淺談MCU內(nèi)核架構(gòu)發(fā)展歷史

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道(文/程文智、李寧遠(yuǎn))目前，MCU已經(jīng)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到有哪個(gè)領(lǐng)域沒(méi)有MCU的蹤跡。不論是家用電器、儀器儀表、智能手機(jī)、平板電腦、鍵盤(pán)鼠標(biāo)、儀器儀表、或者是金融系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備、通信、汽車(chē)、航空航天等領(lǐng)域都有MCU的身影。

這一點(diǎn)從MCU的出貨量上也可以明顯看出來(lái)，據(jù)IC Insights統(tǒng)計(jì)，全球MCU產(chǎn)品出貨量從2015年的221億顆，增長(zhǎng)至2020年的361億顆，2021年甚至可達(dá)到395億顆。市場(chǎng)規(guī)模也在這兩年的缺貨漲價(jià)的行情中快速增長(zhǎng)，2020年的市場(chǎng)規(guī)模為197億美元，2021年增長(zhǎng)了11%達(dá)到了215億美元，預(yù)計(jì)今年還會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)。

國(guó)內(nèi)MCU市場(chǎng)經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展，不論是市場(chǎng)，還是產(chǎn)品技術(shù)也都得到了很大的發(fā)展。從市場(chǎng)規(guī)模看，根據(jù)IHS的統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)MCU市場(chǎng)規(guī)模從2015年的180億元，增長(zhǎng)至2020年的269億元，應(yīng)用市場(chǎng)包括了汽車(chē)電子(33%)、工業(yè)控制及醫(yī)療(25%)、計(jì)算機(jī)(23%)、消費(fèi)電子(11%)等。

MCU的發(fā)展歷史

MCU出現(xiàn)的歷史并不長(zhǎng)，但其發(fā)展非常迅速。1971年，美國(guó)英特爾公司的霍夫研制出世界上第一塊4位微處理器芯片4004，標(biāo)志著第一代微處理器問(wèn)世。當(dāng)時(shí)4004配有RAM、ROM和移位寄存器，包含2300個(gè)晶體管，尺寸規(guī)格為3mm×4mm，最初的售價(jià)為200美元。接著，1972年，英特爾又推出了8位微處理器Intel8008，以及主頻為2MHz，采用6微米工藝的8080，晶體管個(gè)數(shù)增加了6000個(gè)。

隨后，1976年，英特爾推出MCS-48系列的8位MCU，采用了8位CPU、 8位并行I/O接口、8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、RAM和ROM等集成于一塊半導(dǎo)體芯片上的單片結(jié)構(gòu), 雖然其尋址范圍有限(不大于4 KB), 也沒(méi)有串行I/O, RAM、 ROM容量小, 中斷系統(tǒng)也較簡(jiǎn)單, 但功能可滿足一般工業(yè)控制和智能化儀器、儀表等的需要。

除了英特爾推出了MCS-48系列MCU之外，Zilog公司也在1976年開(kāi)發(fā)出了Z80微處理器，廣泛應(yīng)用微型計(jì)算機(jī)和工業(yè)自動(dòng)控制設(shè)備中。在當(dāng)時(shí)，英特爾、摩托羅拉和Zilog在微處理器領(lǐng)域三足鼎立。

在1980年，英特爾在MCS-48系列MCU的基礎(chǔ)上，推出了MCS-51系列8位MCU(最典型的有高性能8051單片機(jī))，在工業(yè)控制領(lǐng)域引起了不小的轟動(dòng)，并迅速確立了其不可動(dòng)搖的地位。MCS-51系列MCU無(wú)論是片內(nèi)RAM容量，I/O接口功能，還是在系統(tǒng)擴(kuò)展方面都有了很大的提高。

不久之后，英特爾徹底開(kāi)放了801單片機(jī)的技術(shù)，引來(lái)世界上很多半導(dǎo)體廠商加入了開(kāi)發(fā)和改造8051單片機(jī)的大軍。其中貢獻(xiàn)較大的有Philips，它著力發(fā)展了單片機(jī)的控制功能和外圍單元;Atmel公司則在MCU內(nèi)部植入了Flash ROM，使得MCU的應(yīng)用變得更加靈活;ADI推出的ADUC8xx系列MCU，在MCU向SoC發(fā)展的過(guò)程中扮演了很重要的角色。

1983年Intel公司又推出了高性能的16位單片機(jī)MCS-96系列, 工藝更先進(jìn)，集成的晶體管更多，可達(dá)12萬(wàn)只以上。除了英特爾之外，TI、Atmel、Microchip、瑞薩等也都先后推出16位MCU產(chǎn)品。

2000年以前的MCU公司基本都是采用自研內(nèi)核，之后隨著計(jì)算要求越來(lái)越復(fù)雜，內(nèi)核廠商開(kāi)始出現(xiàn)，分工進(jìn)一步細(xì)化，MCU廠商開(kāi)始采用外購(gòu)內(nèi)核并將主要精力投入到外圍電路等其他部分的研發(fā)。

就目前來(lái)說(shuō)，第三方的MCU內(nèi)核中，占主導(dǎo)地位的是Arm Cortex M系列，該系列由Arm開(kāi)發(fā)，采取IP授權(quán)的形式，Cortex-M系列具有短流水線、超低功耗的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。2004年，Arm推出了其第一款Cortex-M系列處理器M3，ST最先采用，并快速推出了一系列基于該內(nèi)核的32位MCU。

