微處理器和單片機（MCU）從70年代在歐美開始興起,，1981年8051 單片機問世，到今天已經(jīng)36年了,。從數(shù)量上看,，8位單片機依然是MCU 市場的主力，基于8051內(nèi)核的單片機依然有許多公司在設(shè)計和生產(chǎn),。

90年代初,，由于價格的原因，32位MCU只是在一些需要高性能計算的應(yīng)用中使用,。2008年以后,，以物聯(lián)網(wǎng)（IoT）為代表的新技術(shù)出現(xiàn)，讓開發(fā)者開始尋找具備無線通信功能,、有一定計算能力,，而且價格不是太貴的MCU。

隨著ARM CortexM核的MCU 逐漸在市場占據(jù)主導(dǎo)地位,，應(yīng)用的場合也越來越多,，在芯片制造上采用更先進和高效的制程工藝，32位MCU 的價格與8位MCU 已經(jīng)沒有本質(zhì)上的差異,，有的甚至更便宜,，加上ARM 創(chuàng)建的良好的生態(tài)環(huán)境，32位MCU 已經(jīng)成為今天全球消費和工業(yè)電子產(chǎn)品的核心,，我從以下三個方面回顧全球MCU發(fā)展歷程,，探討發(fā)展趨勢。

02,、MCU 技術(shù)發(fā)展線路

開發(fā)工具

8位MCU 時代,，開發(fā)工具很簡單，MCU 功能簡單,，存儲器容量很小,，應(yīng)用代碼甚至可以使用匯編語言書寫， 簡單的下載和編程工具可以勝任開發(fā)工作,，后來隨著MCU 功能增加,，存儲器容量增加，C語言逐漸成為首選,，集成開發(fā)環(huán)境（IDE）和JATG 調(diào)試漸成主流,，這種方式主導(dǎo)了過去20年MCU開發(fā)模式。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起,，大量的電子產(chǎn)品急需智能化升級,，聯(lián)網(wǎng)就成為基本需求，特別是無線網(wǎng)絡(luò),，RTOS 從以前的嵌入式系統(tǒng)中“奢飾品”變成今天的“必需品”,。得益于開源社區(qū)和開源軟件的幫助，開源的RTOS 比如像FreeRTOS、uC/OS和Contiki已經(jīng)成為開發(fā)者的優(yōu)選,。 專門針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)OS 也應(yīng)運而生,，比如ARM mbed OS 、慶科 MicoOS和華為LiteOS, 其實這幾種物聯(lián)網(wǎng)OS的內(nèi)核也是基于開源的RTOS技術(shù),。

制造技術(shù)

摩爾定律推動了芯片產(chǎn)業(yè)輝煌了40年,，其中制程工藝發(fā)展是重要的助推劑。傳統(tǒng)的MCU,，比如8位OTP MCU ,，長期是使用0.5u的制程工藝，隨著時間的推移,，設(shè)備和技術(shù)更新,，現(xiàn)在主流的MCU 制程是180nm，甚至90nm技術(shù),，展望不遠的將來,，使用40nm甚至28nm制程工藝的MCU 也不是遙不可及事情。

我們知道,，更先進的制程工藝會在MCU內(nèi)部集成更多的晶體管,，使處理器實現(xiàn)更多的功能和更高的性能。這樣MCU核心尺寸的大小就不是很重要的因素了,，更多的32位MCU 核心將替代8位,，芯片的體積也不會變大，功耗反而會更小,。此外,，先進的制程工藝還能帶來片內(nèi)FLASH 容量的增加，未來1MB甚至4MB 的FALSH MCU 也是常見的產(chǎn)品了,。

當(dāng)然,，制程工藝將會給MCU 生態(tài)環(huán)境帶來挑戰(zhàn)，比如初期制造成本的增加,，芯片設(shè)計復(fù)雜性增加,。32位核心導(dǎo)入，軟件開發(fā)難度增加,，以及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用帶來MCU和RF 以及Sensor集成,，進而帶來功耗管理和PCB設(shè)計上一系列棘手問題。

