中國單片機的回顧與展望

作者/ 王瑩 《電子產(chǎn)品世界》編輯

摘要：“中國單片機三十年紀念會(huì )議”于2016年11月19日在北京航空航天大學(xué)舉行，來(lái)自產(chǎn)學(xué)研的單片機專(zhuān)家回顧了單片機在中國的歷史，并展望了單片機的未來(lái)發(fā)展趨勢。

　　“中國單片機三十年紀念會(huì )議”于2016年11月19日在北京航空航天大學(xué)舉行，會(huì )議由嵌入式系統聯(lián)誼會(huì )主辦，聯(lián)誼會(huì )秘書(shū)長(cháng)何小慶主持，單片機與嵌入式系統應用、電子產(chǎn)品世界等媒體支持，深圳創(chuàng )意會(huì )展公司贊助。

　　“今天是為了忘卻的紀念，因為估計四十年就沒(méi)人紀念了?！鼻度胧较到y聯(lián)誼會(huì )發(fā)起人、《單片機與嵌入式系統應用》雜志主任何立民教授風(fēng)趣地說(shuō)。據悉，本次活動(dòng)曾得到創(chuàng )辦了中國單片機學(xué)會(huì )的陳章龍教授(復旦大學(xué))生前的大力支持(注：現在單片機學(xué)會(huì )已并入中國計算機學(xué)會(huì )嵌入式系統專(zhuān)業(yè)委員會(huì ))。今天，一些當年的年輕人如今很忙，像周立功、劉強、馬忠梅教授等沒(méi)出席。不過(guò)，會(huì )議還是吸引了約70名來(lái)賓參與，他們來(lái)自大學(xué)、企事業(yè)單位、媒體等，其中大部分是在職人員，還有一部分退休人員和學(xué)生。

何立民：?jiǎn)纹瑱C與微處理器同源同宗，又將在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代匯合

　　何立民教授首先進(jìn)行了主題報告，介紹了微控制器的源頭、歷史和未來(lái)。據悉，世界微控制器最早誕生于1971年的4004，之后形成了兩大分支，一個(gè)偏重處理，一個(gè)偏向控制(即微控制器(MCU)，也稱(chēng)單片機)，沒(méi)想到在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代處理和控制二者又融合了，“嵌入式系統”這個(gè)名稱(chēng)正在消失，將進(jìn)入到以應用和服務(wù)為特征的“物聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代(如圖1)。

　　談到我國微控制器的30年歷史，經(jīng)歷了從單片機到嵌入式系統。整個(gè)人類(lèi)發(fā)展是非線(xiàn)性的，現在越來(lái)越快，從單學(xué)科到多學(xué)科、到大學(xué)科。單片機是單學(xué)科，后來(lái)被人瞧不起，改名為“嵌入式系統”。物聯(lián)網(wǎng)把各個(gè)強勢學(xué)科聯(lián)合起來(lái)，從哪個(gè)學(xué)科角度看都能解讀，不必互相爭論誰(shuí)的定義更準?，F在從智能電子轉到智慧電子?！爸悄堋睆娬{能力，“智慧”需要加入人文和社會(huì )服務(wù)在里面，例如智能交通包括從計算車(chē)流到汽車(chē)違章，但智慧交通可以監測到人違章(杜絕代人違章/消分現象)。

　　何立民教授到昆山調研發(fā)現，很多企業(yè)的研發(fā)人員桌上沒(méi)有書(shū)，他們也不像過(guò)去頻頻找大學(xué)教授咨詢(xún)了，因為就是直接用模塊。同時(shí)感到現在二三流學(xué)校(特點(diǎn)：偏應用和技能)很活躍，感嘆現在官(政府)產(chǎn)一馬當先，那么學(xué)研應該怎么分工?需要人們重新反思。

清華邵貝貝：與Motorola單片機和μC/OS的不解之緣

　　原清華工程物理系的邵貝貝教授回顧了他與單片機的淵源。邵教授198x去美國進(jìn)行高能物理合作，打開(kāi)了中美合作大門(mén)。199x年后邵教授又去歐洲核研中心，把部分Motorola單片機帶到中國，后來(lái)寫(xiě)了μC/OS方面的書(shū)，推廣了CAN總線(xiàn)等。(電子產(chǎn)品世界編輯注：Motorola在中國最早的單片機實(shí)驗室在邵貝貝教授那里有一個(gè)，邵貝貝等人著(zhù)書(shū)《嵌入式實(shí)時(shí)操作系統μC/OS-II》2005年左右是暢銷(xiāo)書(shū))。1994年邵教授回國時(shí)，清華老師的經(jīng)費很緊張，只有1.5萬(wàn)元左右，于是找到Motorola，之后Motorola更名為飛思卡爾，飛思卡爾又被NXP收購，雙方一直合作至今。邵教授團隊也在這一二十年間培養了50多名碩士/博士生。

