MCU产品、软件、生态系统的演变及未来展望

 单片机进入中国30年，也正是单片机高速发展的时代。从简单的控制到嵌入式系统，再到物联网，从工业领域到消费电子、安防、医疗、汽车、智能家居等产品，单片机无处不在，并从高科技领域越来越多的进入我们的日常生活。

单片机的发展从8位开始，目前8位单片机仍占有较高市场份额，在很多应用中发挥重要作用，但32位的ARM产品显然成长更快。从8位到32位，不仅仅是位数和CPU内核的变化，在软件开发、工具和环境、工程师开发方式、生态系统方面，都带来了深刻的变化。甚至产品的名字也从早期的“单片机”，到更多地使用“微控制器”或者“嵌入式系统”这样的术语(如表1)。我们下文更多以MCU或微控制器来指代这一产品。

MCU所采用的工艺，8位机时代以0.5µm~0.35µm为主，ARM7及早期的Cortex-M产品多采用0.18µm~0.14µm，而现在90nm已经成为主流。在不久的将来，40nm、28nm的单片机也将会在市场出现。工艺进步带来成本降低，动态功耗降低，单位面积集成更多内存或实现功能。

从产品本身来看，随着工艺的进步，产品设计技术的提高，以及市场需求的推动，产品的性能、架构、内存、外设、功耗和安全性都得到了很大提高(如表2)。

MCU产品的封装也在发展中。在消费类电子产品中，封装越来越小，BGA/CSP应用增多。工业类电子产品仍倾向于容易焊接，成本较低的QFP、QFN、TSSOP等封装，但DIP等大体积封装应用明显减少。如图1所示LPC824-DIP开发板，是把一颗基于Cortex-M0+内核的微控制器产品，加上一些外围电路，做到跟一颗80C51 DIP封装的芯片相兼容。

开发工具的发展紧跟产品的发展。在32位ARM微控制器时代，硬件开发工具趋于一致。大家普遍使用JTAG或者SWD接口的仿真器进行开发调试。在工具厂商的专用仿真器之外，MCU 厂商也纷纷推出支持自己产品的仿真器，如NXP(恩智浦)公司的LPC-Link(图2)。昂贵的仿真器被低价、免费或集成的板载仿真器取代。一些通用接口如Arduino的流行使MCU开发板结构趋于简单，模块化设计增多。开发板价格大幅降低，市场推广以免费或低价开发板吸引用户已成常态。

在软件集成开发工具中，Keil、IAR依旧是商用主流。同时各厂家纷纷推出基于Eclipse架构的免费IDE + gcc编译器，如NXP公司的针对LPC系列产品的LPCXpresso工具，以及与飞思卡尔合并后推出的支持NXP全系列MCU产品的MCUXpresso工具。在IDE环境之外，辅助开发的软件工具逐渐发挥作用，如代码生成工具、管脚配置工具等。

在8位单片机时代，一人可以精通整个系统，掌握所有软件，用汇编或C语言直接操作底层硬件，代码量小，结构简单。在新一代的嵌入式软件开发中，用户严重依赖供应商或第三方提供的软件开发库，包括外设驱动程序、中间件、应用例程等。软件开发呈现如下几个特点：

• 用户一般不再直接操作寄存器，而是通过软件API调用实现;

• 用户较少关心底层操作，更专注于上层应用开发;

• 软件结构化、可移植性、可继承性增强;

• 内存使用大幅增加，程序效率相对降低，通过硬件性能的提高补偿;

• 软件工作在整个系统中的比重大幅增加。

在软件开发中，就不能不提到操作系统。在8位单片机时代一般无需使用操作系统。在ARM7早期时代，µClinux移植火热，但在学习之余，在实际产品中较难应用。随着中文书的出版，µC/OS-II在中国流行。而由于商务模式及市场推广等因素影响，目前FreeRTOS的使用更为广泛，同时RT-Thread等本地实时操作系统成为新星。现在的用户更趋于理性，并广泛具有相应的知识，合理选择合适的RTOS，或者不使用RTOS。

在32位ARM微控制器时代，生态系统的概念深入人心，其重要性在某种程度上甚至超过产品本身。生态系统涵盖从学习、开发到生产的各个方面，涉及所有相关环节的参与者和相关的支持资源：工具、软件、文档、设计服务、论坛、研讨会、大学实验室、竞赛、图书、培训等。ARM生态系统日益繁荣，也进一步推动了其内核在32位领域的领导地位。适应新一代年轻工程师的使用习惯，线上活动更加活跃：新型社交媒体、在线研讨会、直播互动、网上零售等成为大家接收信息交流信息的重要平台。

不仅MCU产品、开发及生态系统在迅速发展，同时，我们在市场、应用、用户方面也看到了更多的发展和成长机会。传统工控行业保持稳定，消费类占比上升;万物互联时代创造了大量MCU的应用机会，智能家居、智慧工厂、智慧城市、智慧农业等新应用层出不穷。而由MCU产品性能提高带来的直接效果是，MCU开始侵蚀原先MPU的应用，范围更加广泛，市场应用更加多样化。一批中国客户跻身全球大客户行列，单一客户平均采购量增长迅速，具有领先技术的公司崭露头角。年轻工程师普遍接受过32位ARM MCU教育或自学;用户变“‘懒”，期待从网络及各种渠道获取参考设计及软件，开发周期缩短;用户英文程度普遍提高、有助于阅读文档、浏览网站和全球化技术交流;MCU教育走入中小学，门槛降低，受众更广。

随着设计技术和工艺的持续进步，MCU产品进一步发展，性能更高、外设更丰富、功耗更低、安全增强。同时会具有更大的程序和代码存储空间，给工程师更多自由发挥的空间，嵌入式系统开发不再局促。而生态系统以其强大的力量对MCU开发产生潜移默化的影响。通用产品区分度变小，需要对细分市场的准确定位。汽车电子、IoT(物联网)、安全将会是未来MCU增长的重要推动力量。

未来嵌入式系统的发展应该会更关注安全、可扩展、高能效。MCU与传感、连接等相融合，共同构建安全互联的终端节点。(注：本文根据“中国单片机三十年纪念会议”上的讲演整理节选。会议时间：2016年11月19日，地点：北京航空航天大学)

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