本文簡單地介紹了MCU及MCU相關的開發工具。並引用IC insights和IHS兩個重要的市場研究機構說明了MCU市場的規模及MCU市場的廠商市場份額排名。對MCU市場發展的變化趨勢做了幾點簡要說明。盤點了一些國內外MCU廠商及其相關情況。本文希望能對MCU相關從業者以及開發工程師有所幫助。由於本人水平有限，整理過程中不免有錯誤和疏漏，敬請指正。

MCU簡介

微控制器英文是 Microcontroller Unit，簡寫為MCU。微控制器是將計算機運行所需要的一些資源（如ROM、RAM、I/O、定時器、USB、ADC、DAC等）集成到了一個芯片上，稱之為單片微型計算機（Single Chip Microcomputer），俗稱為單片機。因程序存放在微控制器的存儲器中，又與硬件緊密配合使用，故又稱之為嵌入式微控制器(Embedded Microcontroller Unit，EMCU)。單片機的程序與硬件緊密相連，區別於PC的軟件，又將稱單片機的程序為固件或韌體。

處理器又稱為中央處理器（CPU，Central Processing Unit），是計算機的核心計算單元。MCU不同於處理器，一個MCU就是一個完整的計算單元，而處理器需要與存儲、顯示、鍵盤、內存等單元結合在一起才構成一個完整的計算機系統。

MCU基本組成

一般地，MCU基本組成由以下部件組成：

• CPU - MCU的核心部件，包括運算器和控制器兩個主要部分

• 存儲器 - 用於存儲程序和數據

• 中斷控制器 - 暫停執行當前的任務而出來其他的事件，處理完成後，返回中斷處繼續執行

• 輸入/輸出端口 - 連接或驅動不同的設備，如LED等

• 串行通信端口 - MCU和不同外設之間進行數據交換，如UART、SPI等

• 定時器/計數器 - 脈衝計數和定時

  常見MCU外設有以下：

• GPIO - General Purpose Input Output，通用輸入輸出，

• ADC - Analog to Digital Converter,模數轉換器

• DAC - Digital to analog converter,數字模擬轉換器

• USB - Universal Serial Bus,通用串行總線

• CAN - Controller Area Network,控制器局域網絡

• ETHERNET - 以太網

• SPI - Serial Peripheral Interface,串行外設接口

• UART - Universal Asynchronous Receiver Transmitter,通用異步收發傳輸器

• USART - Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter，通用同步異步串行接收發送器

• I2C - Inter-Integrated Circuit，集成電路總線

• EEPROM - Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，電可擦可編程只讀存儲器

• Comparator - 比較器 * Operational Amplifier - 運算放大器

• I2S - Inter—IC Sound,集成電路內置音頻。飛利浦公司為數字音頻設備之間的音頻數據傳輸而制定的一種總線標準，該總線專門用於音頻設備之間的數據傳輸，廣泛應用於各種多媒體系統。

• Crypto-HASH - 加密哈希

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MCU分類

MCU可以根據其位數、存儲器、架構和指令集進行分類。

根據數據位數分類

• 4位 - 內部數據或總線是4位寬度，ALU執行半字節長度的邏輯和算術運算

• 8位 - 內部數據或總線是8位寬度，ALU按順序執行一個字節長度的邏輯和算術運算

• 16位 - 內部數據或總線是16位寬度，ALU可以進行16位操作數的算術和邏輯運算

• 32位 - 內部數據或總線是32位寬度，ALU可以執行32位操作數的邏輯和算術運算

根據指令集分類

• CISC - Complex Instruction Set Computer，複雜指令集計算機

• RISC - Reduced Instruction Set Computer，精簡指令集計算機

根據存儲器結構分類

• 哈佛結構 - 指令和數據分開存儲

• 馮▪諾依曼結構 - 又稱作普林斯頓體系結構（Princetion architecture），指令和數據存儲在同個存儲空間

根據存儲器設備分類

• 內部存儲MCU - 程序存儲在MCU內部

• 外部存儲MCU - 程序存儲在MCU外部

按照功耗分類

• 通用MCU - 所有MCU相關資源（ROM、RAM、I/O、 EPROM），用戶都可以用

• 超低功耗MCU - 低漏電工藝，專門為電池供電等能源節約設計，

按照用途分類

• 通用型

• 專用型 - 硬件和指依據特定用途設計。

MCU常見內核架構

目前，市場主流的MCU內核有：

• 8051 - Intel的MCS-51、哈佛架構、CISC指令集，由Intel開發。

• ARM Cortex-M - 精簡指令集計算（RISC）架構，由英國公司ARM Holdings開發。

• 6800 - CISC指令集，由Motorola開發

• MIPS - RISC指令集，由MIPS Technologies, Inc.開發。MIPS Technologies, Inc.被Imagination Technologies收購。

