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(guī)格做適當縮減，并將內(nèi)存（memory）、計數(shù)器（Timer）、USB、A/D轉(zhuǎn)換、UART、PLC、DMA等周邊接口，甚至LCD驅(qū)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(yè)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(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，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(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(qū)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(lǐng)域，一般不使用操作系統(tǒng)， 16位MCU大部份應用在行動電話、數(shù)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(wǎng)絡(luò)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(tǒng)。64位MCU大部份應用在高階工作站、多媒體互動系統(tǒng)、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(diào)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(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，以因應綠色時代的產(chǎn)品開發(fā)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(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)降價及8bit MCU簡單耐用又便宜的低價優(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，單顆報價在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，應用類型也相當多元。但32位MCU會因為操作數(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)?，F(xiàn)在的單片機絕大多數(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(shù)據(jù)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(shè)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(jié)構(gòu)分：

　　MCU根據(jù)指令結(jié)構(gòu)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(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總線上可以同時連接8個這樣的傳感器。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，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。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(nèi)容，MCU必須首先發(fā)送傳感器地址和寄存器指針。MCU發(fā)出一個啟動信號，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必須與傳感器進行兩次8位數(shù)據(jù)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(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，比如自動調(diào)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(shù)據(jù)可以忽略，只用高8位數(shù)據(jù)就可以達到分辨力1C的設(shè)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(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(jié)果顯示在LCD上。整個處理過程包括：判斷顯示結(jié)果的正負號，進行二進制碼到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會向傳感器發(fā)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(shù)轉(zhuǎn)換完畢。MCU發(fā)出單步指令后，就進入LPM3模式，這時MCU系統(tǒng)時鐘繼續(xù)工作，產(chǎn)生定時中斷喚醒CPU。定時的長短可以通過編程調(diào)整，以便適應具體應用的需要。

　　MCU市場現(xiàn)狀分析

　　2015年開始，為爭奪市場份額，布局強勁增長的物聯(lián)網(wǎng)應用，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)研機構(gòu)ICInsights的統(tǒng)計，從收購完成合并后的銷售數(shù)據(jù)看，NXP、Microchip和Cypress2016年MCU產(chǎn)品線銷售額同比大幅增長，排名也相應上升。未進行大規(guī)模收購的MCU廠商則表現(xiàn)平平，只有個位數(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(jié)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(fā)展機遇

　　中國單片機30年

　　80年代初北京工業(yè)大學電子廠掀起了TP801開發(fā)熱潮，同期，上海和江蘇等地開發(fā)了MCS-51的單片機開發(fā)系統(tǒng)，這股單片機的熱潮引發(fā)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(shù)交流會，這標志了中國單片機事業(yè)的開始，也由此經(jīng)歷了中國單片機30年輝煌發(fā)展歷史進程。2016年11月，嵌入式系統(tǒng)聯(lián)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(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(lián)網(wǎng)，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(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)略一般是更低的價格，更好的性能，本地周到的服務，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)財經(jīng)媒體報道，2016年，兆易創(chuàng)新實現(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)計與銷售，產(chǎn)品應用于汽車、工業(yè)醫(yī)療、網(wǎng)絡(luò)移動通訊、電子消費產(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)務范圍正好互補。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)品進行更新、升級外，未來新興應用領(lǐng)域如低能耗電機控制、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、精細動力控制等，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。