應(yīng)用設(shè)計方案

03,、中國MCU 發(fā)展機遇

中國單機片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(fù)旦大學(xué)舉行了第一次全國單片機學(xué)術(shù)交流會，這標(biāo)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(jì)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)isuppli Research 2015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(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)（包括臺灣）,，有關(guān)研究報告還指出,，

大陸和臺灣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(fù)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(yīng)用是拉動MCU快速增長重要引擎,。

圖3 2011-2017中國MCU 市場預(yù)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ARM Cortex M 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(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(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)計與銷售，產(chǎn)品應(yīng)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NOR Flash和NAND Flash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,。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。

國產(chǎn)MCU的挑戰(zhàn)

比較國產(chǎn)高端CPU的發(fā)展,，國產(chǎn)32位MCU 要順利的多,。相比智能手機芯片，生態(tài)環(huán)境相對單純和簡單是幫助國產(chǎn)MCU 發(fā)展的重要原因,。我們知道,，開發(fā)智能手機芯片要有巨資投入最先進的制程工藝，比如三星Galaxy S8 機型搭載高通驍龍830處理器,，并且處理器將會由三星獨家制造,，制程工藝為驚人的10nm。

還有Android OS,，圍繞Android OS 的開放手機聯(lián)盟 （Open Handset Alliance）現(xiàn)在有84個成員,，如果你們企業(yè)不是成員，你或許拿不到最新的Anrdoid版本的軟件,，即使你是成員,，如果不能投入大量的Android開發(fā)人員,，你也很難與高通、三星和華為這樣的手機巨頭競爭,。

我們前面已經(jīng)介紹MCU 的技術(shù)線路,，它與智能手機完全不一樣，MCU 還是一個多元化的應(yīng)用市場,，雖然有幾個很熱鬧的產(chǎn)品,，比如無人機、可穿戴手環(huán),，智能溫控器,，但是這些產(chǎn)品在數(shù)量上與智能手機無法比擬，而且它們每一個的軟硬件平臺都不一樣,。憑借基礎(chǔ)的開發(fā)工具,、90nm制程和應(yīng)用方案，加上中國企業(yè)擅長的“保姆式”服務(wù),，國產(chǎn)MCU 有機會出奇制勝,，一展宏圖。

是不是國產(chǎn)MCU 可以高枕無憂,，一路順利發(fā)展了呢,？不是的，如果大家看看全球領(lǐng)先的MCU 企業(yè)的產(chǎn)品線就不難發(fā)現(xiàn),，中國企業(yè)（包括臺灣）差距很大,，STM32 750余款MCU，多數(shù)采用90nm制程上,，ST 計劃發(fā)布的超高性能STM32H7 將采用40nm制程工藝,，而靈動微電子成熟產(chǎn)品F103 采用還是傳統(tǒng)的0.18um。

在開發(fā)工具上,，國產(chǎn)MCU 基本沒有自己的發(fā)工具（IDE）,推薦都是ARM KEIL 和 IAR,，為了支持自己公司的MCU ，一般會開發(fā)一個 KEIL MDK 或者IAR 插件,，沒有經(jīng)費的用戶多是盜版IDE使用,。

在應(yīng)用設(shè)計方案和生態(tài)環(huán)境建設(shè)方面，國產(chǎn)MCU 更是遠遠落在外國企業(yè)后面,，比如STM32峰會第二天,，幾十家合作伙伴展示了包括LoRa,、藍牙和WiFi模塊,、空中固件升級、NB-IoT診斷儀,、多功能汽車總線通信平臺和安全認證的RTOS等百余種解決方案,，以及大疆和小米無人機,、華為運動手表、MOOV 耳機和阿兒法智能機器人等數(shù)十種國內(nèi)設(shè)計和生產(chǎn)的基于STM32產(chǎn)品,。 這大大提升了與會的開發(fā)者的興趣 （見圖4）

圖4 STM32 峰會現(xiàn)場展示