作者：姚琳
摘自：<<今日电子>>

Microcontroller(微控制器)又称MCU或μC，是现代电子设备中不可或缺的核心器件之一，担负着控制、运算、信号转换及处理、通信等多项工作，人们日常生活中的大部分电器都或多或少地采用了不同架构、不同性能的MCU。

MCU按照总线位数来说，可分为4位、8位、16位、32位和64位，由于制造工艺的改进，8位MCU与4位MCU的价格相差无几，8位MCU已成低端市场的主流。针对4位MCU，大部分供货商采用按单生产，主要用于低端的电子产品上。16位MCU广泛用于手机、数码相机、汽车等中低端应用。32位MCU以基于ARM内核的产品为代表，是增长最快的市场，ST、飞利浦、夏普、NEC、瑞萨、三星等公司开发了许多基于ARM内核的MCU，主要用于各种手持设备和需要高性能的其他电子产品。而MIPS、Tensilica、ARC在32位市场中所占的份额很小，不过他们均已进入中国市场，希望借中国巨大的IC市场翻身。

MCU市场增长潜力巨大
根据WSTS市场调研公司的资料显示，MCU产品2004年的销售额达到120亿美元，出货量为70亿片，比2003年增长了27%以上，超过半导体行业18%的年平均增长率。随着微电子技术的飞速发展，MCU已成为低成本器件，其应用面更加广泛，已全面渗透到人们的日常生活中。IC Insight和WSTS公司预测，MCU市场将从2004年的120亿美元发展到2008年的160亿美元。而在MCU产品中，增长速度最快的是32位MCU产品，市场总值将从2004年的27亿美元增至2008年的67亿美元。2004年8位MCU占总出货数量的55%以上，而32位MCU约占7%。但从销售额来看，8位MCU为39%，32位MCU为30%，因此预计在未来4年32位MCU将以20%的速度增长。

MCU市场的两大驱动力是消费电子和汽车电子，特别是对中国市场来说，庞大的传统家电产业对MCU有着巨大的需求，市场增长速度较为平稳；而中国消费电子产业发展迅速，极大地拉动了对MCU的需求，从而使得数字消费类MCU在消费类MCU市场中所占比例上升较快。在2004年中国消费类MCU产品市场结构中，8位MCU仍然是市场的主力产品，销售量占据中国MCU市场51%的份额。此外，由于中国拥有巨大的小家电产业规模，从而对4位低端MCU仍然有较大的需求。而数字电视、机顶盒以及数字家庭市场的陆续启动，必然带动对16位、32位高端MCU的需求。

据Strategy Analytics的报告指出，2004年汽车电子业总市值将达到151亿美元，未来5年内汽车电子装置成本将占到汽车整车成本的50%左右，其中MCU将担任重要的角色。汽车智能化的进展促使车用MCU的数量不断提升，如8位和16位MCU主要用于仪表控制、ABS、仪表和安全气囊等方面，而随着控制精度需求的提升，16位MCU正逐步取代8位MCU成为车用MCU中增长最快的器件，32位MCU则将在发动机控制、汽车导航、音响及汽车智能等方面找到用武之地。

16位MCU不断集成创新
8位MCU的厂商众多，不但有飞利浦、ST、NEC、东芝、飞思卡尔、Microchip、Ateml、瑞萨等大厂，中国台湾地区的盛群半导体和凌阳科技近几年也异军突起，在小家电、工业控制等领域的市场份额和销售额取得了长足进步。与10年前相比，现在的8位MCU不但尺寸缩小了，功耗降低了，功能也增加了LCD驱动器、PWM控制器、高性能的模数转换器和闪存，有的还提供了I2C、SPI、CAN等新接口，提供了休眠和停机下的低功耗工作模式。

