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        關于MCU,沒有比這一篇更全了

        發表時間:2020-09-16

        什么是MCU?

        MCU,中文簡稱單片機。即將CPU、存儲器(RAM和ROM)、多種I/O接口等集成在一片芯片上,形成的芯片級計算機。

        CPU:包括運算器、控制器和寄存器組。是MCU內部的核心部件,由運算部件和控制部件兩大部分組成。

        前者能完成數據的算術邏輯運算、位變量處理和數據傳送操作,后者是按一定時序協調工作,是分析和執行指令的部件。

        存儲器:包括ROM和RAM。ROM程序存儲器,MCU的工作是按事先編制好的程序一條條循序執行的,ROM程序存儲器即用來存放已編的程序(系統程序由制造廠家編制和寫入)。

        存儲數據掉電后不消失。ROM又分為片內存儲器和片外(擴展)存儲器兩種。

        RAM數據存儲器,在程序運行過程中可以隨時寫入數據,又可以隨時讀出數據。存儲數據在掉電后不能保持。RAM也分為片內數據存儲器和片外(擴展)存儲器兩種。

        I/O接口:與外部輸入、輸出(電路)設備相連接。PO/P1/P2/P3等數字I/O接口,內部電路含端口鎖存器、輸出驅動器和輸入緩沖器等電路。

        4位、8位、16位、32位、64位MCU的用途

        4位

        計算器、車用儀表、車用防盜裝置、呼叫器、無線電話、CD播放器、LCD驅動控制器、兒童玩具、磅秤、充電器、胎壓計.溫濕度計.遙控器等

        8位

        電表、馬達控制器、電動玩具機、呼叫器、傳真機、電話錄音機、鍵盤及USB

        16位

        移動電話、數宇相機及攝錄放影機

        32位

        智能家居.物聯網、電機及變頻控制、安防監控、指紋辨識、觸控按鍵、Modem.GPS.STB.工作站ISDN電話、激光打印機與彩色傳真機等

        64位

        高階工作站、多媒體互動系統、高級電視游樂器、高級終端機等

        物聯網驅動

        物聯網行業興起,是MCU發展的一大驅動力。比如醫療電子用品、個人健康監測產品等都需要低功耗、長時間使用、無線通信的產品,然而這些都必須倚賴MCU來實現。

        MCU作為物聯網的核心零組件,無論在市場規模,還是技術要求上都得到了進一步的發展。

        32bit MCU成主流

        早期MCU架構多是8位為主(例如Intel 8051系列、Atmel AT8/TS8系列、Labs EFM8系列等),且整合開發環境(IDE)也是以8位為主。

        隨著物聯網時代任務的復雜化,對計算能力越來越高促使MCU開始邁向16或32位來設計,與此同時相關的軟件開發環境也提升到32位,甚至做到可以向下兼容,讓開發環境不受限于硬件,以提供更具彈性的開發空間。

        低功耗成核心競爭力

        當前市面上各種移動電子產品最令人詬病的一點莫過于需要頻繁充電,各家智能手機/手環廠商都在努力的降低功耗,提升續航能力。

        功耗的限制使得產品設計時許多功能被犧牲。而對于物聯網世界里數量更為龐大的無線傳感節點,功耗和續航時間更是直接關系到產品的可行性。

        比如在散布在橋梁或者隧道中用于檢測位移形變的傳感器節點,數量龐大且只能依靠電池供電,要求電池續航時間通常達十年以上,這對MCU的功耗提出了非??量痰囊?。

        而如何在低功耗的前提下又能實現較高的運算能力,成為擺在MCU廠商面前的一道難題。目前幾乎所有的主流廠商都瞄準了這一市場需求,紛紛推出各自的超低功耗MCU。

        高整合度 MCU+成趨勢

        物聯網對于其中每個節點最理想的要求是智能化,即能夠通過傳感器感知外界信息,通過處理器進行數據運算,通過無線通訊模塊發送/接收數據。

        因此,集成傳感器+MCU+無線模塊的方案始終是各MCU廠商的追求。更有甚者,對于一些相對容易實現整合的傳感器類型,如觸摸屏控制器、加速度計、陀螺儀等,某些技術實力強大的廠商已經實現了與MCU整合的單芯片SOC/SIP。

        當然由于傳感器和無線通訊技術的多樣性,以及工藝技術上的差異,一味的SIP或SOC整合可能并不一定是明智之舉(如氣體傳感器、溫濕度傳感器整合方案就較為困難),但廠商提供MCU+的整體解決方案已經成為毫無疑問的必然趨勢。

        市場現狀

        2015年開始,為爭奪市場份額,布局強勁增長的物聯網應用,MCU主要廠商之間發生了數起大規模并購。

        根據市場調研機構IC Insights的統計,從收購完成合并后的銷售數據看, NXP、Microchip和Cypress2016年MCU產品線銷售額同比大幅增長,排名也相應上升。

