来源：九脉新视界

芯片是智能产业的“大脑中枢”，在疫情的冲击下，全球面临“缺芯”危机，企业更是寸步难行，但从另一方面来说也给国产MCU带来了破局的机会。今天就带大家了解一下芯片MCU：

 

MCU是Microcontroller Unit 的简称，中文叫微控制单元，俗称单片机，是把CPU的频率与规格做适当缩减，并将(memory)、计数器(Timer)、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。诸如手机、PC外围、遥控器，汽车电子、工业上的步进马达、机器手臂的控制等，都可见到MCU的身影。

 

01

单片机发展简史

单片机出现的历史并不长，但发展十分迅猛。它的产生与发展和微处理器（CPU）的产生与发展大体同步，自1971年美国英特尔公司首先推出4位微处理器以来，它的发展到目前为止大致可分为5个阶段。

• 1971年~1976年单片机发展的初级阶段；
• 1976年~1980年低性能单片机阶段；
• 1980年~1983年高性能单片机阶段；
• 1983年~80年代末16位单片机阶段；
• 1990年代单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平发展。

02

MCU的基本构架

以架构而言，MCU可分为两大主流∶RISC与CISC。RISC（Reduced InstrucTIon Set Computer）代表MCU的所有指令都是利用一些简单的指令组成的，简单指令代表MCU的线路可以尽量做到最佳化，提高执行速率可使指令所需的时间减到最短。 

不管是RISC或是CISC（Complex InstrucTIon Set Computer），设计MCU的目的都是为人类服务的，对于RISC来说，因为指令集的精简，所以许多工作都必须组合简单的指令，而针对较复杂组合的工作便需要由“编译程序 （compiler）”来执行，而CISC MCU因为硬体所提供的指令集较多，所以许多工作都能够以一个或是数个指令来代替，编译程序的工作因而减少许多。

一般来说，MCU基本架构包括有程式记忆体（Program ROM）、累积器（Accumulator）、寄存器（Register）、堆叠（Stack）及堆叠指标（Stack Pointer）、I/O口、定时/定时/计数器、中断（Interrupt）。

MCU还可以加挂一些周边资源，以扩充和延伸MCU的功能，这也正是系统设计工程师实现“产品差异化”的关键。这些周边资源包括：串行输出（Serial I/O）；液晶驱动装置（LCD Driver）；萤光管驱动装置（VFT Driver）；模数介面（ADC）；数模转换介面（DAC）；DTMF产生器、接收器；看门狗（Watchdog Timer）；双频率（Dual Clock）。

03

MCU的分类

 按用途分类 

通用型：将可开发的资源（ROM、RAM、I/O、 EPROM）等全部提供给用户。

专用型：其硬件及指令是按照某种特定用途而设计，例如录音机机芯控制器、打印机控制器、电机控制器等。

 

 按其基本操作处理的数据位数分类 

根据总线或数据暂存器的宽度，单片机又分为1位、4位、8位、16位、32位甚至64位单片机。

 

8位MCU工作频率在16~50MHz之间，强调简单效能、低成本应用，在目前MCU市场总值仍有一定地位，而不少MCU业者也持续为8bit MCU开发频率调节的节能设计，以因应绿色时代的产品开发需求。

 

16位MCU则以16位运算、16/24位寻址能力及频率在24~100MHz为主流规格，部分16bit MCU额外提供32位加/减/乘/除的特殊指令。由于32bit MCU出现并持续降价及8bit MCU简单耐用又便宜的低价优势下，夹在中间的16bit MCU市场不断被挤压，成为出货比例中最低的产品。

 

32位MCU可说是MCU市场主流，工作频率大多在100~350MHz之间，执行效能更佳，应用类型也相当多元。但32位MCU会因为操作数与内存长度的增加，相同功能的程序代码长度较8/16bit MCU增加30~40%，这导致内嵌OTP/FlashROM内存容量不能太小，而芯片对外脚位数量暴增，进一步局限32bit MCU的成本缩减能力。

 

 MCU按其存储器类型 

可分为无片内ROM型和带片内ROM型两种。对于无片内ROM型的芯片，必须外接EPROM才能应用（典型芯片为8031）。带片内ROM型的芯片又分为片内EPROM型（典型芯片为87C51）、MASK片内掩模ROM型（典型芯片为8051）、片内FLASH型（典型芯片为89C51）等类型，一些公司还推出带有片内一次性可编程ROM（One Time Programming， OTP）的芯片（典型芯片为97C51）。

