【導(dǎo)讀】中國(guó)是全球最大的家電、電子產(chǎn)品整機(jī)生產(chǎn)國(guó)，也是MCU的最大應(yīng)用國(guó)，每年的MCU消耗量在20億美元以上。在20億美元的國(guó)內(nèi)MCU市場(chǎng)中，雖然8／16位單片機(jī)仍占有主要市場(chǎng)份額，但近年來32位MCU已有了飛速的發(fā)展，市場(chǎng)份額也有了穩(wěn)步的提高。
32位MCU的特點(diǎn)是：低成本、低功耗和高性能等，可以替代目前工業(yè)市場(chǎng)和消費(fèi)電子市場(chǎng)中一些16位MCU。
國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
MCU集成了CPU、片上存儲(chǔ)器、輸入輸出接口、以及信號(hào)采集、控制等電路，廣泛應(yīng)用于制造工業(yè)、過程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、醫(yī)療電子和消費(fèi)類產(chǎn)品等領(lǐng)域，是最關(guān)鍵的嵌入式系統(tǒng)處理芯片。
就MCU產(chǎn)品來說，國(guó)際大型半導(dǎo)體公司，如Renesas、NEC、FreeScale、NXP、ST、Ti等，依靠其高品牌聲譽(yù)、技術(shù)實(shí)力、完善的銷售網(wǎng)絡(luò)，仍然占據(jù)主要市場(chǎng)。同時(shí)，隨著應(yīng)用設(shè)計(jì)需要的資源越來越多，32位MCU市場(chǎng)正受到市場(chǎng)追捧。眾多知名半導(dǎo)體廠商，紛紛將32位MCU視作策略性產(chǎn)品加以發(fā)展。國(guó)產(chǎn)的MCU雖已有相當(dāng)發(fā)展，如海爾集成電路、中穎電子、深圳中微等企業(yè)已經(jīng)有相當(dāng)多的8位MCU產(chǎn)品應(yīng)用，但大多集中在中低檔次的8位MCU領(lǐng)域。對(duì)于32位MCU，目前在內(nèi)地基本還沒有本土芯片提供商。
產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)分析
隨著人們需求的發(fā)展和科技的進(jìn)步，綠色、節(jié)能、智能化是家電發(fā)展的三大趨勢(shì)，尤其是節(jié)能與智能化，這跟MCU有著密切的聯(lián)系。通過實(shí)地調(diào)研，結(jié)合當(dāng)前國(guó)際國(guó)內(nèi)發(fā)展情況，MCU面臨著以下幾大發(fā)展趨勢(shì)。
1、高性能，低價(jià)格。物聯(lián)網(wǎng)、智能家電等應(yīng)用，要求MCU不再僅僅是一些簡(jiǎn)單的開環(huán)、開關(guān)控制，而需要處理更復(fù)雜的物理傳感信號(hào)，具有更加細(xì)膩、智能的控制策略，如TCP／IP等的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、無線網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜路由控制以及多線程問題等；同時(shí)，豐富的人機(jī)界面要求處理器也具有更高的處理性能、分辨率更高的LCD顯示器、細(xì)膩的觸摸屏等輸入設(shè)備，要求嵌入式系統(tǒng)具有強(qiáng)大的GUI系統(tǒng)的支持。為滿足以上要求需要處理器具有更高性能。相對(duì)DSP、FPGA等器件，又應(yīng)具有成本相對(duì)低廉、開發(fā)高效的特點(diǎn)。
2、32位MCU未來還會(huì)向多核方向發(fā)展。我們知道多核應(yīng)用目前主要集中在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器中，但是伴隨密集計(jì)算需求的產(chǎn)生，比如汽車電子、圖像處理和視頻監(jiān)控行業(yè)，將會(huì)出現(xiàn)多核MCU，比如今天我們看到的飛思卡爾MPC563xM系列包括32位汽車動(dòng)力總成MCU，用以改善擁有一至四個(gè)氣缸的小型引擎的效率和性能。MPC563xM器件韻MCU核是基于多核PowerArchitecture和DSP引擎技術(shù)；另外一個(gè)例子是TI達(dá)芬奇TMS3 20DM644X數(shù)字媒體處理器就是由雙核MCU(ARM9+C64X DSP)組成的。
