MCU產(chǎn)品、軟件、生態(tài)系統的演變及未來(lái)展望

作者/ 王朋朋 恩智浦半導體公司(北京 100005)

摘要：時(shí)值中國單片機學(xué)會(huì )成立30周年，有幸參與這場(chǎng)有意義的紀念活動(dòng)，與業(yè)界前輩和同行一起回顧單片機的發(fā)展演變，探討未來(lái)的發(fā)展之路。

　　單片機進(jìn)入中國30年，也正是單片機高速發(fā)展的時(shí)代。從簡(jiǎn)單的控制到嵌入式系統，再到物聯(lián)網(wǎng)，從工業(yè)領(lǐng)域到消費電子、安防、醫療、汽車(chē)、智能家居等產(chǎn)品，單片機無(wú)處不在，并從高科技領(lǐng)域越來(lái)越多的進(jìn)入我們的日常生活。

　　單片機的發(fā)展從8位開(kāi)始，目前8位單片機仍占有較高市場(chǎng)份額，在很多應用中發(fā)揮重要作用，但32位的ARM產(chǎn)品顯然成長(cháng)更快。從8位到32位，不僅僅是位數和CPU內核的變化，在軟件開(kāi)發(fā)、工具和環(huán)境、工程師開(kāi)發(fā)方式、生態(tài)系統方面，都帶來(lái)了深刻的變化。甚至產(chǎn)品的名字也從早期的“單片機”，到更多地使用“微控制器”或者“嵌入式系統”這樣的術(shù)語(yǔ)(如表1)。我們下文更多以MCU或微控制器來(lái)指代這一產(chǎn)品。

　　MCU所采用的工藝，8位機時(shí)代以0.5μm~0.35μm為主，ARM7及早期的Cortex-M產(chǎn)品多采用0.18μm~0.14μm，而現在90nm已經(jīng)成為主流。在不久的將來(lái)，40nm、28nm的單片機也將會(huì )在市場(chǎng)出現。工藝進(jìn)步帶來(lái)成本降低，動(dòng)態(tài)功耗降低，單位面積集成更多內存或實(shí)現功能。

　　從產(chǎn)品本身來(lái)看，隨著(zhù)工藝的進(jìn)步，產(chǎn)品設計技術(shù)的提高，以及市場(chǎng)需求的推動(dòng)，產(chǎn)品的性能、架構、內存、外設、功耗和安全性都得到了很大提高(如表2)。

　　MCU產(chǎn)品的封裝也在發(fā)展中。在消費類(lèi)電子產(chǎn)品中，封裝越來(lái)越小，BGA/CSP應用增多。工業(yè)類(lèi)電子產(chǎn)品仍?xún)A向于容易焊接，成本較低的QFP、QFN、TSSOP等封裝，但DIP等大體積封裝應用明顯減少。如圖1所示LPC824-DIP開(kāi)發(fā)板，是把一顆基于Cortex-M0+內核的微控制器產(chǎn)品，加上一些外圍電路，做到跟一顆80C51 DIP封裝的芯片相兼容。

　　開(kāi)發(fā)工具的發(fā)展緊跟產(chǎn)品的發(fā)展。在32位ARM微控制器時(shí)代，硬件開(kāi)發(fā)工具趨于一致。大家普遍使用JTAG或者SWD接口的仿真器進(jìn)行開(kāi)發(fā)調試。在工具廠(chǎng)商的專(zhuān)用仿真器之外，MCU 廠(chǎng)商也紛紛推出支持自己產(chǎn)品的仿真器，如NXP(恩智浦)公司的LPC-Link(圖2)。昂貴的仿真器被低價(jià)、免費或集成的板載仿真器取代。一些通用接口如Arduino的流行使MCU開(kāi)發(fā)板結構趨于簡(jiǎn)單，模塊化設計增多。開(kāi)發(fā)板價(jià)格大幅降低，市場(chǎng)推廣以免費或低價(jià)開(kāi)發(fā)板吸引用戶(hù)已成常態(tài)。

　　在軟件集成開(kāi)發(fā)工具中，Keil、IAR依舊是商用主流。同時(shí)各廠(chǎng)家紛紛推出基于Eclipse架構的免費IDE + gcc編譯器，如NXP公司的針對LPC系列產(chǎn)品的LPCXpresso工具，以及與飛思卡爾合并后推出的支持NXP全系列MCU產(chǎn)品的MCUXpresso工具。在IDE環(huán)境之外，輔助開(kāi)發(fā)的軟件工具逐漸發(fā)揮作用，如代碼生成工具、管腳配置工具等。

　　在8位單片機時(shí)代，一人可以精通整個(gè)系統，掌握所有軟件，用匯編或C語(yǔ)言直接操作底層硬件，代碼量小，結構簡(jiǎn)單。在新一代的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)中，用戶(hù)嚴重依賴(lài)供應商或第三方提供的軟件開(kāi)發(fā)庫，包括外設驅動(dòng)程序、中間件、應用例程等。軟件開(kāi)發(fā)呈現如下幾個(gè)特點(diǎn)：

