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【芯智雲(yún)城】終于有人把MCU說透了，看完我悟了！

2023-06-12 16:57 作者:芯智云 0人讀過 | 我要投稿

一、MCU簡介：

MCU（微控制單元）俗稱單片機，可被認為是CPU的縮減版本，把CPU的頻率與規(guī)格進行縮減處理，并將RAM、ROM、時鐘、A/D轉(zhuǎn)換、定時/計數(shù)器、UART 、DMA等電路單元，甚至包括USB接口、LCD驅(qū)動電路都整合在一塊芯片之中，形成芯片級的計算機，為各種應(yīng)用場合提供組合控制。

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MCU發(fā)展歷程：

（1）1971年，Intel推出包含2300個晶體管的MCS-4微型計算機系統(tǒng)；

（2）1973年，Intel研制出8位的微處理器8080；

（3）1975年，MITS發(fā)布第一個通用型Altair 8800，帶有1KB存儲器；

（4）1976年，Intel研制出MCS-48系列8位MCU；

（5）1976年，Zilog公司開發(fā)Z80單片機，形成Intel、Motorola和Zilog三足鼎立格局；

（6）1983年，Intel推出16位的MCS-96系列，轉(zhuǎn)讓MCS-51系列8位單片機技術(shù)；

（7）1990s，各芯片廠商紛紛推出自有架構(gòu)和內(nèi)核；

（8）2004年，MIPS推出M4K內(nèi)核，ARM推出Cortex-M3內(nèi)核，ST推首款32位MCU；

（9）2010年，開源指令集RISC-V誕生；

以MCU的體系結(jié)構(gòu)而言，可分為兩大主流；CISC與RISC，從出貨量上看RISC占據(jù)市場主流（76%）。

CISC雖然指令能力強，但是CPU結(jié)構(gòu)復雜度較高。而RISC（精簡指令集）的指令長度是固定的，并采取流水線的概念，將處理過程劃分為多個階段，每個時鐘周期可以執(zhí)行一條指令，允許并行處理。我們常見的ARM、PowerPC、MIPS、RISC-V等程序架構(gòu)均屬于RISC體系。

（1）ARM架構(gòu)：是英國Acorn公司設(shè)計的低功耗、低成本的首款RISC微處理器；

（2）MIPS架構(gòu)：MIPS公司開發(fā)并授權(quán)，類似于ARM架構(gòu)，功耗指標優(yōu)秀，價格更便宜；

（3）PowerPC：具有較好的嵌入式表現(xiàn)；

（4）RISC-V：是基于精簡指令集的的開源指令集架構(gòu)。

ARM架構(gòu)實現(xiàn)了標準化，為設(shè)計平臺提供了代碼兼容性和軟件兼容性，促使主要廠商紛紛遷移到32位MCU產(chǎn)品開發(fā)，成熟的架構(gòu)迅速替代各家自定義架構(gòu)，成為目前的主流架構(gòu)，全球前十大MCU廠商32位產(chǎn)品均有導入ARM架構(gòu)，基于ARM Cortex-M內(nèi)核產(chǎn)品合計占比達到52%。

在中國市場，ARM Cortex-M0的占比最高（20%），其次為Cortex-M3（14%），Cortex-M23雖然性能領(lǐng)先、但市占率僅1%。除ARM架構(gòu)外，RISC-V作為新興的精簡指令集架構(gòu)，2021年市場份額也達到1%左右。

二、MCU分類

MCU按照位數(shù)（數(shù)據(jù)總線寬度）劃分，可分為4位、8位、16位、32位和64位等，市場主流的還是8位和32位；

（1）8位MCU：具有功耗低、成本低、使用便捷等優(yōu)點，應(yīng)用場景：工商業(yè)。

（2）16位MCU：性能不及32位，性價比不如8位MCU，市場份額被邊緣化。

（3）32位MCU：運算能力強，價格接近8位MCU，可滿足大多數(shù)復雜嵌入式場景。

從存儲器結(jié)構(gòu)，可將MCU分為馮諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)。馮諾依曼結(jié)構(gòu)將程序指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合并在一起。哈佛結(jié)構(gòu)將程序指令和數(shù)據(jù)分開存儲，分開讀取，因此程序指令和數(shù)據(jù)指令可以有不同的數(shù)據(jù)寬度，通常具有較高的執(zhí)行效率。

