MCU產(chǎn)品、軟件、生態(tài)系統(tǒng)的演變及未來展望

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

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

MCU所采用的工藝，8位機(jī)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(xiàn)在90nm已經(jīng)成為主流。在不久的將來，40nm、28nm的單片機(jī)也將會(huì)在市場(chǎng)出現(xiàn)。工藝進(jìn)步帶來成本降低，動(dòng)態(tài)功耗降低，單位面積集成更多內(nèi)存或?qū)崿F(xiàn)功能。

從產(chǎn)品本身來看，隨著工藝的進(jìn)步，產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(gòu)、內(nèi)存、外設(shè)、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(fèi)類電子產(chǎn)品中，封裝越來越小，BGA/CSP應(yīng)用增多。工業(yè)類電子產(chǎn)品仍傾向于容易焊接，成本較低的QFP、QFN、TSSOP等封裝，但DIP等大體積封裝應(yīng)用明顯減少。如圖1所示LPC824-DIP開發(fā)板，是把一顆基于Cortex-M0+內(nèi)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)行開發(fā)調(diào)試。在工具廠商的專用仿真器之外，MCU 廠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(fèi)或集成的板載仿真器取代。一些通用接口如Arduino的流行使MCU開發(fā)板結(jié)構(gòu)趨于簡(jiǎn)單，模塊化設(shè)計(jì)增多。開發(fā)板價(jià)格大幅降低，市場(chǎng)推廣以免費(fèi)或低價(jià)開發(fā)板吸引用戶已成常態(tài)。

在軟件集成開發(fā)工具中，Keil、IAR依舊是商用主流。同時(shí)各廠家紛紛推出基于Eclipse架構(gòu)的免費(fèi)IDE + gcc編譯器，如NXP公司的針對(duì)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(jī)時(shí)代，一人可以精通整個(gè)系統(tǒng)，掌握所有軟件，用匯編或C語言直接操作底層硬件，代碼量小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。在新一代的嵌入式軟件開發(fā)中，用戶嚴(yán)重依賴供應(yīng)商或第三方提供的軟件開發(fā)庫(kù)，包括外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序、中間件、應(yīng)用例程等。軟件開發(fā)呈現(xiàn)如下幾個(gè)特點(diǎn)：

• 用戶一般不再直接操作寄存器，而是通過軟件API調(diào)用實(shí)現(xiàn);

• 用戶較少關(guān)心底層操作，更專注于上層應(yīng)用開發(fā);

• 軟件結(jié)構(gòu)化、可移植性、可繼承性增強(qiáng);

• 內(nèi)存使用大幅增加，程序效率相對(duì)降低，通過硬件性能的提高補(bǔ)償;

• 軟件工作在整個(gè)系統(tǒng)中的比重大幅增加。

在軟件開發(fā)中，就不能不提到操作系統(tǒng)。在8位單片機(jī)時(shí)代一般無需使用操作系統(tǒng)。在ARM7早期時(shí)代，µClinux移植火熱，但在學(xué)習(xí)之余，在實(shí)際產(chǎn)品中較難應(yīng)用。隨著中文書的出版，µC/OS-II在中國(guó)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(tǒng)成為新星?，F(xiàn)在的用戶更趨于理性，并廣泛具有相應(yīng)的知識(shí)，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(tǒng)的概念深入人心，其重要性在某種程度上甚至超過產(chǎn)品本身。生態(tài)系統(tǒng)涵蓋從學(xué)習(xí)、開發(fā)到生產(chǎn)的各個(gè)方面，涉及所有相關(guān)環(huán)節(jié)的參與者和相關(guān)的支持資源：工具、軟件、文檔、設(shè)計(jì)服務(wù)、論壇、研討會(huì)、大學(xué)實(shí)驗(yàn)室、競(jìng)賽、圖書、培訓(xùn)等。ARM生態(tài)系統(tǒng)日益繁榮，也進(jìn)一步推動(dòng)了其內(nèi)核在32位領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。適應(yīng)新一代年輕工程師的使用習(xí)慣，線上活動(dòng)更加活躍：新型社交媒體、在線研討會(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(tái)。

不僅MCU產(chǎn)品、開發(fā)及生態(tài)系統(tǒng)在迅速發(fā)展，同時(shí)，我們?cè)谑袌?chǎng)、應(yīng)用、用戶方面也看到了更多的發(fā)展和成長(zhǎng)機(jī)會(huì)。傳統(tǒng)工控行業(yè)保持穩(wěn)定，消費(fèi)類占比上升;萬物互聯(lián)時(shí)代創(chuàng)造了大量MCU的應(yīng)用機(jī)會(huì)，智能家居、智慧工廠、智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)等新應(yīng)用層出不窮。而由MCU產(chǎn)品性能提高帶來的直接效果是，MCU開始侵蝕原先MPU的應(yīng)用，范圍更加廣泛，市場(chǎng)應(yīng)用更加多樣化。一批中國(guó)客戶躋身全球大客戶行列，單一客戶平均采購(gòu)量增長(zhǎng)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32位ARM MCU教育或自學(xué);用戶變“‘懶”，期待從網(wǎng)絡(luò)及各種渠道獲取參考設(shè)計(jì)及軟件，開發(fā)周期縮短;用戶英文程度普遍提高、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)，門檻降低，受眾更廣。

隨著設(shè)計(jì)技術(shù)和工藝的持續(xù)進(jìn)步，MCU產(chǎn)品進(jìn)一步發(fā)展，性能更高、外設(shè)更豐富、功耗更低、安全增強(qiáng)。同時(shí)會(huì)具有更大的程序和代碼存儲(chǔ)空間，給工程師更多自由發(fā)揮的空間，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)不再局促。而生態(tài)系統(tǒng)以其強(qiáng)大的力量對(duì)MCU開發(fā)產(chǎn)生潛移默化的影響。通用產(chǎn)品區(qū)分度變小，需要對(duì)細(xì)分市場(chǎng)的準(zhǔn)確定位。汽車電子、IoT(物聯(lián)網(wǎng))、安全將會(huì)是未來MCU增長(zhǎng)的重要推動(dòng)力量。

未來嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)該會(huì)更關(guān)注安全、可擴(kuò)展、高能效。MCU與傳感、連接等相融合，共同構(gòu)建安全互聯(lián)的終端節(jié)點(diǎn)。(注：本文根據(jù)“中國(guó)單片機(jī)三十年紀(jì)念會(huì)議”上的講演整理節(jié)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))

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