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目前,全球MCU呈百花齐放趋势,欧、美、日、台均表现出众。中国作为全球最大的芯片销售国,每年消耗掉的MCU数量占据全球市场总量的70%左右,然而由中国芯片厂家直接生产的MCU芯片却凤毛麟角,并且绝大部分仍处于低端的4/8位MCU芯片阶段。不过,国内还有宏晶、兆易创新等企业在MCU高端领域发力,未来还是值得期许的!
MCU是什么呢?其实,MCU就是我们日常生活中所用的单片机简称MCU。它集成了内处理器(CPU)、存储器(RAM、ROM)、计数器、以及I/O端口为一体的一块集成芯片。在此硬件电路基础上,将要处理的数据、计算方法、步骤、操作命令编制成程序,存放于MCU内部或外部存储器中,MCU在运行时能自动地、连续地从存储器中取出并执行。



MCU发展简史
1975年,美国德州仪器公司(TI)首次推出4位单片机——TMS-1000,标志着单片机正式诞生。
1976年,Intel公司研制出了MCS-48系列8位单片机,使单片机的发展进入了一个新阶段。MCS-48系列单片机内部集成了8位CPU、多个并行I/O口、8位定时器/计数器、小容量的RAM和ROM。当时还没有串行通信接口,操作相对简单。
1980年,Intel公司在MCS-48系列单片机的基础上,推出了MCS-51系列8位高档单片机,这就是当前大名鼎鼎的“51单片机”的祖先。MCS-51系列单片机比MCS-48系列单片机有明显提高,内部增加了串行通信接口。MCS-51系列单片机因其性能可靠、简单实用、性价比高深受欢迎,被誉为“最经典的单片机”。据悉,全球各大高校的单片机教材均使用了MCS-51系列8位单片机为教程内容。
1983年,16位单片机正式问世,不过由于性价比并不理想,遂未得到普及。16位单片机主要被应用于复杂的控制系统以及早期的嵌入系统。
90年代之后,集成电路技术高速发展,32位单片机应运而生,嵌入式系统因此得到大力推广。就在32位单片机大举入侵市场之时,8位单片机将被32位单片机取代的声音一时甚嚣尘上。不过,也有业内人士表示,未来8位和32位将以互补性的组合占据MCU领域,而16位产品面对8位和32位MCU的“双向夹击”,或将逐步走向消亡。

MCU原理
MCU同温度传感器之间通过I2C总线连接。I2C总线占用2条MCU输入输出口线,二者之间的通信完全依靠软件完成。温度传感器的地址可以通过2根地址引脚设定,这使得一根I2C总线上可以同时连接8个这样的传感器。MCU需要访问传感器时,先要发出一个8位的寄存器指针?然后再发出传感器的地址,(7位地址,低位是WR信号)。传感器中有3个寄存器可供MCU使用,8位寄存器指针就是用来确定MCU究竟要使用哪个寄存器的。主程序会不断更新传感器的配置寄存器,这会使传感器工作于单步模式,每更新一次就会测量一次温度。

MCU结构与组成
Ⅰ:中央处理器CPU,包括运算器、控制器和寄存器组。是MCU内部的核心部件,由运算部件和控制部件两大部分组成。前者能完成数据的算术逻辑运算、位变量处理和数据传送操作,后者是按一定时序协调工作,是分析和执行指令的部件。
Ⅱ:存储器,包括ROM和RAM。ROM程序存储器,MCU的工作是按事先编制好的程序一条条循序执行的,ROM程序存储器即用来存放已编的程序(系统程序由制造厂家编制和写入)。存储数据掉电后不消失。ROM又分为片内存储器和片外(扩展)存储器两种。
RAM数据存储器,在程序运行过程中可以随时写入数据,又可以随时读出数据。存储数据在掉电后不能保持。
Ⅲ:输入、输出I/O接口,与外部输入、输出(电路)设备相连接。PO/P1/P2/P3等数字I/O接口,内部电路含端口锁存器、输出驱动器和输入缓冲器等电路。其中PO为三态双向接口,P1/P2/P3数字I/O端口,内部驱动器为“开路集电极”输出电路,应用时内部或外部电路接有上拉电阻。每个端口均可作为数字信号输入或输出口,并具有复用功能(指端口功能有第一功能、第二功能甚至数个功能,在应用中可灵活设置)。
MCU器件,除数字I/O端口外,还有ADC模拟量输入、输出端口,输入信号经内部A/D转换电路,变换为数字(频率)信号,再进行处理;对输出模拟量信号,则先经D/A转换后,再输出至外部电路。