• AVR - 哈佛架構、RISC指令集。由Atmel公司開發，Atmel為Microchip收購

• PIC - 哈佛RISC指令集，由Microchip Technology公司開發

• Z80 - CISC指令集，由Zilog公司開發。Intel 8080的擴展

• RISC-V - 開放的RISC精簡指令集，2010年項目開始於加利福尼亞大學伯克利分校

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MCU的存儲器

存儲程序的存儲器主要有以下幾種：

• ROM - Read-Only Memory，是一種非易失性存儲器(Non-volatile memory, NVM),用於存儲MCU固件

• EPROM - Erasable Programmable Read-Only Memory，可擦可編程序只讀存儲器

• EEPROM - Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，電可擦可編程只讀存儲器

• FLASH - Flash Memory，閃存是一種非易失性的存儲器

在8位機市場中，有些仍在使用OTP工藝的程序存儲器，由於其成本低而被廣泛使用。未來的發展看，FLASH會是未來8位和32位的主流程序存儲器。

MCU的封裝

MCU的封裝是用戶開發使用MCU最直接的表現形式。新工藝新市場需求的發展也出現了新的封裝形式,如WLCSP和SiP。WLCSP適合於對於MCU體積空間要求非常嚴苛的場合，如可穿戴產品。SiP可以將不同芯片的IP封裝在一起，在市場需求多變的情況下，開發一款MCU產品投入顯然很大，通過封裝不同的IP，大大降低了產品投入的風險。

常見的MCU封裝有：

• DIP - Dual In-line Packag, 雙列直插式封裝

• QFP - Quad Flat Package,方型扁平式封裝

• QFN/DFN - Quad Flat No-Leads/Dual-Flat no-leads,方形/雙邊扁平無引腳封裝

• BGA - Ball Grid Array,焊球陣列封裝

• SOP - Small Out-Line Package,小外形封裝

• WLCSP - Wafer Level Chip Scale Packaging,晶圓片級芯片規模封裝

• SiP - System In a Package,系統級封裝

MCU主要的市場應用

MCU已廣泛應用於各行各業的產品中，下面列出了幾個主要的應用領域：

• 消費電子

• 計算機和通信

• 工業

• 汽車電子

• 物聯網

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開發工具

實時操作系統（RTOS）

早期，MCU由於資源緊張，如FLASH 一般都是0.5KB/1K/2KB/4KB/8KB/16KB等無法運行一個底層的操作系統。並且嵌入式實時控制對指令週期有著嚴格的要求，不適合用操作系統進行系統設計開發。而隨著MCU資源的豐富、運行頻率越來越高，對一些實時性要求不高的應用，開始使用操作系統了。操作系統對開發者的要求大大降低了，只需要開發相關的任務或應用就可以了。尤其是近些年物聯網發展的需求，要求對通信協議和控制進行各種轉換和處理，帶動了操作系統的應用和普及。

開源RTOS較容易為開發者所接受，下面列出了一些國內外比較常見的開源RTOS：

國外實時操作系統（RTOS）

• ARM mbed OS - ARM公司專為物聯網 (IoT) 中的“物體”設計的開源嵌入式操作系統，主要支持ARM Cortex-M微控制器

• FreeRTOS - 非常流行的嵌入式操作系統，支持多種微控制器

• Contiki OS - Contiki是一個開源的物聯網操作系統。 Contiki將小型低成本、低功耗微控制器連接到互聯網。Contiki是構建複雜無線系統的強大工具箱。

• LiteOS - 類UNIX操作系統,多用於無線傳感網絡

• RIOT - 物聯網友好的操作系統。RIOT實現了所有物聯網相關的開放標準，支持連接、安全、耐用和隱私。

• TinyOS - 適用於低功耗無線設備，用於無線傳感器網絡

• μTenux - 基於ARM Cortex M0-M4的開源物聯網嵌入式操作系統。內核源於T-kernel。

• ChibiOS/RT - 提供了一個嵌入式應用的完整開發環境(RTOS、HAL、外設驅動、支持文件和工具)

• Micrium uCOS - 免費商業化應用需授權，2016年為Slicon Labs收購

• Unison - Unison RTOS是面向IoT和M2M通信嵌入式應用的實時操作系統

• Zephyr - Zephyr項目是一個可擴展的實時操作系統（RTOS），支持多種硬件架構，針對資源有限的設備進行了優化，並以安全性為基礎構建。由Linux基金會託管。

• eCos - eCos是面向嵌入式應用的免費開源實時操作系統。高度可配置性使得eCos能夠根據精確的應用需求進行定製，提供最佳的運行時性能和優化的硬件資源佔用。

