微處理器和單片機（MCU）從70年代在歐美開(kāi)始興起，1981年8051 單片機問(wèn)世，到今天已經(jīng)36年了。從數量上看，8位單片機依然是MCU 市場(chǎng)的主力，基于8051內核的單片機依然有許多公司在設計和生產(chǎn)。90年代初，由于價(jià)格的原因，32位MCU只是在一些需要高性能計算的應用中使用。2008年以后，以物聯(lián)網(wǎng)（IoT）為代表的新技術(shù)出現，讓開(kāi)發(fā)者開(kāi)始尋找具備無(wú)線(xiàn)通信功能、有一定計算能力，而且價(jià)格不是太貴的MCU。隨著(zhù)ARM CortexM核的MCU 逐漸在市場(chǎng)占據主導地位，應用的場(chǎng)合也越來(lái)越多，在芯片制造上采用更先進(jìn)和高效的制程工藝，32位MCU 的價(jià)格與8位MCU 已經(jīng)沒(méi)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(gè)方面回顧全球MCU發(fā)展歷程，探討發(fā)展趨勢。

MCU 市場(chǎng)現狀

2015年開(kāi)始，為爭奪市場(chǎng)份額，布局強勁增長(cháng)的物聯(lián)網(wǎng)應用，MCU主要廠(chǎng)商之間發(fā)生了數起大規模并購。根據市場(chǎng)調研機構IC Insights的統計，從收購完成合并后的銷(xiāo)售數據看， NXP、Microchip和Cypress2016年MCU產(chǎn)品線(xiàn)銷(xiāo)售額同比大幅增長(cháng)，排名也相應上升。未進(jìn)行大規模收購的MCU廠(chǎng)商則表現平平，只有個(gè)位數的增長(cháng)，比如ST和TI，有的出現了大幅下降，比如像Samsung，（見(jiàn)圖1）。

圖12016全球MCU 市場(chǎng)格局

從圖1我們還看到，8大MCU廠(chǎng)商全球市場(chǎng)份額合計達到了88%，這也就是說(shuō)除了幾大MCU 外，小的MCU公司市場(chǎng)份額非常小。IC Insights 2016年8月的研究報告說(shuō)，MCU市場(chǎng)將于2020年達到高峰，銷(xiāo)售額達到209億美元，銷(xiāo)售267億顆芯片，（見(jiàn)圖2）。針對這樣的市場(chǎng)形勢，在剛剛結束的2017年STM32峰會(huì )上，ST給自己定下目標是2020年銷(xiāo)售額將到達40億美元，從目前市場(chǎng)10%份額增長(cháng)到20%分額。

圖22013-2020全球MCU市場(chǎng)預估

MCU技術(shù)發(fā)展線(xiàn)路

開(kāi)發(fā)工具

8位MCU 時(shí)代，開(kāi)發(fā)工具很簡(jiǎn)單，MCU 功能簡(jiǎn)單，存儲器容量很小，應用代碼甚至可以使用匯編語(yǔ)言書(shū)寫(xiě)， 簡(jiǎn)單的下載和編程工具可以勝任開(kāi)發(fā)工作，后來(lái)隨著(zhù)MCU 功能增加，存儲器容量增加，C語(yǔ)言逐漸成為首選，集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）和JATG 調試漸成主流，這種方式主導了過(guò)去20年MCU開(kāi)發(fā)模式。

隨著(zhù)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，RTOS 從以前的嵌入式系統中“奢飾品”變成今天的“必需品”。得益于開(kāi)源社區和開(kāi)源軟件的幫助，開(kāi)源的RTOS 比如像FreeRTOS、uC/OS和ConTIki已經(jīng)成為開(kāi)發(fā)者的優(yōu)選。 專(zhuān)門(mén)針對物聯(lián)網(wǎng)應用的物聯(lián)網(wǎng)OS 也應運而生，比如ARM mbed OS 、慶科 MicoOS和華為L(cháng)iteOS， 其實(shí)這幾種物聯(lián)網(wǎng)OS的內核也是基于開(kāi)源的RTOS技術(shù)。

