MCU產品、軟件、生態系統的演變及未來展望

作者/ 王朋朋 恩智浦半導體公司(北京 100005)

摘要：時值中國單片機學會成立30周年，有幸參與這場有意義的紀念活動，與業界前輩和同行一起回顧單片機的發展演變，探討未來的發展之路。

　　單片機進入中國30年，也正是單片機高速發展的時代。從簡單的控制到嵌入式系統，再到物聯網，從工業領域到消費電子、安防、醫療、汽車、智能家居等產品，單片機無處不在，并從高科技領域越來越多的進入我們的日常生活。

　　單片機的發展從8位開始，目前8位單片機仍占有較高市場份額，在很多應用中發揮重要作用，但32位的ARM產品顯然成長更快。從8位到32位，不僅僅是位數和CPU內核的變化，在軟件開發、工具和環境、工程師開發方式、生態系統方面，都帶來了深刻的變化。甚至產品的名字也從早期的“單片機”，到更多地使用“微控制器”或者“嵌入式系統”這樣的術語(如表1)。我們下文更多以MCU或微控制器來指代這一產品。

　　MCU所采用的工藝，8位機時代以0.5μm~0.35μm為主，ARM7及早期的Cortex-M產品多采用0.18μm~0.14μm，而現在90nm已經成為主流。在不久的將來，40nm、28nm的單片機也將會在市場出現。工藝進步帶來成本降低，動態功耗降低，單位面積集成更多內存或實現功能。

　　從產品本身來看，隨著工藝的進步，產品設計技術的提高，以及市場需求的推動，產品的性能、架構、內存、外設、功耗和安全性都得到了很大提高(如表2)。

　　MCU產品的封裝也在發展中。在消費類電子產品中，封裝越來越小，BGA/CSP應用增多。工業類電子產品仍傾向于容易焊接，成本較低的QFP、QFN、TSSOP等封裝，但DIP等大體積封裝應用明顯減少。如圖1所示LPC824-DIP開發板，是把一顆基于Cortex-M0+內核的微控制器產品，加上一些外圍電路，做到跟一顆80C51 DIP封裝的芯片相兼容。

　　開發工具的發展緊跟產品的發展。在32位ARM微控制器時代，硬件開發工具趨于一致。大家普遍使用JTAG或者SWD接口的仿真器進行開發調試。在工具廠商的專用仿真器之外，MCU 廠商也紛紛推出支持自己產品的仿真器，如NXP(恩智浦)公司的LPC-Link(圖2)。昂貴的仿真器被低價、免費或集成的板載仿真器取代。一些通用接口如Arduino的流行使MCU開發板結構趨于簡單，模塊化設計增多。開發板價格大幅降低，市場推廣以免費或低價開發板吸引用戶已成常態。

　　在軟件集成開發工具中，Keil、IAR依舊是商用主流。同時各廠家紛紛推出基于Eclipse架構的免費IDE + gcc編譯器，如NXP公司的針對LPC系列產品的LPCXpresso工具，以及與飛思卡爾合并后推出的支持NXP全系列MCU產品的MCUXpresso工具。在IDE環境之外，輔助開發的軟件工具逐漸發揮作用，如代碼生成工具、管腳配置工具等。

　　在8位單片機時代，一人可以精通整個系統，掌握所有軟件，用匯編或C語言直接操作底層硬件，代碼量小，結構簡單。在新一代的嵌入式軟件開發中，用戶嚴重依賴供應商或第三方提供的軟件開發庫，包括外設驅動程序、中間件、應用例程等。軟件開發呈現如下幾個特點：

　　? 用戶一般不再直接操作寄存器，而是通過軟件API調用實現;

　　? 用戶較少關心底層操作，更專注于上層應用開發;

　　? 軟件結構化、可移植性、可繼承性增強;

　　? 內存使用大幅增加，程序效率相對降低，通過硬件性能的提高補償;

　　? 軟件工作在整個系統中的比重大幅增加。

　　在軟件開發中，就不能不提到操作系統。在8位單片機時代一般無需使用操作系統。在ARM7早期時代，μClinux移植火熱，但在學習之余，在實際產品中較難應用。隨著中文書的出版，μC/OS-II在中國流行。而由于商務模式及市場推廣等因素影響，目前FreeRTOS的使用更為廣泛，同時RT-Thread等本地實時操作系統成為新星。現在的用戶更趨于理性，并廣泛具有相應的知識，合理選擇合適的RTOS，或者不使用RTOS。

　　在32位ARM微控制器時代，生態系統的概念深入人心，其重要性在某種程度上甚至超過產品本身。生態系統涵蓋從學習、開發到生產的各個方面，涉及所有相關環節的參與者和相關的支持資源：工具、軟件、文檔、設計服務、論壇、研討會、大學實驗室、競賽、圖書、培訓等。ARM生態系統日益繁榮，也進一步推動了其內核在32位領域的領導地位。適應新一代年輕工程師的使用習慣，線上活動更加活躍：新型社交媒體、在線研討會、直播互動、網上零售等成為大家接收信息交流信息的重要平臺。

　　不僅MCU產品、開發及生態系統在迅速發展，同時，我們在市場、應用、用戶方面也看到了更多的發展和成長機會。傳統工控行業保持穩定，消費類占比上升;萬物互聯時代創造了大量MCU的應用機會，智能家居、智慧工廠、智慧城市、智慧農業等新應用層出不窮。而由MCU產品性能提高帶來的直接效果是，MCU開始侵蝕原先MPU的應用，范圍更加廣泛，市場應用更加多樣化。一批中國客戶躋身全球大客戶行列，單一客戶平均采購量增長迅速，具有領先技術的公司嶄露頭角。年輕工程師普遍接受過32位ARM MCU教育或自學;用戶變“‘懶”，期待從網絡及各種渠道獲取參考設計及軟件，開發周期縮短;用戶英文程度普遍提高、有助于閱讀文檔、瀏覽網站和全球化技術交流;MCU教育走入中小學，門檻降低，受眾更廣。

　　隨著設計技術和工藝的持續進步，MCU產品進一步發展，性能更高、外設更豐富、功耗更低、安全增強。同時會具有更大的程序和代碼存儲空間，給工程師更多自由發揮的空間，嵌入式系統開發不再局促。而生態系統以其強大的力量對MCU開發產生潛移默化的影響。通用產品區分度變小，需要對細分市場的準確定位。汽車電子、IoT(物聯網)、安全將會是未來MCU增長的重要推動力量。

　　未來嵌入式系統的發展應該會更關注安全、可擴展、高能效。MCU與傳感、連接等相融合，共同構建安全互聯的終端節點。(注：本文根據“中國單片機三十年紀念會議”上的講演整理節選。會議時間：2016年11月19日，地點：北京航空航天大學)

　　參考文獻：

　　[1]何小慶.嵌入式軟件操作系統風云錄.北京:機械工業出版社

　　[2]王瑩.中國單片機的回顧與展望.電子產品世界,2016(12):16-20

　　[3]王瑩. “新”恩智浦愿景：安全、智能、互聯.電子產品世界,2016(1):1-2

本文來源于《電子產品世界》2017年第1期第27頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。