　　現在學(xué)校大搞ARM MCU，但恐怕對ARM底層不太了解，不像過(guò)去摳得那么細。邵教授鉆研底層后發(fā)現，手冊中有很多錯誤，后來(lái)了解到ARM可能對手冊的編寫(xiě)重視度不夠。有人說(shuō)，ARM賣(mài)IP的收入不到總營(yíng)收的一半，很重要的一部分是給客戶(hù)講怎樣用好。

清華袁濤回顧了2001年單片機盛會(huì )

　　清華自動(dòng)化系的袁濤教授2001年曾牽頭承辦了“2001嵌入式系統及單片機國際學(xué)術(shù)交流會(huì )”，該會(huì )議當年得到胡東成副校長(cháng)的贊許。袁教授回顧道，當年陳章龍教授主持了會(huì )議，沈續榜院士、北航何立民教授主編了論文集，活動(dòng)承辦者之一《電子產(chǎn)品世界》統計有452名代表參會(huì )，觀(guān)眾約5600人?！盀榱宿k好會(huì )，《電子產(chǎn)品世界》幾員大將不辭辛苦?！吧蚓w榜院士對此處會(huì )議評價(jià)是：空前是有目共睹的，希望以后越辦越好。

北大林金龍：開(kāi)源硬件與MCU應用

　　“現在有開(kāi)源火箭項目，沒(méi)準將來(lái)原子彈也會(huì )開(kāi)源了?！北本┐髮W(xué)軟件與微電子學(xué)院林金龍教授幽默地說(shuō)。他從開(kāi)源硬件角度探討了MCU的發(fā)展趨勢。他從OHS(開(kāi)放硬件高峰會(huì )議)談起。從2009年開(kāi)始，每年一屆的OHS成為開(kāi)源硬件世界的盛事，與會(huì )者展示開(kāi)源硬件項目，交流經(jīng)驗，討論開(kāi)源硬件的發(fā)展。OHS2016于今年10月在美國波特蘭舉行，會(huì )議得到包括Intel、Google等著(zhù)名公司在內的34家企業(yè)贊助，主要是開(kāi)源硬件平臺和應用廠(chǎng)商，深圳Seeed(矽遞)公司也在其中。越來(lái)越多的企業(yè)將加入到開(kāi)源硬件運動(dòng)中。開(kāi)源硬件復制開(kāi)源軟件的成功只是時(shí)間問(wèn)題。

　　他指出，目前開(kāi)源項目中大部分是MCU，其中影響力最大、市場(chǎng)最成功的項目——Arduino采用MCU。由于開(kāi)源硬件項目接口標準、源碼開(kāi)放、工具齊全，使得產(chǎn)品和應用開(kāi)發(fā)容易、快捷，將促進(jìn)新產(chǎn)品和應用的涌現。開(kāi)源硬件將導致新產(chǎn)品和應用的爆發(fā)式增長(cháng)，從而推動(dòng)MCU業(yè)的發(fā)展(如表1)。

　　最后林金龍展望開(kāi)源硬件發(fā)展的趨勢有三：1.會(huì )出現包括內核在內的真正完全開(kāi)源的硬件產(chǎn)品。2.開(kāi)源產(chǎn)品大規模進(jìn)入市場(chǎng)。3.開(kāi)源社區會(huì )真正形成，出現從構想、設計到制造的一體化開(kāi)源產(chǎn)品。

從NXP角度看MCU的過(guò)去與未來(lái)走勢

　　NXP微控制器大中華區市場(chǎng)產(chǎn)品總監王朋朋：ARM處理器是一大趨勢，NXP只有兩大系列，ARM Cortex- A和M系列。工藝上，目前主流是90nm和140nm，未來(lái)會(huì )有40、28nm工藝MCU。MCU硬件開(kāi)發(fā)工具方面，十幾年前，大家買(mǎi)仿真器不容易，不同芯片有不同的仿真器，因此仿真器生意很火;現在一塊板就可搞定，且很便宜，經(jīng)常免費贈送，或網(wǎng)上下載一個(gè)開(kāi)源做仿真器的方法，因此過(guò)去做仿真器的廠(chǎng)商往往做不下去了。操作系統方面，FreeRTOS風(fēng)頭更盛，RT-Thread成為新星。

　　ARM時(shí)代，開(kāi)發(fā)者嚴重依賴(lài)軟件開(kāi)發(fā)商，即工程師不了解硬件底層就做出來(lái)了。這會(huì )導致軟件較大，依賴(lài)硬件性能的提高?，F在的好處是MCU的內存資源越來(lái)越大，處理器速度越來(lái)越快，因此軟件不用像過(guò)去一樣在有限的幾k字節里摳了，因此可以很快開(kāi)發(fā)出來(lái)。各種改變詳見(jiàn)表2和表3。