開(kāi)發(fā)工具（IDE）價(jià)格昂貴，讓創(chuàng )業(yè)者望而卻步，借助開(kāi)源軟件，MCU企業(yè)紛紛推出自己的IDE，比如瑞薩的e2studio、芯科的Simplicty Studio和NXP的 LPCXpresso，這些IDE 是基于開(kāi)源Eclipse，編譯軟件也是開(kāi)源的GCC ARM 。芯片公司的IDE 雖然在功能和優(yōu)化上無(wú)法與Keil和IAR 相比，但已經(jīng)完全到達可用的程度。 ARM 開(kāi)發(fā)了基于Web的mbed工具，開(kāi)發(fā)者不需要購買(mǎi)和安裝任何IDE，只要有一塊mbed兼容的開(kāi)發(fā)板，就可以進(jìn)行嵌入式開(kāi)發(fā)。如果你使用的是Arduino開(kāi)發(fā)板，Arudino IDE 集成大量開(kāi)源硬件知識庫，讓你開(kāi)發(fā)如虎添翼，事半功倍。

今天，有了強大的開(kāi)源的生態(tài)環(huán)境，MCU 開(kāi)發(fā)者不再會(huì )因為缺乏資金無(wú)法購買(mǎi)開(kāi)發(fā)工具，無(wú)法獲得技術(shù)支持，因而耽誤項目開(kāi)發(fā)而犯愁了。

制造技術(shù)

摩爾定律推動(dòng)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。傳統的MCU，比如8位OTP MCU ，長(cháng)期是使用0.5u的制程工藝，隨著(zhù)時(shí)間的推移，設備和技術(shù)更新，現在主流的MCU 制程是180nm，甚至90nm技術(shù)，展望不遠的將來(lái)，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(jìn)的制程工藝會(huì )在MCU內部集成更多的晶體管，使處理器實(shí)現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(huì )變大，功耗反而會(huì )更小。此外，先進(jìn)的制程工藝還能帶來(lái)片內FLASH 容量的增加，未來(lái)1MB甚至4MB 的FALSH MCU 也是常見(jiàn)的產(chǎn)品了。

當然，制程工藝將會(huì )給MCU 生態(tài)環(huán)境帶來(lái)挑戰，比如初期制造成本的增加，芯片設計復雜性增加。32位核心導入，軟件開(kāi)發(fā)難度增加，以及物聯(lián)網(wǎng)應用帶來(lái)MCU和RF 以及Sensor集成，進(jìn)而帶來(lái)功耗管理和PCB設計上一系列棘手問(wèn)題。

應用設計方案

MCU應用五花八門(mén)，從最小的消費電子產(chǎn)品，到大型工業(yè)機器人，幾乎涵蓋了所有嵌入式電子產(chǎn)品。早期的MCU芯片公司只是提供應用指南和參考設計代碼，方案性的設計一般是客戶(hù)自己完成，或者由專(zhuān)業(yè)的方案公司和代理商完成，然后交給設備廠(chǎng)商生產(chǎn)，這樣模式至今依然大量存在。

隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)興起，電子產(chǎn)品智能化需求越來(lái)越多，傳統產(chǎn)業(yè)升級已經(jīng)迫在眉睫，電子產(chǎn)業(yè)急需MCU 廠(chǎng)商提供更多更好的創(chuàng )新型設計方案。隨著(zhù)電商時(shí)代到來(lái)，渠道的扁平化，傳統芯片代理商已經(jīng)無(wú)力投入日趨復雜的方案設計，行業(yè)日趨細化和深入，傳統的方案商已經(jīng)轉型成產(chǎn)品提供商，應用設計方案的重任再次落在MCU 公司身上。

今天我們看到全球領(lǐng)先的MCU企業(yè)，比如ST、NXP、TI 和瑞薩等公司，他們都能提供許許多多MCU 應用解決方案，這些方案的技術(shù)越來(lái)越前沿，功能越來(lái)越完善。比如STM32峰會(huì )上展示的預防黑客侵入的智能鎖的安全解決方案，可以在小屏幕上實(shí)現美觀(guān)流暢的游戲界面的超低功耗MCU 智能手表方案，以及基于低成本STM32F7MCU的LoRa網(wǎng)關(guān)。

