中國單片機的回顧與展望

作者/ 王瑩 《電子產品世界》編輯

摘要：“中國單片機三十年紀念會議”于2016年11月19日在北京航空航天大學舉行，來自產學研的單片機專家回顧了單片機在中國的歷史，并展望了單片機的未來發展趨勢。

　　“中國單片機三十年紀念會議”于2016年11月19日在北京航空航天大學舉行，會議由嵌入式系統聯誼會主辦，聯誼會秘書長何小慶主持，單片機與嵌入式系統應用、電子產品世界等媒體支持，深圳創意會展公司贊助。

　　“今天是為了忘卻的紀念，因為估計四十年就沒人紀念了。”嵌入式系統聯誼會發起人、《單片機與嵌入式系統應用》雜志主任何立民教授風趣地說。據悉，本次活動曾得到創辦了中國單片機學會的陳章龍教授(復旦大學)生前的大力支持(注：現在單片機學會已并入中國計算機學會嵌入式系統專業委員會)。今天，一些當年的年輕人如今很忙，像周立功、劉強、馬忠梅教授等沒出席。不過，會議還是吸引了約70名來賓參與，他們來自大學、企事業單位、媒體等，其中大部分是在職人員，還有一部分退休人員和學生。

何立民：單片機與微處理器同源同宗，又將在物聯網時代匯合

　　何立民教授首先進行了主題報告，介紹了微控制器的源頭、歷史和未來。據悉，世界微控制器最早誕生于1971年的4004，之后形成了兩大分支，一個偏重處理，一個偏向控制(即微控制器(MCU)，也稱單片機)，沒想到在物聯網時代處理和控制二者又融合了，“嵌入式系統”這個名稱正在消失，將進入到以應用和服務為特征的“物聯網”時代(如圖1)。

　　談到我國微控制器的30年歷史，經歷了從單片機到嵌入式系統。整個人類發展是非線性的，現在越來越快，從單學科到多學科、到大學科。單片機是單學科，后來被人瞧不起，改名為“嵌入式系統”。物聯網把各個強勢學科聯合起來，從哪個學科角度看都能解讀，不必互相爭論誰的定義更準。現在從智能電子轉到智慧電子。“智能”強調能力，“智慧”需要加入人文和社會服務在里面，例如智能交通包括從計算車流到汽車違章，但智慧交通可以監測到人違章(杜絕代人違章/消分現象)。

　　何立民教授到昆山調研發現，很多企業的研發人員桌上沒有書，他們也不像過去頻頻找大學教授咨詢了，因為就是直接用模塊。同時感到現在二三流學校(特點：偏應用和技能)很活躍，感嘆現在官(政府)產一馬當先，那么學研應該怎么分工?需要人們重新反思。

清華邵貝貝：與Motorola單片機和μC/OS的不解之緣

　　原清華工程物理系的邵貝貝教授回顧了他與單片機的淵源。邵教授198x去美國進行高能物理合作，打開了中美合作大門。199x年后邵教授又去歐洲核研中心，把部分Motorola單片機帶到中國，后來寫了μC/OS方面的書，推廣了CAN總線等。(電子產品世界編輯注：Motorola在中國最早的單片機實驗室在邵貝貝教授那里有一個，邵貝貝等人著書《嵌入式實時操作系統μC/OS-II》2005年左右是暢銷書)。1994年邵教授回國時，清華老師的經費很緊張，只有1.5萬元左右，于是找到Motorola，之后Motorola更名為飛思卡爾，飛思卡爾又被NXP收購，雙方一直合作至今。邵教授團隊也在這一二十年間培養了50多名碩士/博士生。

　　現在學校大搞ARM MCU，但恐怕對ARM底層不太了解，不像過去摳得那么細。邵教授鉆研底層后發現，手冊中有很多錯誤，后來了解到ARM可能對手冊的編寫重視度不夠。有人說，ARM賣IP的收入不到總營收的一半，很重要的一部分是給客戶講怎樣用好。

清華袁濤回顧了2001年單片機盛會

　　清華自動化系的袁濤教授2001年曾牽頭承辦了“2001嵌入式系統及單片機國際學術交流會”，該會議當年得到胡東成副校長的贊許。袁教授回顧道，當年陳章龍教授主持了會議，沈續榜院士、北航何立民教授主編了論文集，活動承辦者之一《電子產品世界》統計有452名代表參會，觀眾約5600人。“為了辦好會，《電子產品世界》幾員大將不辭辛苦。“沈緒榜院士對此處會議評價是：空前是有目共睹的，希望以后越辦越好。