中國實時操作系統（RTOS）

• RT-Thread - 中國的開源嵌入式實時操作系統

• djyos - 都江堰操作系統，由長園深瑞繼保自動化有限公司（簡稱深瑞）主持的開源操作系統

• Huawei LiteOS - 華為公司的操作系統。Huawei LiteOS是輕量級的開源物聯網操作系統、智能硬件使能平臺，可廣泛應用於智能家居、穿戴式、車聯網、製造業等領域，使物聯網終端開發更簡單、互聯更加容易、業務更加智能、體驗更加順暢、數據更加安全。

• AliOS Things - 面向IOT領域的輕量級物聯網嵌入式操作系統

編譯器

編譯器就是將編程語言翻譯成MCU可以執行的機器語言。彙編語言和C語言是常用的編程語言。MCU開發主要用到的編譯器有下面兩種：

• 彙編語言編譯器

• C語言編譯器

編譯器的選擇跟選擇的MCU有關。彙編編譯器一般由芯片廠家來提供。C語言編譯器有的由MCU廠家提供，也有專業的第三方C編譯器。常用到的C編譯器有：

• Keil - ARM公司編譯器，專注於ARM處理器。支持的MCU產品有ARM、8051/8052、Intel 80251、英飛凌C16x等

• IAR Systems - 流行的8位、16位和32位C和C++編譯器。支持的MCU有ARM Cortex-M0/M0+/M3/M4/M7/R4/A9、MSP430、AVR（8位）、STM8等

• SDCC - Small Device C Compiler(SDCC)開源免費的C編譯器。支持的MCU有：Intel MCS51（8031/8032/8051/8052等）、NXP HC08、Zilog Z80、STMicroelectronics STM8、Microchip PIC16/PIC18等

• Altium TASKING - 支持ARM Cortex-M系列、8051、251等系列MCU

• Green Hills - Green Hills Optimizing Compilers 支持ARM Cortex-M、MIPS等系列MCU

• GNU Compiler Collection - GNU Compiler Collection (GCC)是GNU Project的開源編譯器，支持各種編程語言。GCC已被移植到各種指令集架構中，作為免費和專用軟件被廣泛使用，支持的MCU包括ARM Cortex-M系列、AVR等

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選擇C語言作為項目的開發軟件工程師是越來越多。C語言對於不同內核架構的MCU產品C語言代碼更容易於移植。C語言作為項目開發也更容易沉澱聚合公司或團隊集體的“知識財產（IP）”。對彙編語言有“情懷”的MCU開發者依然很多，這部分MCU多是以4/8位MCU為主，開發相對簡單的項目。商業的C語言編譯器比較昂貴，一般的個人或小公司沒有意願購買正版，多是採用破解的C語言編譯器。隨著版權意識越來越強，軟件工程師更傾向於免費或開源的C語言編譯器。部分的商業C語言編譯器也開放了有限制的版本供軟件工程師使用。

C語音編譯器是核心，需要一個可調試開發的集成開發環境（IDE），不少廠家藉助開源軟件（如Eclipse）推出基於GCC的C語言編譯器，如NXP的MCUXpresso IDE。值得一提的是，ARM公司推出了基於web的mbed工具，無需本地化安裝IDE和編譯器，在任何可以上網的地方就可以編寫程序，這是一種全新的開放編程方式。

MCU市場規模

下面分別從MCU行業中兩個重要的調研機構數據來看MCU市場的規模。

IC Insights

根據IC Insights的預測，到2020年MCU市場將創下歷史新高。經過近幾年的價格下滑，MCU平均銷售價格預計會上漲，有助於銷售額達到新高。雖然未來五年增長總體放緩，但MCU年收入仍然會創新記錄。2015年MCU銷售僅增長不到半個百分點，創下略超159億美元的新紀錄，MCU出貨量卻增長了15％，全球MCU出貨量達到了221億的歷史最高峰。智能卡MCU和32位機的設計帶動了出貨量的增長，這也使得MCU平均售價下降了13%，在2015年達到了歷史新低0.72美金。過去的三年中，價格的下降尤其是32位MCU，拖累了MCU銷售增長，但平均銷售價格在2015年-2020年期間預計會穩中上升，複合年均增長率（CAGR）同比增長1.6%，而而2010年到2015年期間年均下降率為-7.7％。

儘管平均銷售價格下降預計會結束，但MCU出貨量增長速度會遠低於過去十年前五年，主要原因是智能卡MCU增長放緩和因物聯網IC庫存收緊。 IC Insights預測2016年MCU銷售額將增長至2016年的接近166億美元，比2015年的159億美元增長4％。MCU出貨量預計增長2%達到224億美元，整體MCU的平均銷售價格預計增長2%今年達到$0.74美元。2015年至2020年，MCU銷售預計年複合增長率5.5%在最後一年接近209億美元。自20世紀90年代中期以來，全球MCU銷售額的複合年增長率為2.9％。