　　? 用戶(hù)一般不再直接操作寄存器，而是通過(guò)軟件API調用實(shí)現;

　　? 用戶(hù)較少關(guān)心底層操作，更專(zhuān)注于上層應用開(kāi)發(fā);

　　? 軟件結構化、可移植性、可繼承性增強;

　　? 內存使用大幅增加，程序效率相對降低，通過(guò)硬件性能的提高補償;

　　? 軟件工作在整個(gè)系統中的比重大幅增加。

　　在軟件開(kāi)發(fā)中，就不能不提到操作系統。在8位單片機時(shí)代一般無(wú)需使用操作系統。在A(yíng)RM7早期時(shí)代，μClinux移植火熱，但在學(xué)習之余，在實(shí)際產(chǎn)品中較難應用。隨著(zhù)中文書(shū)的出版，μC/OS-II在中國流行。而由于商務(wù)模式及市場(chǎng)推廣等因素影響，目前FreeRTOS的使用更為廣泛，同時(shí)RT-Thread等本地實(shí)時(shí)操作系統成為新星?，F在的用戶(hù)更趨于理性，并廣泛具有相應的知識，合理選擇合適的RTOS，或者不使用RTOS。

　　在32位ARM微控制器時(shí)代，生態(tài)系統的概念深入人心，其重要性在某種程度上甚至超過(guò)產(chǎn)品本身。生態(tài)系統涵蓋從學(xué)習、開(kāi)發(fā)到生產(chǎn)的各個(gè)方面，涉及所有相關(guān)環(huán)節的參與者和相關(guān)的支持資源：工具、軟件、文檔、設計服務(wù)、論壇、研討會(huì )、大學(xué)實(shí)驗室、競賽、圖書(shū)、培訓等。ARM生態(tài)系統日益繁榮，也進(jìn)一步推動(dòng)了其內核在32位領(lǐng)域的領(lǐng)導地位。適應新一代年輕工程師的使用習慣，線(xiàn)上活動(dòng)更加活躍：新型社交媒體、在線(xiàn)研討會(huì )、直播互動(dòng)、網(wǎng)上零售等成為大家接收信息交流信息的重要平臺。

　　不僅MCU產(chǎn)品、開(kāi)發(fā)及生態(tài)系統在迅速發(fā)展，同時(shí)，我們在市場(chǎng)、應用、用戶(hù)方面也看到了更多的發(fā)展和成長(cháng)機會(huì )。傳統工控行業(yè)保持穩定，消費類(lèi)占比上升;萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代創(chuàng )造了大量MCU的應用機會(huì )，智能家居、智慧工廠(chǎng)、智慧城市、智慧農業(yè)等新應用層出不窮。而由MCU產(chǎn)品性能提高帶來(lái)的直接效果是，MCU開(kāi)始侵蝕原先MPU的應用，范圍更加廣泛，市場(chǎng)應用更加多樣化。一批中國客戶(hù)躋身全球大客戶(hù)行列，單一客戶(hù)平均采購量增長(cháng)迅速，具有領(lǐng)先技術(shù)的公司嶄露頭角。年輕工程師普遍接受過(guò)32位ARM MCU教育或自學(xué);用戶(hù)變“‘懶”，期待從網(wǎng)絡(luò )及各種渠道獲取參考設計及軟件，開(kāi)發(fā)周期縮短;用戶(hù)英文程度普遍提高、有助于閱讀文檔、瀏覽網(wǎng)站和全球化技術(shù)交流;MCU教育走入中小學(xué)，門(mén)檻降低，受眾更廣。

　　隨著(zhù)設計技術(shù)和工藝的持續進(jìn)步，MCU產(chǎn)品進(jìn)一步發(fā)展，性能更高、外設更豐富、功耗更低、安全增強。同時(shí)會(huì )具有更大的程序和代碼存儲空間，給工程師更多自由發(fā)揮的空間，嵌入式系統開(kāi)發(fā)不再局促。而生態(tài)系統以其強大的力量對MCU開(kāi)發(fā)產(chǎn)生潛移默化的影響。通用產(chǎn)品區分度變小，需要對細分市場(chǎng)的準確定位。汽車(chē)電子、IoT(物聯(lián)網(wǎng))、安全將會(huì )是未來(lái)MCU增長(cháng)的重要推動(dòng)力量。

　　未來(lái)嵌入式系統的發(fā)展應該會(huì )更關(guān)注安全、可擴展、高能效。MCU與傳感、連接等相融合，共同構建安全互聯(lián)的終端節點(diǎn)。(注：本文根據“中國單片機三十年紀念會(huì )議”上的講演整理節選。會(huì )議時(shí)間：2016年11月19日，地點(diǎn)：北京航空航天大學(xué))

　　參考文獻：

　　[1]何小慶.嵌入式軟件操作系統風(fēng)云錄.北京:機械工業(yè)出版社

　　[2]王瑩.中國單片機的回顧與展望.電子產(chǎn)品世界,2016(12):16-20

　　[3]王瑩. “新”恩智浦愿景：安全、智能、互聯(lián).電子產(chǎn)品世界,2016(1):1-2

本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第1期第27頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。