04

MCU的优缺点

 优点 

MCU自身集成FLASH和RAM，上程序即可从片上FLASH运行，速度快，响应快、程序可加密。计数中断、电平和时钟触发中断、定时中断、来自串口数据中断、睡眠中断唤醒模式中断。

 

 缺点 

受限片内的FLASH和RAM容量的大小，它的处理能力有限，适合用在高度集成、尺寸、功耗等受限制的控制领域。只能采用单任务机制，程序只能按顺序依次执行，缺乏灵活性，只能使用中断函数实时地处理一些较短的任务，在较复杂的应用中使用极为不便。

 

总的来说，MCU主要是视频会议的服务器，主要用于音视频的数据交换，可以在实现多点间的视频会议中，处理图像、数据、声音，通过MCU设备给下面终端设备设置好权限属性就可以组建一个完整的视频会议网络，决定着视频会议的可靠性和稳定性。

05

MCU和SOC的区别

MCU和SOC都是AIoT发展的四大核心芯片之一，但在功能、应用等方面却大相径庭：

首先，名字上的区别，就让MCU和SOC有了不同的定义。MCU（micro controller unit）换成咱们通俗的叫法也就是常说的微控制器单元；SOC（system on chip）也就是我们常说的片上系统。一个名字偏向于硬件定义，一个更偏向于软件系统定义。

两个硬件都可以跑操作系统，但是不是一个重量级别。虽然随着集成电路工艺的提高，MCU功能集成度越来越高级，但是也仅能适合一些系统消耗低的实时操作系统运行。反观SOC，更加强劲的CPU性能和更大容量的RAM/ROM资源，跑起Linux操作系统不在话下。

硬件设计上，MCU更加倾向于通用领域，SOC更加偏向于具体应用领域。在某些性能要求不高的产品开发中，MCU更加具有通用性，广泛的适用于消费电子，智能家居，安防设备等方面。而SOC是专门为了某个具体应用领域进行的软硬件配套修改升级。比如TI816X系列，海思的Hi3536系列等，专门为视频处理领域做了大幅的资源升级。这些集成的硬件加速单元，可以极大的减轻嵌入式开发工程师的工作量，提高产品问世的速度。

毕竟做了硬件的升级，价格和产品方案也不是一个层级的水平。这点非常好理解，就像MCU的PCB板一样，现在很多外围的设备都已经集成到了一片SOC中，如此看来SOC的价格会不会比MCU高？同时，因为SOC的功能集成度高，也可以减轻硬件开发人员的设计时间。

06

MCU的应用市场

中国MCU市场按应用领域大致分为六个类别，分别是：家电和消费电子、物联网、智能表计/IC卡和安全、计算机和网络通信、工业控制、汽车电子。

2020年中国MCU应用市场消费电子领域的市场份额占比最大，其次依次为计算机与网络、汽车电子、IC卡、工业控制等领域。MCU因高性能、高可靠、高安全、低功耗等特点，在IC卡、智能门锁等方面得到了广泛应用。

作为智慧家庭入口的智能门锁，近几年开始呈现爆发态势。相关数据显示，2020年中国智能门锁销量已达1640万套，同比增长17%。预计2021年中国智能门锁市场规模将继续增长，全渠道销量达到1950万套。

在智能化演进方面，智能门锁也已经从原始的“密码锁”升级为现在拥有生物识别、智能控制、远程监控、自动报警、语音交互多种功能的智能装置。而实现其智能化的核心器件就是MCU芯片。例如芯昇科技的CM32M101A已在智能门锁领域进行了应用方案拓展；国民技术N32G4FRx/N32WB4x系列MCU的单芯片安全智能门锁解决方案，具有高集成度、低成本、高性能与安全的优势；复旦微FM33LC0xxx系列MCU基于ARM Cortex-M0 内核，集成大容量的嵌入式闪存，带有丰富的模拟数字外设，并具备优良的低功耗性能，是智能门锁主控MCU的理想选择。

随着物联网技术带来的变革性影响逐步深入，智能家居、工业物联网等下游应用领域的市场需求将面临爆发式增长，进而推动我国的MCU芯片市场规模快速扩大。受益于物联网技术发展，MCU的市场未来发展潜能巨大。