近年興起的創(chuàng )客運動(dòng)也是MCU 應用方案的一大貢獻者。創(chuàng )客們大量采用的Arduino 開(kāi)源硬件，Arduino采用的MCU是Atmel公司的AVR系列處理器； 機器人項目Pibot則采用Arduino作為核心控制板。 在開(kāi)源硬件環(huán)境下，沒(méi)有開(kāi)發(fā)基礎， 只有創(chuàng )意的開(kāi)發(fā)者， 也可以完成自己的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。 開(kāi)發(fā)門(mén)檻的降低了， 將吸引更多的人實(shí)現創(chuàng )意， 極大地增加產(chǎn)品的種類(lèi)和數量， 從而導致對MCU需求的增長(cháng)。

中國MCU 發(fā)展機遇

80年代初北京工業(yè)大學(xué)電子廠(chǎng)掀起了TP801開(kāi)發(fā)熱潮，同期，上海和江蘇等地開(kāi)發(fā)了MCS-51的單片機開(kāi)發(fā)系統，這股單片機的熱潮引發(fā)了全國的智能電子大變革的時(shí)代的開(kāi)始。1986年10月，在上海復旦大學(xué)舉行了第一次全國單片機學(xué)術(shù)交流會(huì )，這標志了中國單片機事業(yè)的開(kāi)始，也由此經(jīng)歷了中國單片機30年輝煌發(fā)展歷史進(jìn)程。2016年11月，嵌入式系統聯(lián)誼會(huì )舉辦了中國單片機30年紀念活動(dòng)，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(guò)去幾年中國MCU市場(chǎng)一直持續增長(cháng)，據 isuppli Research 2015的研究報告（見(jiàn)圖3），2011年中國MCU市場(chǎng)銷(xiāo)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(chǎng)份額將持續增大，期內復合增長(cháng)率已經(jīng)接近10%。前面我們看到全球8大MCU 企業(yè)沒(méi)有的中國企業(yè)（包括臺灣），有關(guān)研究報告還指出，

中國內地和臺灣MCU企業(yè)在中國市場(chǎng)各有10%的份額。筆者從剛剛結束的2017年STM32峰會(huì )了解到，2016年ST 中國通用MCU市場(chǎng)營(yíng)收在其全球市場(chǎng)中占比36%，從2007年開(kāi)始就一直保持27% 的年復合增長(cháng)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(dòng)汽車(chē)和無(wú)人機等新型應用是拉動(dòng)MCU快速增長(cháng)重要引擎。

圖32011-2017中國MCU 市場(chǎng)預估

中國單片機30年，MCU廠(chǎng)商很多，但多數混跡8/16位低端市場(chǎng)，中國是全球第一大電子制造基地，有足夠大的市場(chǎng)來(lái)養活這些小廠(chǎng)商。但設計能力低，缺少戰略發(fā)展規劃和資金支持的中小MCU 廠(chǎng)商，難以改變中國企業(yè)在MCU市場(chǎng)的弱勢地位。

國產(chǎn)32位MCU 提速

近年中國MCU企業(yè)的增長(cháng)提速，尤其是在32位MCU市場(chǎng)上涌現出像兆易創(chuàng )新、致象科技和靈動(dòng)微電子這樣的企業(yè)，他們基于A(yíng)RM Cortex M 技術(shù)的MCU 芯片受到了市場(chǎng)的歡迎，國產(chǎn) MCU產(chǎn)品的市場(chǎng)戰略一般是更低的價(jià)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(chǎng)策略讓國內企業(yè)非常受用，取得了豐碩的成果。

據財經(jīng)媒體報道，2016年，兆易創(chuàng )新實(shí)現營(yíng)收14.89億，凈利1.76億，營(yíng)收同比增長(cháng)25%、利潤增長(cháng)了12%；MCU芯片實(shí)現營(yíng)收1.97億元，同比增長(cháng)55.2%，銷(xiāo)量4578萬(wàn)顆，兆易創(chuàng )新最近以65億收購北京矽成。矽成的主營(yíng)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)品的設計與銷(xiāo)售，產(chǎn)品應用于汽車(chē)、工業(yè)醫療、網(wǎng)絡(luò )移動(dòng)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(xiāo)售的業(yè)務(wù)范圍正好互補。收購矽成對于未來(lái)兆易創(chuàng )新GD32系列MCU發(fā)展都將起到積極作用，或將有助于兆易創(chuàng )新拓展汽車(chē)電子市場(chǎng)的計劃。