北大林金龍：開源硬件與MCU應用

　　“現在有開源火箭項目，沒準將來原子彈也會開源了。”北京大學軟件與微電子學院林金龍教授幽默地說。他從開源硬件角度探討了MCU的發展趨勢。他從OHS(開放硬件高峰會議)談起。從2009年開始，每年一屆的OHS成為開源硬件世界的盛事，與會者展示開源硬件項目，交流經驗，討論開源硬件的發展。OHS2016于今年10月在美國波特蘭舉行，會議得到包括Intel、Google等著名公司在內的34家企業贊助，主要是開源硬件平臺和應用廠商，深圳Seeed(矽遞)公司也在其中。越來越多的企業將加入到開源硬件運動中。開源硬件復制開源軟件的成功只是時間問題。

　　他指出，目前開源項目中大部分是MCU，其中影響力最大、市場最成功的項目——Arduino采用MCU。由于開源硬件項目接口標準、源碼開放、工具齊全，使得產品和應用開發容易、快捷，將促進新產品和應用的涌現。開源硬件將導致新產品和應用的爆發式增長，從而推動MCU業的發展(如表1)。

　　最后林金龍展望開源硬件發展的趨勢有三：1.會出現包括內核在內的真正完全開源的硬件產品。2.開源產品大規模進入市場。3.開源社區會真正形成，出現從構想、設計到制造的一體化開源產品。

從NXP角度看MCU的過去與未來走勢

　　NXP微控制器大中華區市場產品總監王朋朋：ARM處理器是一大趨勢，NXP只有兩大系列，ARM Cortex- A和M系列。工藝上，目前主流是90nm和140nm，未來會有40、28nm工藝MCU。MCU硬件開發工具方面，十幾年前，大家買仿真器不容易，不同芯片有不同的仿真器，因此仿真器生意很火;現在一塊板就可搞定，且很便宜，經常免費贈送，或網上下載一個開源做仿真器的方法，因此過去做仿真器的廠商往往做不下去了。操作系統方面，FreeRTOS風頭更盛，RT-Thread成為新星。

　　ARM時代，開發者嚴重依賴軟件開發商，即工程師不了解硬件底層就做出來了。這會導致軟件較大，依賴硬件性能的提高。現在的好處是MCU的內存資源越來越大，處理器速度越來越快，因此軟件不用像過去一樣在有限的幾k字節里摳了，因此可以很快開發出來。各種改變詳見表2和表3。

　　MCU開始侵蝕原先MPU的市場，Cortex-M4比過去ARM9性能高。未來，摩爾定律對MCU仍非常奏效。另外，因為大家都是ARM核，通用產品的區分度變小，需要對細分市場的準確定位，汽車電子、IoT、安全將會是未來MCU增長的重要推動力量。

國產ARM MCU廠商“兆易”之崛起

　　兆易創新的MCU業務2013年才開始，全部是32位的ARM MCU。總經理鄧禹稱，兆易的MCU雖然起步晚，但發展速度驚人。2013年出貨30萬片，2014年300萬片，2015年出貨3000萬片，營業額約 2000萬美元， 2016年上半年出貨已逾2000萬片。

　　兆易作為存儲器起家的公司，之所以做MCU，因為有人總結本土芯片企業有“一代拳王”的特點——靠單一產品打天下，缺乏后續的新產品。朱一明總裁希望在存儲器外，開拓一些其他業務。ARM讓MCU的門檻降低。當時之所以決定從ARM Cortex-M3切入，因為ARM Cortex-M0定位打8位市場，但8位MCU的利潤太低。M3 MCU當時只有一家獨大--ST。兆易以flash起家，因此用“MCU+flash”，賣點是高性能，因此兆易MCU海報上有獵豹的形象。反例是，TI購買ARM MCU先驅Luminary公司后，但Luminary缺乏對flash的了解，因此，TI此塊業務不太成功。

　　業內有種看法，只有第一名才能生存，如果以此推理，歐洲會有一家，美國有一家，很多人認為中國的一家就是兆易了。 因為中國MCU市場太大，盡管跨國公司的產品很強，但是總有一些市場覆蓋不到，這就是兆易的機會。2013年兆易剛推出MCU時，產量30萬片，四年來，連浙江大山里的企業都跑過，非常堅辛。本土客戶的特點是需要交鑰匙方案。當然在中國市場也是有所選擇的，例如中國小家電業很活躍，但中國8位單片機市場已做得好，兆易不打算去涉足;而中國冰洗等大家電企業，還是被日本某跨過公司壟斷，兆易希望有機會進入。

新唐：面向物聯網的單片機趨勢

　　新唐微控制器應用事業部副總經理林任列：32位MCU是趨勢，MCU可促使IoT更好地發展。

　　未來，MCU芯片追求更高的集成度，同時單片機面對安全威脅，需要增加安全性能。深度學習等需要很好的軟件平臺，引發下一代單片機架構變革的猜想。總之，未來單片機不僅是一個單片機，還會有其他處理架構，軟件的開發方法等變革。

