰略發展規劃和資金支持的中小MCU廠商，難以改變中國企業在MCU市場的弱勢地位。

　　國產32位MCU提速

　　近年中國MCU企業的增長提速，尤其是在32位MCU市場上涌現出像兆易創新、致象科技和靈動微電子這樣的企業，他們基于ARMCortexM技術的MCU芯片受到了市場的歡迎，國產MCU產品的市場戰略一般是更低的價格，更好的性能，本地周到的服務，最主要的是與國外產品pin-pin兼容，這些市場策略讓國內企業非常受用，取得了豐碩的成果。

　　據財經媒體報道，2016年，兆易創新實現營收14.89億，凈利1.76億，營收同比增長25%、利潤增長了12%；MCU芯片實現營收1.97億元，同比增長55.2%，銷量4578萬顆，兆易創新最近以65億收購北京矽成。矽成的主營業務是以易失性存儲芯片為主，主要從事SRAM、中低密度DRAM、EEPROM等集成電路產品的設計與銷售，產品應用于汽車、工業醫療、網絡移動通訊、電子消費產品等領域。這與兆易創新的非易失性存儲芯片，包括NORFlash和NANDFlash及其衍生產品以及MCU微控制器產品的研發、技術支持和銷售的業務范圍正好互補。收購矽成對于未來兆易創新GD32系列MCU發展都將起到積極作用，或將有助于兆易創新拓展汽車電子市場的計劃。

　　MCU主要發展趨勢

　　1、低成本、低功耗、高集成、高精度、高穩定性MCU占據更大市場份額。除了對傳統領域現有MCU系列產品進行更新、升級外，未來新興應用領域如低能耗電機控制、便攜式醫療設備、高精度工業儀器控制、特殊工作環境電子控制、精細動力控制等，對產品可靠性、魯棒性、穩定性等都有較高的要求。物聯網、節能環保、新能源動力電池、軌道交通等新興戰略性產業也需要大量低成本、低功耗、高集成、高精度、高穩定性MCU。

　　2、整合各種不同功能的MCU不斷涌現。隨著智能設備、物聯網等產業的快速發展，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。