按應(yīng)用領(lǐng)域劃分，可以分為通用型和專用型。通用型MCU是指具有MCU的基本組成，但是將MCU中可利用的資源（包括RAM、ROM、串并行接口等）全部提供給用戶，不是為了某種專門用途設(shè)計的。專用型MCU是指按照具體用途而專門設(shè)計的MCU，秉承“MCU+特定組件”的形式，通常會在MCU內(nèi)集成具有特定功能的硬件單元，比如數(shù)字信號處理單元、藍牙協(xié)議棧等。

三、MCU器件選型和開發(fā)流程

MCU是電子產(chǎn)品的核心部件，涉及硬件和軟件，對于這個器件的選型需要非常慎重。需要綜合考慮MCU要完成的功能，成本，交期，各類端口的數(shù)量，存儲空間，可移植性，器件等級，功耗，電壓等因素。

選型時需要考慮的問題點如下：

（1）應(yīng)用場景和需求：軟件、硬件和器件工程師共同確認產(chǎn)品需求、功能等情況；

（2）器件等級：包括器件等級，溫度、功耗、安全等要求等；

（3）基本性能：包括處理器的類型、位數(shù)、時鐘、內(nèi)存、工作電壓等基本參數(shù)；

（4）外設(shè)和接口：外設(shè)、接口，ADC/DAC、GPIO口的種類和數(shù)量等；

（5）價格和品牌：對品牌和價格要求，供應(yīng)鏈可靠性等；

（6）開發(fā)環(huán)境：開發(fā)環(huán)境和、源代代碼、代碼可移植性、技術(shù)支持狀況等；

（7）安全性：根據(jù)需要選擇有安全特性的處理器保證應(yīng)用和數(shù)據(jù)安全；

MCU的應(yīng)用開發(fā)流程：

（1）溝通準確的項目需求，明確開發(fā)任務(wù)及周邊電路；

（2）根據(jù)需求進行MCU及關(guān)鍵器件選型，獲取技術(shù)資料/軟件代碼/開發(fā)板/樣品；

（3）借助 IDE（集成開發(fā)環(huán)境），用編程語言編寫/修改代碼；

（4）進行代碼編譯，確保代碼符合語法規(guī)則；

（5）在樣板調(diào)試之前，先用仿真軟件進行系統(tǒng)仿真和調(diào)試；

（6）在軟硬件設(shè)計完成后，在樣板上進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，直到最后功能無誤；

（7）小批量試產(chǎn)，試用和測試，發(fā)現(xiàn)和解決問題；

（8）完成系統(tǒng)開發(fā)任務(wù)，組織批量生產(chǎn)，進行產(chǎn)品交付，提供售后服務(wù)。

四、MCU的應(yīng)用領(lǐng)域

MCU廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，可以將MCU的應(yīng)用分類如下：

家電：應(yīng)用在電視、空調(diào)、冰箱、洗衣機、廚電、小家電等。MCU可以控制家電的功率、溫度、濕度和運行狀態(tài)等，需要具備低功耗、多種通信協(xié)議和接口、小尺寸和低成本等特點。

工控：應(yīng)用在PLC、DCS和工控機等。MCU可以控制生產(chǎn)線、機器人、傳感器和執(zhí)行器等，需要具備高精度、高可靠性、多種通信協(xié)議和接口、防塵、防水和防腐蝕等特點。

物聯(lián)網(wǎng)：應(yīng)用在智能家居、智慧城市、智能交通、安防監(jiān)控、智能農(nóng)業(yè)等。MCU可以控制和管理各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，需要具備低功耗、多種通信協(xié)議和接口、安全加密等特點。

汽車電子：應(yīng)用在發(fā)動機控制、變速器、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、安全氣囊等。汽車級MCU需要具備高可靠性、低功耗、多種通信協(xié)議和接口、高溫、高濕度和高EMI抗干擾等特點。