        未進行大規模收購的MCU廠商則表現平平,只有個位數的增長,比如ST和TI,有的出現了大幅下降,比如Samsung。

        圖:2016全球MCU 市場格局

        從上圖我們還看到,8大MCU廠商全球市場份額合計達到了88%,這也就是說除了幾大MCU 外,小的MCU公司市場份額非常小。

        IC Insights 研究報告說,MCU市場將于2020年達到高峰,銷售額達到209億美元,銷售267億顆芯片。

        針對這樣的市場形勢,ST給自己定下目標是2020年銷售額將到達40億美元,從目前市場10%份額增長到20%分額。

        圖:2013-2020全球MCU市場預估

        八大MCU廠商

        1、NXP

        NXP(恩智浦)公司傳統的MCU是基于80C51內核的MCU,嵌入了掉電檢測、模擬以及片內RC振蕩器等功能,這使51LPC在高集成度、低成本、低功耗的應用設計中可以滿足多方面的性能要求。在2015年,恩智浦75%的MCU營收是來自用在智能卡的8位和16位MCU。

        收購飛思卡爾之后,NXP從2015年全球第六大MCU供應商來到了榜首的位置,市場份額也高達19%,營收額達到29億美元。在收購了飛思卡爾之后,NXP的MCU轉向32位MCU的的嵌入式控制應用,汽車電子領域更是其重點領域。NXP和飛思卡爾都開發了大量32位的ARM Cortex-M MCU。

        2、Renesas

        世界首屈一指的MCU供應商,名副其實的MCU之王。

        2003年4月1日,日立與三菱電機之間進行業務重組,成立了瑞薩科技。2010年瑞薩科技又與NEC整合,成立了新的瑞薩電子。

        新生的瑞薩電子以強大的研發實力,設計開發平臺、多種制造技術為基礎,積極推動和加強MCU、系統LSI、模擬及功率半導體器件三大產品領域的發展。

        3、Microchip (收購Atmel)

        全球領先的單片機和模擬半導體供應商。2006到2009年占據第一。2016年1月19日,Microchip從Dialog那里搶婚成功,宣布成功收購Atmel,總值達35.6億美元。

        成功收購Atmel的Microchip在短短不到兩個月的時間內就又爬升至MCU市場第三的位置。

        4、Samsung

        三星2016年MCU市場份額12%,位居第四。三星有KS51和KS57系列4位MCU,KS86和KS88系列8位MCU,KS17系列16位MCU和KS32系列32位MCU。三星MCU為OTP型ISP在片編程功能。在4位機上采用NEC的技術,8位機上引進Zilog公司Z8的技術,在32位機上購買了ARM7內核,還有DEC的技術、東芝的技術等。其單片機裸片的價格相當有競爭力。

        5、ST

        1988年6月成立,是由意大利的SGS微電子公司和法國Thomson半導體公司合并而成。1998年5月,SGS-THOMSON Microelectronics將公司名稱改為意法半導體有限公司。意法半導體是全球微電子應用領域內開發及提供半導體解決方案的領導者,STM32系列ARM Cortex-M*單片機,更是占據了行業半壁江山。

        6、Infineon

        為數不多的能全面涵蓋汽車領域最重要應用的汽車半導體制造商之一。

        1999年4月成立于德國慕尼黑,前身是西門子集團的半導體部門,于1999年獨立,2000年上市。擁有廣博的產品組合,包括微控制器、智能傳感器、射頻收發IC、雷達以及分立式和集成式功率半導體。MCU在汽車電子,工控、醫療領域非常知名。

        7、TI

        一家全球性半導體設計與制造公司, 業務覆蓋超過 35 個國家,服務全球各地超過 10 萬家客戶,擁有 85 年的創新歷史,超過 10 萬種模擬集成電路、嵌入式處理器以及軟件和工具,業界最大的銷售和支持團隊。

        TI的MSP320曾經是風靡一時的數字集成電路,后來隨著公司的轉型,MCU開始下滑。如今,隨著新產品的推出,TI的MCU又有卷土重來的勢頭。

        8、Cypress+Spansion

        Cypress1982年成立,公司生產高性能IC產品,用于數據傳輸、遠程通訊、PC和軍用系統,在紐約股票交易所上市。2015年3月12日,賽普拉斯半導體公司和飛索半導體(Spansion)公司宣布,兩家公司價值50億美元的全股票免稅合并交易已告完成。此項合并誕生了營業額20億美元的全球MCU及嵌入式系統專用存儲器市場領導者,汽車用MCU及存儲器排名第三。

        以上列出的是2016年海外MCU廠商排名,不過目前大陸已經有非常多優秀的MCU廠商。

        大陸MCU廠商正在崛起,也不斷開始有廠商能提供中高級32位MCU,而隨著汽車電子和物聯網大量導入MCU,需求可能呈爆發式增長,相信國產MCU品牌將進入發展黃金期。

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        部分信息來源:電子產品世界、飛象網、EEWORLD、物聯中國

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