32位MCU则主要用在手机、PDA、便携式多媒体播放机、机顶盒、网络安全等产品当中，随着制造工艺的进步，32位MCU的价格也变得平易近人了，开始和16位MCU争夺中端市场。例如，飞利浦推出了ARM9核的90nm32位MCU LPC3000，该器件采用的90nm技术支持1V操作，与3V相比，可减少9倍的功耗。而ARM9系列也提供多项电源管理功能，包括可以进入低功率状态，直到出现岔断或除错请求。LPC3000包括集成的USB On-the-Go (OTG)和完整的USB Open Host Controller Interface (OHCI)主控能力等外设功能，无须外部控制器，进一步降低功率消耗和成本。LPC3000也将提供一个多阶层NAND Flash接口，让消费者能选择更高密度和低成本的闪存。LPC3000的外设包括7个UART、SPI、I2C、USB、实时时钟、NAND Flash接口及其他接口，提供一个向量浮点辅助处理器，支持单精度和双精度运算，以满足马达控制等信号处理应用的需求。

32位MCU的最大好处是可以支持大容量的存储器和提供大量的I/O接口，一方面可以容纳越来越大的程序来满足复杂的控制需求，另一方面大量的I/O引脚可以节省许多外围器件，例如深度FIFO、UART上的附加寄存器组以及数模转换器上的附加插入电路等，从而降低系统成本。

夹在8位和32位MCU之间的16位MCU似乎有些尴尬，低端市场受到性能不断增强的8位MCU的挤压，高端市场基本上是32位MCU的天下，而且32位MCU的价格不断下滑，侵占了许多16位MCU的市场份额。不过，这并不意味着16位MCU没有用武之地了，各家公司仍在不断推出新的16位MCU，以满足客户的多样化需求。

英飞凌推出的XC164S/D/N是XC16x系列中的16位MCU，包括片上A/D转换器、CAN接口、64Kb或128Kb闪存等。此外，捕捉/比较、CAN控制器和MAC等智能外设单元进一步减轻了中央处理器的负担，其总线结构允许多个芯片子系统同时运行，与目前的16位MCU相比，性能提升了一倍以上，可媲美一些32位MCU。与同类产品相比，还可节省30%的成本，降低了众多应用的系统价格。

德州仪器公司的MSP430是16位RISC Flash MCU，集成了12位DAC、16位Δ-ΣADC、运算放大器、DMA和不耗电的掉电复位电路，时钟恢复稳定时间为 1μs。MSP430的最大特色是低功耗，其端口漏电流为50nA，在数据保持模式和实时时钟模式下的工作电流为0.1μA和0.8μA，在1MIPS时的工作电流为250μA，非常适合手持设备、远程监控等对功耗要求极为严格的应用。

Microchip公司则另辟蹊径，向市场推出的产品都是混合型的。其8位MCU在输出部分是8位的，但在内部指令集部分，就有16位、14位和12位，因此能够与低端的16位MCU进行竞争。Microchip推出的16位MCU在输出部分是16位的，在内部指令集部分可以达到24位水平，完全能够集成在DSP引擎上，从而能够与低端DSP及低端32位MCU竞争。

英国Cyan Technology推出的16位MCU eCOG1采用了Harvard RISC内核，具有2个USART和2个UART接口、I2C接口、带有主/从适应器的SPI接口、ISO7816快速适应卡接口、IR/IrDA功能、16位计时器、通用计数和计时器、6通道12位ADC、存储器管理单元(MMU)、外部存储器接口(EMI)、内置温度传感器和电源监测器，提供了60个数字I/O和模拟功能，与28个专用GPIO引脚，可用于中断唤醒MCU，以节省功耗。64kb闪存包括8个带有读/写保护的独立分区，数据可安全保存100年，256B可擦写分区可反复擦写20万次，单电压支持保存、写入及擦掉闪存。

eCOG1具有14个独立的时钟分区，使得每个外设都可以在最低500Hz的时钟频率下运行，还可以在不使用的情况下关闭以节约能量，极大地降低外设的功耗。内部PLL从32kHz和5MHz的震荡输入中选择产生25MHz和100MHz的系统时钟，带有中断提醒功能的休眠模式。eCOG1的最主要特色是低功耗，在停机状态下的电流小于400nA，16kHz时的电流为10.1μA，25MHz时的消耗电流为11mA。