百家爭鳴

　　討論環節，河北大學計算機系的王龍江教授認為在消費電子領域，盡管32位ARM MCU很流行，但不要被此忽悠，他至今還用8位單片機。具體地，中國的嵌入式或物聯網，發展方向不是只有像與會多數人強調的那樣只有ARM一條道路可走，而是還有另一條路更有發展前景，更有生命力的即將蓬勃興起的道路可走，那就是軟件硬化。“我們千萬不能錯過這個機會。而且，這是一條功耗更低，速度更快，成本更低，比ARM發展前景更好、更具有競爭力的道路。”可惜大多數人都認識不到和理解不了這點。這不能怪他們，因為只有精通軟件又同時精通集成電路設計的少數人才能看到和理解這點。這也是物聯網等必然發展的方向。“我希望不能只有少數人這樣做，應該喚起大多數人這樣去做，這樣我們的國家才能在這方面彎道超車趕上或超過世界先進水平，實現在互聯網中的中國夢!”

　　鄭小龍老接著說，當算法成為靈丹妙藥時，的確需要軟件硬化。現在的芯片集成度越來越高、例如一些MCU中也加入了硬件加速功能。而TI的DSP還在走，但是單一性能的DSP會較少(電子產品世界編輯在此也補充一下，TI本月推出的新的16位MCU——MSP430FR5994，集成了低能耗加速器(LEA)，可提供支持50多種數學函數的優化DSP庫，因此比ARM Cortex-M0+ MCU快近40倍)。

　　何立民教授稱，他十分崇拜51。而且51非常聰明，看到ARM起來了，就另辟蹊徑，51走了智能器件道路，集成在收發器、銀行卡等中了。我們談物聯網，不能像談嵌入式系統一樣，物聯網概念太大，要落地到具體應用，例如交通、醫療等。

　　武漢一位大學老師致信“嵌入式系統聯誼會”： MCU集成度越來越高，今后該MCU的開發機會在哪里?安富利的周濤先生認為：很多領域可以做精，例如醫療保健測量目前還不夠準確，測變化值還可以，但動態值難度很大，大家可以在這方面開發。另，無人機很火，可以考慮如何做得更好。

　　一位現場同學提問：何時應該用FPGA?邵貝貝：關于FPGA的應用定位，通常在量不太大時可以用，或者對成本不太敏感時。林金龍教授說蘋果7里面有FPGA(注：Lattice芯片)，說明FPGA在某些特定領域也可以大批量用。但FPGA和MCU不是對立關系，一般可以應用配對：MCU+FPGA。何小慶：與非網的FPGA開發板“小腳丫”中，Lattice芯片中可以放軟核，也是一種好的編程方法。北京工業大學計算機系高工彭建朝是教SoPC(注：原Altera，現Intel PSG部門的產品)課的，稱FPGA的好處是可以用IP核形式直接交互，學生們對此特別有興趣，因為設計是真真實實地實現了。

小結

　　首先何立民教授回顧了單片機的誕生與歷史，指出單片機、嵌入式系統、物聯網的發展道路。邵貝貝教授回憶了199x年把Motorola單片機、μC/OS等介紹到中國的歷史背景。袁濤教授追憶了2001年在京舉辦的嵌入式系統盛會。下午的討論環節，林金龍教授探討了智能硬件的歷史概況與未來趨勢，NXP的王朋朋總監介紹了單片機的性能、工藝、開發工具等的走向，兆易創新的鄧禹總經理談了本土MCU如何尋找縫隙、差異化市場的體驗，新唐公司的林總指出未來面向物聯網的單片機需要在架構和軟件等方面繼續創新，滿足云連接、安全、深度學習等體驗。

　　追憶過去，是為了更好地開拓明天。希望過去老一輩從業者的探索精神能夠繼續發揚，激勵新的從業者去克服困難和挑戰，勇于創新，打造更加美好的萬物互聯世界!

參考文獻:

　　[1]何立民.從現代計算機視角看嵌入式系統.單片機與嵌入式系統應用,2016(1)

　　[2]何立民.從現代計算機視角看嵌入式系統.單片機與嵌入式系統應用,2016(2)

　　[3]王龍江.軟件硬化趨勢出現.電子產品世界,2008(3):157-158

　　[4]王瑩.本土MCU廠商的市場及“質”造策略.電子產品世界,2016(10):20-22

　　[5]王瑩.MCU為物聯網“而生”.電子產品世界,2015(1):1-2

本文來源于中國科技期刊《電子產品世界》2016年第11期第16頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。