3、在8／16／32位之間的無縫移植的技術(shù)方案。大量的嵌入式應(yīng)用過去和今后一段時(shí)間還將集中在8／16位機(jī)上，但是考慮到市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，推出高性能的升級(jí)產(chǎn)品已經(jīng)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期必須考慮的問題之一，便于實(shí)現(xiàn)輕松升級(jí)的靈活MCU架構(gòu)將得到歡迎。比如Microchip最新推出的32位MCU PIC32的時(shí)候重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)也是和PIC24／disPIC DSC的引腳、寄存器和外設(shè)兼容，新版本的MPLAB開放環(huán)境在原有8／16位MCU上增加了32位PIC32支持和16位通用外設(shè)API庫(kù)，這樣同樣的開放環(huán)境在更換MCU的時(shí)候只是重新編譯一下代碼就可以運(yùn)行了，同樣思路的產(chǎn)品線是飛思卡爾的Flexis QE128，包括了8位S08和ColdfireV1的六款內(nèi)核的升級(jí)方案。
4、單一功能和高集成度。單一化和集成化是MCU發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，特別是體現(xiàn)在8／16位MCU上。在無線通信領(lǐng)域我們已經(jīng)看到了集成8051核的TI公司的ZigBee MCU CC2430和飛思卡爾的68HC08核ZigBee MCU MC1321X；在連接和存儲(chǔ)方面USB的作用在嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛認(rèn)可，大量USB MCU應(yīng)運(yùn)而生，NEC的USB 2．0主機(jī)和外設(shè)的MCU，PIC18F13K50和PIC18F14K50是一個(gè)8位USB MCU。為了滿足最終產(chǎn)品對(duì)高級(jí)USB連接功能與日俱增的需求，Mieroehip PIC32 USB OTG是一個(gè)引入針對(duì)USB OTG功能的32位USB MCU。
這些單一功能的MCU都具有單芯片的高集成度，配合一些外圍功率和電源部件的電路板就可以組成一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)，而且這些芯片一般都配備了優(yōu)化好的支持ZigBee的協(xié)議和USB協(xié)議的軟件庫(kù)，讓設(shè)計(jì)者可以很快完成項(xiàng)目，其他傳統(tǒng)的單一功能MCU的應(yīng)用還包括數(shù)字電源、電機(jī)控制、電表，比如瑞薩針對(duì)電表應(yīng)用的R8C／Tiny系列的MCU。
5、低功耗設(shè)計(jì)和能耗管理。能耗管理是芯片設(shè)計(jì)、制造工藝、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件工程師都在為之努力的研究課題，人們力求在各個(gè)環(huán)節(jié)盡可能地減少靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的電源消耗。傳統(tǒng)的控制電壓的調(diào)節(jié)方式和管理待機(jī)模式依然被多數(shù)電子設(shè)備在采用，還將繼續(xù)延續(xù)下去，但是隨著移動(dòng)終端、無線傳感網(wǎng)絡(luò)裝置、新型智能玩具、便攜式血糖儀、血壓計(jì)和體能監(jiān)測(cè)儀等手持醫(yī)療設(shè)備等這些對(duì)電量消耗極大和永遠(yuǎn)在線的設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模的迅速增加，解決電源管理已經(jīng)成為整個(gè)電子設(shè)計(jì)正在面臨的重要課題，市場(chǎng)對(duì)綠色產(chǎn)品的需求促使制造商考慮采用低功耗的待機(jī)模式，作為嵌入式系統(tǒng)靈魂部件的MCU近年在低功耗設(shè)計(jì)和能耗管理方面的動(dòng)作很大，各種新產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。如Silicon Lab公司的單電池供電的80C51 MCU-8051F9XX，最低電壓可達(dá)0．9 V；同時(shí)，Atmel公司發(fā)布的行業(yè)第一款超低功耗ARM7TDMI閃存MCU-AT91SAM7L，其在關(guān)機(jī)模式只消耗100nA的電流。