醫(yī)療電子：包括血壓計、血糖儀、醫(yī)療監(jiān)護設(shè)備等。MCU可以控制醫(yī)療設(shè)備的測量、記錄和傳輸?shù)裙δ?，需要具備高精度、低功耗、安全加密等特點。

其他：MCU還應(yīng)用于消費類電子、智能硬件、航空航天、軍事裝備、能源管理等領(lǐng)域。

五、芯智云城MCU芯片選型

芯智雲(yún)城是芯智控股（2166.HK）旗下的自營電商平臺，依托集團在電子產(chǎn)業(yè)內(nèi)的豐富資源和產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗，為廣大的客戶提供涵蓋顯示、物聯(lián)網(wǎng)、智能硬件、安防、通訊、存儲、車載、工控等多領(lǐng)域的技術(shù)解決方案，提供包括半導體芯片、電子元器件、電路模塊、開發(fā)板套件在內(nèi)的供應(yīng)鏈服務(wù)。我們致力于為客戶提供多樣化的技術(shù)解決方案和全品類電子元器件供應(yīng)鏈服務(wù)，幫助客戶縮短項目開發(fā)周期，降低采購成本，快速將產(chǎn)品和服務(wù)推向市場。

國民技術(shù)股份有限公司

國民技術(shù)股份有限公司，2000年源于國家“909”集成電路專項工程成立，2010年創(chuàng)業(yè)板上市（股票代碼:300077），是通用MCU、安全芯片領(lǐng)先企業(yè)和國家高新技術(shù)企業(yè)?？偛课挥谏钲?，在北京、上海、武漢、西安、重慶、香港、新加坡、美國奧斯汀、日本東京等地設(shè)有分支機構(gòu)。

主營產(chǎn)品包括：通用MCU、安全芯片、可信計算芯片、智能卡芯片、藍牙芯片、RCC創(chuàng)新產(chǎn)品等，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)安全認證、電子銀行、電子證照、移動支付與移動安全、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)聯(lián)網(wǎng)及工業(yè)控制、智能家電及智能家庭物聯(lián)網(wǎng)終端、消費電子、電機驅(qū)動、電池及能源管理、智能表計、醫(yī)療電子、汽車電子、安防、生物識別、通訊、傳感器、機器自動化等應(yīng)用方向。

上海芯旺微電子技術(shù)有限公司：自有內(nèi)核/指令集的汽車級MCU

上海芯旺微電子技術(shù)有限公司是一家基于自主研發(fā)的KungFu指令集和內(nèi)核架構(gòu)，研發(fā)高性能數(shù)?；旌闲盘朚CU&DSP產(chǎn)品的高新技術(shù)企業(yè)，同時向用戶提供完整的等軟硬件工具鏈系統(tǒng)，實現(xiàn)了從MCU芯片到基礎(chǔ)軟件生態(tài)的全覆蓋，完全自主可控。KungFu MCU 憑借低功耗、高可靠、良好的一致性和穩(wěn)定性等特色，成功應(yīng)用于上汽、一汽、長安、東風、長城、吉利，大眾、福特、現(xiàn)代、西門子、GE、聯(lián)想和三菱等著名品牌企業(yè)，芯旺微致力于成長為一家本土汽車芯片領(lǐng)域的基石供應(yīng)商。

先楫半導體：RISC-V高性能通用MCU

上海先楫是一家致力于高性能嵌入式解決方案的半導體公司，產(chǎn)品覆蓋微控制器、微處理器和周邊芯片，以及配套的開發(fā)工具和生態(tài)系統(tǒng)。公司成立于2020年6月，總部坐落于上海市張江高科技園區(qū)，并在天津、深圳、蘇州和杭州均設(shè)立分公司。先楫半導體所有產(chǎn)品均通過嚴格的可靠性測試。目前已經(jīng)量產(chǎn)的兩個高性能通用MCU產(chǎn)品系列HPM6700/6400及HPM6300，性能領(lǐng)先國際同類產(chǎn)品，并完成AEC-Q100認證，全力服務(wù)中國工業(yè)，汽車和消費市場。