一文解析单片机的发展情况

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。