預計到2020年MCU銷售額將不會出現下滑。2016年至2019年期間（預計銷售額增長9％），整體MCU收入增長預期將逐漸加強，而後再回落至2020年的4％增長率。目前MCU的出貨量複合年增長率增長預計是3.9％。

到2020年MCU單位增長放緩的一個主要因素是智能卡市場的成熟，近年來，這一市場佔據了微控制器出貨量的近一半，佔總收入的15-16％。 到2020年，智能卡MCU佔微控制器總出貨量的38％，銷售額的12％左右。

IHS

MCU主要廠商排名

IC Insights

2017年4月27日，2016年NXP收購Freescale成為第一MCU供應商。雖然微控制器的整體增長在過去幾年中一直在搖擺不定，但MCU仍然處於物聯網、汽車、機器人、嵌入式應用和其他新興系統巨大增長的中心。主要的MCU供應商一直在改進他們的產品組合以應對這些關鍵市場。部分改進過程包括合併和收購競爭對手以便迅速立足這些發展中市場。

IHS

MCU發展趨勢

市場需求的發展帶來了MCU應用的普及，隨著產品智能化、萬物互聯需求的發展，也必將帶來MCU銷售的增長。市場需求的發展也促進了MCU產品功能不斷地改進、性能不斷地提高。通用MCU產品做“加法”，通過增加外設滿足越來越多的不同的市場需求，現在的MCU基本可以滿足大多數應用對MCU外設的需求。而一些專用MCU做”減法“，通過減少一些不必要的外設，增加一些特定的功能，滿足某些市場應用的需求，比如，集成有無線射頻的MCU等。

超低功耗

芯片工藝技術的進步使得MCU的功耗大大降低，行業也在向著節能降耗繼續發展。而對超低功耗MCU越來越受到重視，尤其是隨著對電池供電應用以及無線連接技術的重視，一節電池往往要求工作幾年，有的甚至要求工作十年，超低功耗MCU是最基本的要求。更多超低功耗MCU資訊，可參閱 《超低功耗MCU報告》

物聯網

根據Grand View Research，Inc.的一份報告，到2022年，全球物聯網MCU市場預計將達到35.6億美元。 ARM公司的預測：到2035年，物聯網提升全球GDP：每年5萬億美元; 到2035年，物聯網模塊和數據服務的年度支出：每年1萬億美元;2017年至2035年期間物聯網連接模塊的累計支出：7500億美元; 2017年和2035年之間建立的物聯網設備數量：1萬億

新的應用推動著MCU在物聯網行業的應用發展，也是MCU一個很重要的增長領域。物聯網應用中的通信連接、智能傳感器等都是主要的應用形式。人常說物聯網是“碎片化”的。其中一方面是物聯網的規模比較分散和標準不統一。而另外方面看，物聯網需要的多樣化市場需求也決定了所謂的“碎片化”。“碎片化”的市場需要整合統一的物聯網標準，或者是融合各種技術的標準以滿足不同的需求。這也為MCU的新產品定義和創新提供了新的條件和機遇。

ARM公司推出了WPAN的Cordio無線IP解決方案，集成藍牙5和IEEE 802.14.4-2006標準的超低功耗CMOS無線IP產品，可以實現一個MCU產品支持多協議棧，如藍牙、Zigbee、Thread以及基於802.15.4的各種通信協議。Silicon Labs也推出了支持2.4GHz和1GHz以下的多種無線通信協議的MCU產品，支持Zigbee、Thread、藍牙、Sub-GHz等各種通信協議。

價格

半導體技術的進步使得MCU產品價格越來越低，下面是對主流的8位和32位MCU產品市場平均價格空間做了一個簡單的說明：

低配的8位MCU價格已然突破了0.15美金（匯率若按6.5計算，6.41.170.15=1.12含稅人民幣），主流的8位MCU價位基本在0.15~0.6美金。主流的32位MCU市場平均價格一般在2美金左右。市場主流的ARM Cortex-M0的MCU產品平均價格一般是在1美金以下，在同核多供應商競爭的格局下，基於ARM Cortex-M0的32位MCU平均價格還是會繼續下降，低配的基於ARM Cortex-0 32位MCU已經降到了0.3美金。

2017年 ARM公司DesignStart的項目對ARM Cortex-M0/M3內核免授權費，大大降低了MCU開發者的開發費用，利用現有成熟的IP快速設計產品。這必然帶來MCU產品設計者的增加，進而32位MCU的價格競爭也勢在必然。

智能硬件、物聯網等新興的市場也帶動了中國MCU市場的發展，出現了不少新的MCU供應商，給MCU市場帶來了競爭，也為中國MCU注入了新的活力。

MCU主要廠商

基於ARM Cortex-M內核的中國MCU廠商

中國MCU IP的廠商

• 杭州中天微系統有限公司

• 蘇州國芯科技有限公司

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