MCU內核架構發(fā)展歷史及主流內核IP的發(fā)展情況

電子發(fā)燒友網報道（文/程文智、李寧遠）目前，MCU已經滲透到我們生活的各個領域，幾乎很難找到有哪個領域沒有MCU的蹤跡。不論是家用電器、儀器儀表、智能手機、平板電腦、鍵盤鼠標、儀器儀表、或者是金融系統(tǒng)、醫(yī)療設備、通信、汽車、航空航天等領域都有MCU的身影。

這一點從MCU的出貨量上也可以明顯看出來，據IC Insights統(tǒng)計，全球MCU產品出貨量從2015年的221億顆，增長至2020年的361億顆，2021年甚至可達到395億顆。市場規(guī)模也在這兩年的缺貨漲價的行情中快速增長，2020年的市場規(guī)模為197億美元，2021年增長了11%達到了215億美元，預計今年還會繼續(xù)增長。

國內MCU市場經過三十多年的發(fā)展，不論是市場，還是產品技術也都得到了很大的發(fā)展。從市場規(guī)模看，根據IHS的統(tǒng)計，國內MCU市場規(guī)模從2015年的180億元，增長至2020年的269億元，應用市場包括了汽車電子（33%）、工業(yè)控制及醫(yī)療（25%）、計算機（23%）、消費電子（11%）等。

MCU的發(fā)展歷史

MCU出現(xiàn)的歷史并不長，但其發(fā)展非常迅速。1971年，美國英特爾公司的霍夫研制出世界上第一塊4位微處理器芯片4004，標志著第一代微處理器問世。當時4004配有RAM、ROM和移位寄存器，包含2300個晶體管，尺寸規(guī)格為3mm×4mm，最初的售價為200美元。接著，1972年，英特爾又推出了8位微處理器Intel8008，以及主頻為2MHz，采用6微米工藝的8080，晶體管個數增加了6000個。

隨后，1976年，英特爾推出MCS-48系列的8位MCU，采用了8位CPU、 8位并行I/O接口、8位定時/計數器、RAM和ROM等集成于一塊半導體芯片上的單片結構, 雖然其尋址范圍有限（不大于4 KB）, 也沒有串行I/O, RAM、 ROM容量小, 中斷系統(tǒng)也較簡單, 但功能可滿足一般工業(yè)控制和智能化儀器、儀表等的需要。

除了英特爾推出了MCS-48系列MCU之外，Zilog公司也在1976年開發(fā)出了Z80微處理器，廣泛應用微型計算機和工業(yè)自動控制設備中。在當時，英特爾、摩托羅拉和Zilog在微處理器領域三足鼎立。

在1980年，英特爾在MCS-48系列MCU的基礎上，推出了MCS-51系列8位MCU（最典型的有高性能8051單片機），在工業(yè)控制領域引起了不小的轟動，并迅速確立了其不可動搖的地位。MCS-51系列MCU無論是片內RAM容量，I/O接口功能，還是在系統(tǒng)擴展方面都有了很大的提高。

不久之后，英特爾徹底開放了801單片機的技術，引來世界上很多半導體廠商加入了開發(fā)和改造8051單片機的大軍。其中貢獻較大的有Philips，它著力發(fā)展了單片機的控制功能和外圍單元；Atmel公司則在MCU內部植入了FlashROM，使得MCU的應用變得更加靈活；ADI推出的ADUC8xx系列MCU，在MCU向SoC發(fā)展的過程中扮演了很重要的角色。

1983年Intel公司又推出了高性能的16位單片機MCS－96系列, 工藝更先進，集成的晶體管更多，可達12萬只以上。除了英特爾之外，TI、Atmel、Microchip、瑞薩等也都先后推出16位MCU產品。

2000年以前的MCU公司基本都是采用自研內核，之后隨著計算要求越來越復雜，內核廠商開始出現(xiàn)，分工進一步細化，MCU廠商開始采用外購內核并將主要精力投入到外圍電路等其他部分的研發(fā)。