當(dāng)然，除了Cortex-M系列的MCU內(nèi)核，近幾年興起的RISC-V也出現(xiàn)了不少專(zhuān)門(mén)提供IP的公司，國(guó)內(nèi)不少M(fèi)CU公司推出了相關(guān)的產(chǎn)品。接下來(lái)，我們看看市面上的主流的MCU內(nèi)核IP有哪些。

主流的MCU內(nèi)核IP

目前，不論是國(guó)內(nèi)，還是國(guó)外，Arm的Cortex-M系列MCU內(nèi)核都是主流。截止到目前，Arm共推出了10款Cortex-M系列MCU內(nèi)核IP，這些IP可滿足低、中、高端需求。其中，M0、M0+、M1、M23四個(gè)系列為低端MCU內(nèi)核IP;M3和M4為中端MCU內(nèi)核IP;M7、M23、M35P、M55為中高端MCU內(nèi)核IP產(chǎn)品。

國(guó)外廠商中，瑞薩主要以自研內(nèi)核為主，自研內(nèi)核產(chǎn)品料號(hào)占了近8成;Microchip自研內(nèi)核MCU產(chǎn)品超過(guò)一半以外，其他大部分廠商都采用Cortex-M系列MCU內(nèi)核為主，而且，它們?cè)诘椭懈叨祟?lèi)產(chǎn)品方面都有布局。

國(guó)內(nèi)MCU廠商90%都采用了Arm 的Cortex-M系列內(nèi)核，與國(guó)外廠商不同的是，國(guó)內(nèi)MCU廠商基本都是集中在幾個(gè)產(chǎn)品系列。其中，兆易創(chuàng)新的32位MCU產(chǎn)品主要采用了M23、M3、M4、M33和RISC-V五種MCU內(nèi)核;華大半導(dǎo)體主要采用了M0+和M4兩種MCU內(nèi)核;國(guó)民技術(shù)主要采用了M0和M4兩種MCU內(nèi)核，另外，其M7內(nèi)核的MCU產(chǎn)品還在研發(fā)當(dāng)中;中穎電子主要以8位MCU為主，其32位MCU采用了M3內(nèi)核;芯海科技的32位MCU產(chǎn)品采用了M0內(nèi)核;比亞迪半導(dǎo)體的32位MCU產(chǎn)品采用了M0和M0+兩種;靈動(dòng)微電子主要采用了M0、M0+、M3、以及Arm China STAR-MC1 內(nèi)核四種。

這幾年，RISC-V在國(guó)內(nèi)非?；馃幔m然現(xiàn)在推出RISC-V內(nèi)核MCU產(chǎn)品的企業(yè)還不算多，但未來(lái)潛力還是不錯(cuò)的。如今在RISC-V市場(chǎng)，SiFive、晶心科技、平頭哥，以及芯來(lái)科技等都有相應(yīng)的IP產(chǎn)品。

除了這些第三方的MCU內(nèi)核IP產(chǎn)品，不少?gòu)S商的自研內(nèi)核產(chǎn)品也還在不斷發(fā)展中，比如瑞薩的RXv1、RXv2、及RXv3系列內(nèi)核;Microchip的PIC16、PIC32、AVR DB、AVR DA等MCU內(nèi)核。國(guó)內(nèi)也有自研內(nèi)核的MCU企業(yè)，比如芯旺微電子的KungFu8和KungFu32內(nèi)核。

雖然現(xiàn)在市場(chǎng)主流已經(jīng)是32位MCU了，但8位MCU還是有一定市場(chǎng)，也有不少M(fèi)CU企業(yè)還在推出8位MCU新產(chǎn)品。目前在8位MCU市場(chǎng)中，Microchip一家獨(dú)大，市場(chǎng)份額超過(guò)了30%，緊隨其后的是恩智浦，約占15%;另外，瑞薩和ST也分別占有10%左右的市場(chǎng)份額。

這些8位MCU廠商中，大部分都是采用了自研內(nèi)核，比如Microchip以AVR和PIC內(nèi)核為主;恩智浦以RS08和M68HC內(nèi)核為主;瑞薩主要是RL78、H8和78K0;ST采用STM8內(nèi)核。

除了自研內(nèi)核之外，8位MCU廠商還會(huì)采用8051開(kāi)源內(nèi)核來(lái)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。前面我們有提到8051內(nèi)核是英特爾在1980年開(kāi)發(fā)的架構(gòu)，在1998年失去了專(zhuān)利保護(hù)后，成為了開(kāi)源IP，再次展現(xiàn)出了強(qiáng)大的二次生命力，各家廠商在8051內(nèi)核基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定的改動(dòng)，并推出了各種差異化的產(chǎn)品。但這類(lèi)產(chǎn)品基本都統(tǒng)稱(chēng)為8051內(nèi)核的MCU。目前國(guó)內(nèi)采用8051內(nèi)核的廠商有中穎電子、宏晶科技、比亞迪半導(dǎo)體、芯海科技、富滿微等。

結(jié)語(yǔ)

近期，<電子發(fā)燒友>分析師團(tuán)隊(duì)對(duì)MCU市場(chǎng)進(jìn)行了一次調(diào)研，本期主要介紹的是MCU內(nèi)核的一些情況，接下來(lái)，我們還將介紹這些內(nèi)核IP的應(yīng)用情況，以及最終MCU產(chǎn)品的應(yīng)用情況，敬請(qǐng)關(guān)注。

原文標(biāo)題：MCU內(nèi)核架構(gòu)發(fā)展歷史及主流內(nèi)核IP的發(fā)展情況

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審核編輯：湯梓紅