CyanIDE集成开发环境能够在几个小时内完成16位MCU eCOG1k和COG1m的配置任务，用户只需要一个微控制器便可以满足不同应用或特性需求。不但有模拟器、调试器和系统内部编程器，符合ANSI标准的C语言编译器还附带了编辑器、项目文件管理器，编辑器支持C语言、自动编排和括号匹配。

工作台窗口可以按照用户的需要定制，支持分开、移动、合并，甚至多个显示器。在同一个环境下都能模拟和仿真硬件，同时可以查看存储器、寄存器或变量，并且CyanIDE能够充分利用标准的Python语言。

调试器支持最多512个断点，足以调试最复杂的程序，通过指令或C声明，以及C源码和汇编浏览器，CyanIDE支持单步调试，并能通过片上电路仿真器在目标硬件上进行调试。仿真电路不需要配备插座，开发环境也不需要其他额外的硬件设备支援。

内存配置的工作也非常简单，通过内存管理系统(MMU)的配置对话框，经过鼠标简单地点选和拖放处理，就能够图形化地设置MMU。只需输入逻辑基地址和物理基地址，并从下拉框中选择段的大小，CyanIDE便会自动产生存储器管理单元所需的全部启动码。“系统支持模块”对话框允许工程师选择外围设备的时钟源和分割器。

软件可自动生成配置文件并作为用户项目的一部分，包括了所有必须用来配置选定外设的代码，通过计算输入到eCOG1中外围寄存器的值，用户就可以集中精力设计应用程序了。

CyanIDE还提供了一个独特的外设配置工具，设计师可以选定所需的外围设备，然后把它们拖曳到eCOG1k或者COG1m的影像上，只需在选定的外围设置上用鼠标右击，便能轻松地显示及设定其特性。如果配置发生了错误或者冲突时，用户将会接到警示信号。启动配置码也会自动产生，而且经过改进的调试器支持通过键盘输入的数据观察与检测，还能够在活动程序中修改指定地址处的参数和数据。在程序完成过程中，如果各种数值发生了变化，调试器将会把它们明显地标示出来。

以上几个产品只是各厂商推出的16位MCU当中的一部分，以后的产品还将具有更大的RAM和闪存、更高的处理能力和更多的外设。

16位MCU的未来市场
从销售量来看，8位MCU市场仍将继续增长，并占有最大的比重，但由于竞争的压力导致价格不断下滑，8位MCU的销售总额基本保持平稳甚至有所萎缩。

32位MCU是增长最快，也是利润最为丰厚的市场，连传统的8位MCU厂商Atmel也挤了进来，发布了基于ARM内核的AT91处理器，在32位领域小试牛刀。

16位MCU仍然固守着许多传统市场，一部分应用产品(如PC、办公设备及通信)会升格成32位，向SoC方向发展。然而在汽车、工业及数码AV等领域中，16位MCU的市场比重将会持续扩大。

特别是在汽车电子产品中，8位和16位MCU是汽车电子领域的主流产品。由于汽车系统是分布式架构，所以对32位MCU的需求并不像消费电子产品那样强烈。另外，汽车电子领域对成本非常敏感，虽然4位MCU在淡出，但8位和16位MCU会因其独特的成本优势占据车身控制和传感器应用领域。

8位和16位MCU的高可靠性已经在长期的使用和实践中得到验证，还有大量已经得到验证的代码。处于对安全的考虑，汽车厂商对32位MCU接受起来还是要反复测试、循序渐进的。毕竟，在高速行驶的汽车中MCU死机或重启，其后果是谁都无法预料的。

就像8位MCU那样，16位MCU也要不断提高时钟频率、加大RAM和闪存、增加更多的外设和改进封装，还需要用更先进的设计和工艺来实现低电压、低功耗和低成本，再辅以灵活低成本的开发工具，在8位与32位MCU之间的市场空白中，16位MCU仍然大有作为。