技術(shù)瓶頸
MCU產(chǎn)品面對(duì)跨國(guó)大公司的競(jìng)爭(zhēng)壓力，必須提供高質(zhì)量的產(chǎn)品才能從中殺開一條血路。在技術(shù)方面，還是存在相當(dāng)多的技術(shù)難題，如以下方面有待研究開發(fā)：
1、電器可靠性。控制類產(chǎn)品面臨強(qiáng)電磁干擾，必須突破ESD、EMS、EMI等障礙。EMC是電磁兼容性，包括EMI和EMS，即電磁干擾輻射強(qiáng)度和抗干擾輻射強(qiáng)度。ESD可減少靜電損傷不良，提高產(chǎn)品品質(zhì)及合格率。ESD20．20是一個(gè)買方認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于那些芯片、電子元器件、電源及轉(zhuǎn)換器、顯示屏的制造商而言，要成為知名品牌的供應(yīng)商，ESD20．20：近似于一個(gè)強(qiáng)制認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。
2、存儲(chǔ)器工藝。MCU邏輯與存儲(chǔ)工藝復(fù)合技術(shù)，必須解決有關(guān)Flash、OTP、E2PROM電路設(shè)計(jì)及它們的良品率。
3、外圍重要口庫(kù)。MCU的成功除了CPU核，外圍電路起著更關(guān)鍵的作用；需要解決一些常用外圍IP電路的來源問題，特別是有關(guān)的數(shù)模混合電路，例如：AD、DA等；其次，豐富優(yōu)化的系統(tǒng)外圍電路更便于系統(tǒng)搭建，如眾多的數(shù)字通信接口、嵌入式系統(tǒng)內(nèi)部常用部件；最后，優(yōu)化的MCU的常用基礎(chǔ)電路與技術(shù)，如：RC振蕩器，精簡(jiǎn)調(diào)試接口，DC-DC變換電路，復(fù)位電路。
4、生產(chǎn)、開發(fā)支持技術(shù)。如ISP、IAP、軟件加密技術(shù)、芯片軟件量產(chǎn)燒寫技術(shù)。
5、開發(fā)環(huán)境與優(yōu)化軟件庫(kù)。友好、穩(wěn)定的軟件開發(fā)環(huán)境，可靠的軟件調(diào)試仿真器、開發(fā)板；優(yōu)化的與處理器相結(jié)合的軟件開發(fā)支持庫(kù)。
6、低功耗技術(shù)。低功耗的設(shè)計(jì)應(yīng)從頂層到底層各個(gè)階段進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的工作，主要運(yùn)用各級(jí)的低功耗策略，如工藝及低功耗技術(shù)、電路及低功耗設(shè)計(jì)、邏輯(門)級(jí)低功耗技術(shù)、RTL級(jí)(寄存器傳輸級(jí))低功耗技術(shù)、體系結(jié)構(gòu)及低功耗技術(shù)、算法級(jí)低功耗技術(shù)、系統(tǒng)級(jí)低功耗技術(shù)等。
7、產(chǎn)品測(cè)試系統(tǒng)。隨著IT產(chǎn)業(yè)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，與之配套的電子測(cè)量設(shè)備必須適應(yīng)這種形勢(shì)。因此，綜合測(cè)量技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)該日益完善。
8、封裝技術(shù)。封裝技術(shù)對(duì)于芯片來說是必須的，也是至關(guān)重要的。因?yàn)樾酒仨毰c外界隔離，以防止空氣中的雜質(zhì)對(duì)芯片電路的腐蝕而造成電氣性能下降。另一方面，封裝后的芯片也更便于安裝和運(yùn)輸。由于封裝技術(shù)的好壞還直接影響到芯片自身性能的發(fā)揮和與之連接的印制電路板的設(shè)計(jì)和制造，因此它是至關(guān)重要的。