MCU主要分类
MCU按其存储器类型可分为无片内ROM型和带片内ROM型两种。对于无片内ROM型的芯片,必须外接EPROM才能应用(典型芯片为8031)。带片内ROM型的芯片又分为片内EPROM型(典型芯片为87C51)、MASK片内掩模ROM型(典型芯片为8051)、片内FLASH型(典型芯片为89C51)等类型;按用途分为通用型和专用型;根据数据总线的宽度和一次可处理的数据字节长度可分为8、16、32位MCU。

MCU主要应用领域
目前,国内MCU应用市场最为广泛的是消费电子领域,其次是计算机与外设和汽车电子市场。
消费电子,包括家用电器、电视、游戏机及音视频系统等;
工业领域,包括智能家居、自动化、医疗应用及能源生成与分配;
汽车领域,包括汽车动力总成和安全控制系统。

MCU未来市场趋势

1、后来居上,32位MCU将成主流。
据ICInsights市场研究报告显示,2015年全球MCU市场规模达到168亿美元,出货量255亿颗。对于32位MCU市场而言,2015年是具有重大标志性意义的一年,全球32位MCU出货量超过4/8位MCU与16位MCU出货量的总和,而且未来几年应该会保持30%左右的高速增长。
在物联网应用中,很多场合不仅需要实现机械化向电磁化、智能化的转变,而且还要考虑可靠的连接性、安全性和保护性,所有这些功能的实现都需要MCU的参与,因此32位MCU会是物联网应用的主流。

2、MCU大整合将成未来发展新趋势。
随着智能设备、物联网等产业的快速发展,无线RF、传感器、电源管理等搭配MCU成为一种新趋势。高度整合的MCU不仅可以方便客户开发产品,并且可减少印刷电路板的占用空间,从而能够降低一部分成本,将来非常具有市场潜力。

3、ARM核心与专用核心MCU,短期内难分伯仲。
从MCU整体发展看,专有核心MCU仍保持着强大竞争优势,两大国际厂商瑞萨和Microchip还在坚守自己的核心,并未转向开发ARM核心MCU,这是因为专有核心MCU在相关应用领域有长期积累,在软硬件开发和支持都很成熟。从短期来看,专有核心MCU仍会保持增长。但专有核MCU也存在瓶颈,比如很难实现跨领域推广,开发工具成本要比ARM核高,而且支持力度要比ARM核小,二者未来长期发展状况将如何呈现,将有待观察。

MCU全球超级明星(介绍而已排名不分先后)

1、STM32系列
由意法半导体推出的STM32系列单片机,在业内赫赫有名。这是一款性价比超高,功能超强的单片机。2016年初,STM32全球出货已破16亿颗大关,相当于每秒就有20颗被出售,产值超过了STM8。意法半导体方面表示,2019财年意法半导体MCU在中国市场的市占率要达到20%,STM32则是其首要武器。
STM32系列家族主要有:STM32 F0、STM32 F1、STM32 F2、STM32 F3、STM32 F4、STM32 L0、STM32 L1、STM32T、STM32W等。其划分标准:从内核上分,可分为:Cortex-M0/-M0+、Cortex-M3、Cortex-M4,以及Cortex-M7。从应用上分,大体分为:超低功耗型、主流型、高性能型。

2、PIC系列
PIC系列单片机是美国微芯公司(Microship)推出的产品,该系列单片机不是单纯的功能堆积,而是以多型号来满足不同层次的需要,并可提供低价的OTP芯片。另外,该系列单片机还具有低功耗睡眠功能、掉电复位锁定、上电复位电路、看门狗电路等功能,而且外围器件少、占用空间小;成本低,保密技术也十分可靠,可最大限度地保护开发者的利益。因此,在工业控制、仪器仪表、计算机、家电等诸多领域具有极其广阔的发展前景。

3、51系列
作为入门级别的51单片机,最早由Intel推出,主要有8031、8051系列。由于其典型的结构和完善的总线专用寄存器的集中管理,众多的逻辑位操作功能及面向控制的丰富的指令系统,堪称为一代“经典”,为以后的其它单片机的发展奠定了基础。后来Atmel以8051内核为基础推出了AT89系列单片机。

4、TMS系列
TMS系列单片机,是由德州仪器推出的8位CMOS单片机。具有多种存储模式、多种外围接口模式,适用于复杂的实时控制场合。其低工作功耗CMOS技术,宽工作温度范围,噪声抑制,再加上高性能和丰富的片上外设功能,使TMS370C系列单片机被广泛应用于汽车电子,工业电机控制,电脑,通信和消费类电子等领域。

5、MSP430系列
MSP430系列单片机是德州仪器1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器。主要是由于其针对实际应用需求,把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上,以提供“单片”解决方案。因其低功耗,速度快,指令少,汇编语言灵活等特性,颇受业内好评。
其他如Atmel的AVR系列、Freescal的MC系列、麦肯的MDT系列等都非常优秀且被广泛应用,在此就不一一赘述了。
 


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