就目前來說，第三方的MCU內核中，占主導地位的是ArmCortexM系列，該系列由Arm開發(fā)，采取IP授權的形式，Cortex-M系列具有短流水線、超低功耗的設計特點。2004年，Arm推出了其第一款Cortex-M系列處理器M3，ST最先采用，并快速推出了一些列基于該內核的32位MCU。

當然，除了Cortex-M系列的MCU內核，近幾年興起的RISC-V也出現(xiàn)了不少專門提供IP的公司，國內不少MCU公司推出了相關的產品。接下來，我們看看市面上的主流的MCU內核IP有哪些。

主流的MCU內核IP

目前，不論是國內，還是國外，Arm的Cortex-M系列MCU內核都是主流。截止到目前，Arm共推出了10款Cortex-M系列MCU內核IP，這些IP可滿足低、中、高端需求。其中，M0、M0+、M1、M23四個系列為低端MCU內核IP；M3和M4為中端MCU內核IP；M7、M23、M35P、M55為中高端MCU內核IP產品。

國外廠商中，瑞薩主要以自研內核為主，自研內核產品料號占了近8成；Microchip自研內核MCU產品超過一半以外，其他大部分廠商都采用Cortex-M系列MCU內核為主，而且，它們在低中高端類產品方面都有布局。

國內MCU廠商90%都采用了Arm的Cortex-M系列內核，與國外廠商不同的是，國內MCU廠商基本都是集中在幾個產品系列。其中，兆易創(chuàng)新的32位MCU產品主要采用了M23、M3、M4、M33和RISC-V五種MCU內核；華大半導體主要采用了M0+和M4兩種MCU內核；國民技術主要采用了M0和M4兩種MCU內核，另外，其M7內核的MCU產品還在研發(fā)當中；中穎電子主要以8位MCU為主，其32位MCU采用了M3內核；芯海科技的32位MCU產品采用了M0內核；比亞迪半導體的32位MCU產品采用了M0和M0+兩種；靈動微電子主要采用了M0、M0+、M3、以及Arm China STAR-MC1 內核四種。

這幾年，RISC-V在國內非?；馃?，雖然現(xiàn)在推出RISC-V內核MCU產品的企業(yè)還不算多，但未來潛力還是不錯的。如今在RISC-V市場，SiFive、晶心科技、平頭哥，以及芯來科技等都有相應的IP產品。

除了這些第三方的MCU內核IP產品，不少廠商的自研內核產品也還在不斷發(fā)展中，比如瑞薩的RXv1、RXv2、及RXv3系列內核；Microchip的PIC16、PIC32、AVR DB、AVR DA等MCU內核。國內也有自研內核的MCU企業(yè)，比如芯旺微電子的KungFu8和KungFu32內核。

雖然現(xiàn)在市場主流已經是32位MCU了，但8位MCU還是有一定市場，也有不少MCU企業(yè)還在推出8位MCU新產品。目前在8位MCU市場中，Microchip一家獨大，市場份額超過了30%，緊隨其后的是恩智浦，約占15%；另外，瑞薩和ST也分別占有10%左右的市場份額。

這些8位MCU廠商中，大部分都是采用了自研內核，比如Microchip以AVR和PIC內核為主；恩智浦以RS08和M68HC內核為主；瑞薩主要是RL78、H8和78K0；ST采用STM8內核。

除了自研內核之外，8位MCU廠商還會采用8051開源內核來開發(fā)產品。前面我們有提到8051內核是英特爾在1980年開發(fā)的架構，在1998年失去了專利保護后，成為了開源IP，再次展現(xiàn)出了強大的二次生命力，各家廠商在8051內核基礎上進行了一定的改動，并推出了各種差異化的產品。但這類產品基本都統(tǒng)稱為8051內核的MCU。目前國內采用8051內核的廠商有中穎電子、宏晶科技、比亞迪半導體、芯?？萍肌⒏粷M微等。

結語

近期，<電子發(fā)燒友>分析師團隊對MCU市場進行了一次調研，本期主要介紹的是MCU內核的一些情況，接下來，我們還將介紹這些內核IP的應用情況，以及最終MCU產品的應用情況，敬請關注。