　　MCU開(kāi)始侵蝕原先MPU的市場(chǎng)，Cortex-M4比過(guò)去ARM9性能高。未來(lái)，摩爾定律對MCU仍非常奏效。另外，因為大家都是ARM核，通用產(chǎn)品的區分度變小，需要對細分市場(chǎng)的準確定位，汽車(chē)電子、IoT、安全將會(huì )是未來(lái)MCU增長(cháng)的重要推動(dòng)力量。

國產(chǎn)ARM MCU廠(chǎng)商“兆易”之崛起

　　兆易創(chuàng )新的MCU業(yè)務(wù)2013年才開(kāi)始，全部是32位的ARM MCU?？偨?jīng)理鄧禹稱(chēng)，兆易的MCU雖然起步晚，但發(fā)展速度驚人。2013年出貨30萬(wàn)片，2014年300萬(wàn)片，2015年出貨3000萬(wàn)片，營(yíng)業(yè)額約 2000萬(wàn)美元， 2016年上半年出貨已逾2000萬(wàn)片。

　　兆易作為存儲器起家的公司，之所以做MCU，因為有人總結本土芯片企業(yè)有“一代拳王”的特點(diǎn)——靠單一產(chǎn)品打天下，缺乏后續的新產(chǎn)品。朱一明總裁希望在存儲器外，開(kāi)拓一些其他業(yè)務(wù)。ARM讓MCU的門(mén)檻降低。當時(shí)之所以決定從ARM Cortex-M3切入，因為ARM Cortex-M0定位打8位市場(chǎng)，但8位MCU的利潤太低。M3 MCU當時(shí)只有一家獨大--ST。兆易以flash起家，因此用“MCU+flash”，賣(mài)點(diǎn)是高性能，因此兆易MCU海報上有獵豹的形象。反例是，TI購買(mǎi)ARM MCU先驅Luminary公司后，但Luminary缺乏對flash的了解，因此，TI此塊業(yè)務(wù)不太成功。

　　業(yè)內有種看法，只有第一名才能生存，如果以此推理，歐洲會(huì )有一家，美國有一家，很多人認為中國的一家就是兆易了。 因為中國MCU市場(chǎng)太大，盡管跨國公司的產(chǎn)品很強，但是總有一些市場(chǎng)覆蓋不到，這就是兆易的機會(huì )。2013年兆易剛推出MCU時(shí)，產(chǎn)量30萬(wàn)片，四年來(lái)，連浙江大山里的企業(yè)都跑過(guò)，非常堅辛。本土客戶(hù)的特點(diǎn)是需要交鑰匙方案。當然在中國市場(chǎng)也是有所選擇的，例如中國小家電業(yè)很活躍，但中國8位單片機市場(chǎng)已做得好，兆易不打算去涉足;而中國冰洗等大家電企業(yè)，還是被日本某跨過(guò)公司壟斷，兆易希望有機會(huì )進(jìn)入。

新唐：面向物聯(lián)網(wǎng)的單片機趨勢

　　新唐微控制器應用事業(yè)部副總經(jīng)理林任列：32位MCU是趨勢，MCU可促使IoT更好地發(fā)展。

　　未來(lái)，MCU芯片追求更高的集成度，同時(shí)單片機面對安全威脅，需要增加安全性能。深度學(xué)習等需要很好的軟件平臺，引發(fā)下一代單片機架構變革的猜想?？傊?，未來(lái)單片機不僅是一個(gè)單片機，還會(huì )有其他處理架構，軟件的開(kāi)發(fā)方法等變革。

百家爭鳴

　　討論環(huán)節，河北大學(xué)計算機系的王龍江教授認為在消費電子領(lǐng)域，盡管32位ARM MCU很流行，但不要被此忽悠，他至今還用8位單片機。具體地，中國的嵌入式或物聯(lián)網(wǎng)，發(fā)展方向不是只有像與會(huì )多數人強調的那樣只有ARM一條道路可走，而是還有另一條路更有發(fā)展前景，更有生命力的即將蓬勃興起的道路可走，那就是軟件硬化?！拔覀兦f(wàn)不能錯過(guò)這個(gè)機會(huì )。而且，這是一條功耗更低，速度更快，成本更低，比ARM發(fā)展前景更好、更具有競爭力的道路?！笨上Т蠖鄶等硕颊J識不到和理解不了這點(diǎn)。這不能怪他們，因為只有精通軟件又同時(shí)精通集成電路設計的少數人才能看到和理解這點(diǎn)。這也是物聯(lián)網(wǎng)等必然發(fā)展的方向?！拔蚁Ｍ荒苤挥猩贁等诉@樣做，應該喚起大多數人這樣去做，這樣我們的國家才能在這方面彎道超車(chē)趕上或超過(guò)世界先進(jìn)水平，實(shí)現在互聯(lián)網(wǎng)中的中國夢(mèng)!”