國產(chǎn)MCU 的挑戰

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(jiǎn)單是幫助國產(chǎn)MCU 發(fā)展的重要原因。我們知道，開(kāi)發(fā)智能手機芯片要有巨資投入最先進(jìn)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(huì )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(kāi)放手機聯(lián)盟 （Open Handset Alliance）現在有84個(gè)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(kāi)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(xiàn)路，它與智能手機完全不一樣，MCU 還是一個(gè)多元化的應用市場(chǎng)，雖然有幾個(gè)很熱鬧的產(chǎn)品，比如無(wú)人機、可穿戴手環(huán)，智能溫控器，但是這些產(chǎn)品在數量上與智能手機無(wú)法比擬，而且它們每一個(gè)的軟硬件平臺都不一樣。憑借基礎的開(kāi)發(fā)工具、90nm制程和應用方案，加上中國企業(yè)擅長(cháng)的“保姆式”服務(wù)，國產(chǎn)MCU 有機會(huì )出奇制勝，一展宏圖。

是不是國產(chǎn)MCU 可以高枕無(wú)憂(yōu)，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(xiàn)就不難發(fā)現，中國企業(yè)（包括臺灣）差距很大，STM32 750余款MCU，多數采用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(dòng)微電子成熟產(chǎn)品F103 采用還是傳統的0.18um。

在開(kāi)發(fā)工具上，國產(chǎn)MCU 基本沒(méi)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(huì )開(kāi)發(fā)一個(gè) KEIL MDK 或者IAR 插件，沒(méi)有經(jīng)費的用戶(hù)多是盜版IDE使用。

在應用設計方案和生態(tài)環(huán)境建設方面，國產(chǎn)MCU 更是遠遠落在外國企業(yè)后面，比如STM32峰會(huì )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(chē)總線(xiàn)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(wú)人機、華為運動(dòng)手表、MOOV 耳機和阿兒法智能機器人等數十種國內設計和生產(chǎn)的基于STM32產(chǎn)品。 這大大提升了與會(huì )的開(kāi)發(fā)者的興趣，（見(jiàn)圖4）。

圖4 STM32 峰會(huì )現場(chǎng)展示

32位MCU市場(chǎng)發(fā)展，芯片設計和制造技術(shù)固然很重要，而產(chǎn)品線(xiàn)生態(tài)建設，開(kāi)發(fā)工具的研究、嵌入式OS的支持、創(chuàng )新型的應用案例、穩定的貨源供應和技術(shù)支持也非常重要，每一項都缺一不可，都做好了真的不容易，國產(chǎn)MCU要進(jìn)入國內電子企業(yè)主流供應商名單，要走向國際舞臺，還有很長(cháng)路要走。面向未來(lái)5-10年百億級的物聯(lián)網(wǎng)設備市場(chǎng)，MCU迎來(lái)了前所未有的機遇，也給了中國MCU 發(fā)展和騰飛創(chuàng )造了絕佳的切入點(diǎn)。

關(guān)于ELEXCON2017深圳國際電子展暨嵌入式系統展：作為華南地區規模最大的專(zhuān)業(yè)電子和嵌入式技術(shù)展，ELEXCON2017將于2017年12月21-23日在深圳會(huì )展中心舉行。從元件到系統，從設計到制造，ELEXCON2017將匯聚超過(guò)800家重要供應商提供的最新技術(shù)和產(chǎn)品，覆蓋的熱點(diǎn)涵蓋：嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)、電力電子、人機交互與生物識別、無(wú)線(xiàn)充電、醫療電子、傳感器、電動(dòng)汽車(chē)、智能制造等。更多詳情，請登陸：www.elexcon.com

作者簡(jiǎn)介

何小慶是著(zhù)名的嵌入式系統專(zhuān)家，國內最早涉足嵌入式OS者之一，創(chuàng )辦了北京麥克泰軟件技術(shù)有限公司，有30年嵌入式技術(shù)和市場(chǎng)經(jīng)驗。他是中國軟件行業(yè)協(xié)會(huì )理事、嵌入式系統分會(huì )副理事長(cháng)，嵌入式系統聯(lián)誼會(huì )秘書(shū)長(cháng)，《單片機與嵌入式系統應用》編委會(huì )副主任，出版有《嵌入式操作系統風(fēng)云錄：歷史演進(jìn)與物聯(lián)網(wǎng)未來(lái)》，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統μC/OS-III應用開(kāi)發(fā)》和《嵌入式軟件精解》等多本著(zhù)作和譯著(zhù).