聊聊单片机的发展(MCU)

贸泽电子设计圈 2020-09-04

单片机

单片机是什么,单片机就是微控制器,一种通过运行编写的程序实现控制功能的芯片,广泛应用于马达控制、人机交互、数据采集、照明、小家电、玩具等各种应用。从事电子行业的人一般称之为MCU,也就是微控制器。现在大家似乎不怎么提单片机这个词,笔者也只记得在大学里有门课叫单片机,有些网络论坛还有单片机板块。单片机这个词似乎只有老工程师会这么说,现在年轻一代的工程师很多直接用ARM来指代单片机。


其实单片机的英文名很直接地表达了其本质,Single Chip Machine/Microcomputer/Microcontroller,其字面理解就是单芯片实现的微电脑、微控制器。 其核心就是高度集成化,集成了CPU与存储器,以及外部设备,比如定时器、GPIO、SPI、IIC等等。

图1:典型的混合信号MCU结构(混合信号指模拟与数字外设并存)

(图片来源:Silicon Labs C8051f数据手册)
由于单片机在一般电子系统中负责控制功能,因而从功能的角度大家又称单片机为微控制器单元,Microcontroller Unit简称为MCU。
为了统一表达,本文往下用MCU来指代单片机。
目前市面上的MCU根据其CPU系统的指令与数据总线宽度主要分为8位、16位或32位MCU。在早期,各大主流半导体厂商的8位MCU在各细分领域取得了巨大的成功,8位MCU主要分为大名鼎鼎的51核系列和非51系列。


图2:众多8位机内核(图片来源:贸泽电子)
在8位机时代,各厂商的MCU架构各有特色,差异较大,若想熟练掌握某系列MCU的编程技巧,并非易事。一般多采用“祖传”的软件系统架构及驱动代码,很少使用标准RTOS,俗称”裸奔“。所以工程师在熟练掌握某系列MCU后,除非迫不得已,绝不愿意使用其他系列的MCU。
32位MCU,得益于32位的指令与数据系统,较8位MCU,其性能更强大,定位为高端MCU。知名的架构有Cold fire、MIPS32、PIC32d等。后来NXP、三星、ST等厂商推出了32位的ARM7内核MCU,作为高端MCU产品,在市场上取得了巨大的成功。直到那时,32位MCU还是以中高端MCU的身份出现在市场,高端MCU的特征有以下几点:
1
跑的快,主频在50MHZ以上。
2
集成有大容量的ROM与RAM,并多带有外部存储器总线。
3
集成有高级外设,比如USB、以太网、LCD控制器等。
再后来针对传统8位/16位MCU市场,ST率先推出了ARM Cortex-M3内核MCU,就是现在处于32位MCU王者地位的STM32系列。 STM32系列简单易用,使用高效的IDE工具,即使是新手也很容易使用C语言从main()函数直接编写应用程序,不需要过多考虑系统的启动与中断系统的配置。 由于简单易用,市场占有率越来越高,不少8/16位MCU用户都采用Cortex-M3内核MCU来升级自己的产品。 各主流MCU厂商纷纷推出了ARM Cortex-M3内核MCU,也就是采用ARM Cortex-M3内核配上自家传统MCU的外设。
ARM Cortex-M3 MCU的巨大成功,催生了更高性能的Cortex-M4、Cortex-M33、Cortex-M7以及多核MCU。这些高端MCU速度达到数百Mhz,具有浮点运算等数学计算能力,甚至采用了Cache技术。其应用范围拓展到了图像处理领域,其性能远远超出传统MCU的标准,模糊了MCU与MPU的边界,目前与MPU的区别仅仅在于高端MCU无MMU(存储器管理单元)部分,无法运行linux/android级别的高级操作系统。

图3:STM32高端MCU H7系列(Cortex-M7内核)(图片来源:贸泽电子)
由于这些ARM MCU启动与中断系统是一样的,IDE也可以是一样的,对于开发工程师而言,选用新的ARM MCU的难度要比以前换不同架构MCU轻松很多。
为了解决不同厂商MCU外设的差异化,ARM又提出了微控制器软件接口标准(CMSIS:Cortex Microcontroller Software Interface Standard)。在原厂提供的标准驱动库的支持下,设计工程师可以非常轻松的采用不同型号MCU完成设计工作。
时至今日,针对海量需求的低端MCU市场,越来越多的厂商推出了Cortex M0/M0+ MCU,价格低至0.1 USD。仅中国大陆地区,就有40家以上的MCU供应商。似乎再没有人会想到用8位MCU去做产品。ARM Cortex-M核MCU已经完全覆盖了从主频1GHz,带有DRAM控制器,引脚高达两百多,采用BGA封装高端MCU,到主频15MHz,20条腿的低端MCU。
由于ARM Cortex-M核MCU的普及,也难怪有人用ARM来特指MCU。
MCU市场如此的火爆,贸泽官网提供了近 45,000 个可选料号,并按照其架构分为8位,16位,32位以及ARM核MCU。如有需求,相信一定能找到符合您期望的MCU。

图4
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作者:马玺

马玺,多年来深耕半导体产品的技术开发及市场营销,曾任职于梅特勒-托利多研发工程师、富士通半导体产品工程师、贸泽电子技术营销产品经理等职位,具有10多年国际知名企业电子半导体相关领域产品研发及技术营销专业背景,熟悉嵌入式系统、微控制器、存储器及无线领域相关的市场与技术。
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