　　鄭小龍老接著(zhù)說(shuō)，當算法成為靈丹妙藥時(shí)，的確需要軟件硬化?，F在的芯片集成度越來(lái)越高、例如一些MCU中也加入了硬件加速功能。而TI的DSP還在走，但是單一性能的DSP會(huì )較少(電子產(chǎn)品世界編輯在此也補充一下，TI本月推出的新的16位MCU——MSP430FR5994，集成了低能耗加速器(LEA)，可提供支持50多種數學(xué)函數的優(yōu)化DSP庫，因此比ARM Cortex-M0+ MCU快近40倍)。

　　何立民教授稱(chēng)，他十分崇拜51。而且51非常聰明，看到ARM起來(lái)了，就另辟蹊徑，51走了智能器件道路，集成在收發(fā)器、銀行卡等中了。我們談物聯(lián)網(wǎng)，不能像談嵌入式系統一樣，物聯(lián)網(wǎng)概念太大，要落地到具體應用，例如交通、醫療等。

　　武漢一位大學(xué)老師致信“嵌入式系統聯(lián)誼會(huì )”： MCU集成度越來(lái)越高，今后該MCU的開(kāi)發(fā)機會(huì )在哪里?安富利的周濤先生認為：很多領(lǐng)域可以做精，例如醫療保健測量目前還不夠準確，測變化值還可以，但動(dòng)態(tài)值難度很大，大家可以在這方面開(kāi)發(fā)。另，無(wú)人機很火，可以考慮如何做得更好。

　　一位現場(chǎng)同學(xué)提問(wèn)：何時(shí)應該用FPGA?邵貝貝：關(guān)于FPGA的應用定位，通常在量不太大時(shí)可以用，或者對成本不太敏感時(shí)。林金龍教授說(shuō)蘋(píng)果7里面有FPGA(注：Lattice芯片)，說(shuō)明FPGA在某些特定領(lǐng)域也可以大批量用。但FPGA和MCU不是對立關(guān)系，一般可以應用配對：MCU+FPGA。何小慶：與非網(wǎng)的FPGA開(kāi)發(fā)板“小腳丫”中，Lattice芯片中可以放軟核，也是一種好的編程方法。北京工業(yè)大學(xué)計算機系高工彭建朝是教SoPC(注：原Altera，現Intel PSG部門(mén)的產(chǎn)品)課的，稱(chēng)FPGA的好處是可以用IP核形式直接交互，學(xué)生們對此特別有興趣，因為設計是真真實(shí)實(shí)地實(shí)現了。

小結

　　首先何立民教授回顧了單片機的誕生與歷史，指出單片機、嵌入式系統、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展道路。邵貝貝教授回憶了199x年把Motorola單片機、μC/OS等介紹到中國的歷史背景。袁濤教授追憶了2001年在京舉辦的嵌入式系統盛會(huì )。下午的討論環(huán)節，林金龍教授探討了智能硬件的歷史概況與未來(lái)趨勢，NXP的王朋朋總監介紹了單片機的性能、工藝、開(kāi)發(fā)工具等的走向，兆易創(chuàng )新的鄧禹總經(jīng)理談了本土MCU如何尋找縫隙、差異化市場(chǎng)的體驗，新唐公司的林總指出未來(lái)面向物聯(lián)網(wǎng)的單片機需要在架構和軟件等方面繼續創(chuàng )新，滿(mǎn)足云連接、安全、深度學(xué)習等體驗。

　　追憶過(guò)去，是為了更好地開(kāi)拓明天。希望過(guò)去老一輩從業(yè)者的探索精神能夠繼續發(fā)揚，激勵新的從業(yè)者去克服困難和挑戰，勇于創(chuàng )新，打造更加美好的萬(wàn)物互聯(lián)世界!

參考文獻:

　　[1]何立民.從現代計算機視角看嵌入式系統.單片機與嵌入式系統應用,2016(1)

　　[2]何立民.從現代計算機視角看嵌入式系統.單片機與嵌入式系統應用,2016(2)

　　[3]王龍江.軟件硬化趨勢出現.電子產(chǎn)品世界,2008(3):157-158

　　[4]王瑩.本土MCU廠(chǎng)商的市場(chǎng)及“質(zhì)”造策略.電子產(chǎn)品世界,2016(10):20-22

　　[5]王瑩.MCU為物聯(lián)網(wǎng)“而生”.電子產(chǎn)品世界,2015(1):1-2

本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第11期第16頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。