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一、MCU简介 MCU（微控制单元）俗称单片机，可被认为是CPU的缩减版本，把CPU的频率与规格进行缩减处理，并将RAM、ROM、时钟、A/D转换、定时/计数器、UART 、DMA等电路单元，甚至包括USB接口、LCD驱动电路都整合在一块芯片之中，形成芯片级的计算机，为各种应用场合提供组合控制。 ![]() MCU发展历程： （1）1971年，Intel推出包含2300个晶体管的MCS-4微型计算机系统； （2）1973年，Intel研制出8位的微处理器8080； （3）1975年，MITS发布第一个通用型Altair 8800，带有1KB存储器； （4）1976年，Intel研制出MCS-48系列8位MCU； （5）1976年，Zilog公司开发Z80单片机，形成Intel、Motorola和Zilog三足鼎立格局； （6）1983年，Intel推出16位的MCS-96系列，转让MCS-51系列8位单片机技术； （7）1990s，各芯片厂商纷纷推出自有架构和内核； （8）2004年，MIPS推出M4K内核，ARM推出Cortex-M3内核，ST推首款32位MCU； （9）2010年，开源指令集RISC-V诞生。 以MCU的体系结构而言，可分为两大主流：CISC与RISC，从出货量上看RISC占据市场主流（76%）。 ![]() CISC虽然指令能力强，但是CPU结构复杂度较高。而RISC（精简指令集）的指令长度是固定的，并采取流水线的概念，将处理过程划分为多个阶段，每个时钟周期可以执行一条指令，允许并行处理。我们常见的ARM、PowerPC、MIPS、RISC-V等程序架构均属于RISC体系。 （1）ARM架构：是英国Acorn公司设计的低功耗、低成本的首款RISC微处理器； （2）MIPS架构：MIPS公司开发并授权，类似于ARM架构，功耗指标优秀，价格更便宜； （3）PowerPC：具有较好的嵌入式表现； （4）RISC-V：是基于精简指令集的的开源指令集架构； ARM架构实现了标准化，为设计平台提供了代码兼容性和软件兼容性，促使主要厂商纷纷迁移到32位MCU产品开发，成熟的架构迅速替代各家自定义架构，成为目前的主流架构，全球前十大MCU厂商32位产品均有导入ARM架构，基于ARM Cortex-M内核产品合计占比达到52%。 ![]() 在中国市场，ARM Cortex-M0的占比最高（20%），其次为Cortex-M3（14%），Cortex-M23虽然性能领先、但市占率仅1%。除ARM架构外，RISC-V作为新兴的精简指令集架构，2021年市场份额也达到1%左右。 二、MCU分类 MCU按照位数（数据总线宽度）划分，可分为4位、8位、16位、32位和64位等，市场主流的还是8位和32位； （1）8位MCU：具有功耗低、成本低、使用便捷等优点，应用场景：工商业。 （2）16位MCU：性能不及32位，性价比不如8位MCU，市场份额被边缘化。 （3）32位MCU：运算能力强，价格接近8位MCU，可满足大多数复杂嵌入式场景。 ![]() 从存储器结构，可将MCU分为冯诺依曼结构和哈佛结构。冯诺依曼结构将程序指令存储器和数据存储器合并在一起。哈佛结构将程序指令和数据分开存储，分开读取，因此程序指令和数据指令可以有不同的数据宽度，通常具有较高的执行效率。 ![]() 按应用领域划分，可以分为通用型和专用型。通用型MCU是指具有MCU的基本组成，但是将MCU中可利用的资源（包括RAM、ROM、串并行接口等）全部提供给用户，不是为了某种专门用途设计的。专用型MCU是指按照具体用途而专门设计的MCU，秉承“MCU+特定组件”的形式，通常会在MCU内集成具有特定功能的硬件单元，比如数字信号处理单元、蓝牙协议栈等。 三、MCU器件选型和开发流程 MCU是电子产品的核心部件，涉及硬件和软件，对于这个器件的选型需要非常慎重。需要综合考虑MCU要完成的功能，成本，交期，各类端口的数量，存储空间，可移植性，器件等级，功耗，电压等因素。 选型时需要考虑的问题点如下： （1）应用场景和需求：软件、硬件和器件工程师共同确认产品需求、功能等情况； （2）器件等级：包括器件等级，温度、功耗、安全等要求等； （3）基本性能：包括处理器的类型、位数、时钟、内存、工作电压等基本参数； （4）外设和接口：外设、接口，ADC/DAC、GPIO口的种类和数量等； （5）价格和品牌：对品牌和价格要求，供应链可靠性等； （6）开发环境：开发环境和、源代代码、代码可移植性、技术支持状况等； （7）安全性：根据需要选择有安全特性的处理器保证应用和数据安全； MCU的应用开发流程： （1）沟通准确的项目需求，明确开发任务及周边电路； （2）根据需求进行MCU及关键器件选型，获取技术资料/软件代码/开发板/样品； （3）借助 IDE（集成开发环境），用编程语言编写/修改代码； （4）进行代码编译，确保代码符合语法规则； （5）在样板调试之前，先用仿真软件进行系统仿真和调试； （6）在软硬件设计完成后，在样板上进行系统联调，直到最后功能无误； （7）小批量试产，试用和测试，发现和解决问题； （8）完成系统开发任务，组织批量生产，进行产品交付，提供售后服务。 四、MCU的应用领域 MCU广泛应用于各种领域，根据应用领域的不同，可以将MCU的应用分类如下： 家电：应用在电视、空调、冰箱、洗衣机、厨电、小家电等。MCU可以控制家电的功率、温度、湿度和运行状态等，需要具备低功耗、多种通信协议和接口、小尺寸和低成本等特点。 工控：应用在PLC、DCS和工控机等。MCU可以控制生产线、机器人、传感器和执行器等，需要具备高精度、高可靠性、多种通信协议和接口、防尘、防水和防腐蚀等特点。 物联网：应用在智能家居、智慧城市、智能交通、安防监控、智能农业等。MCU可以控制和管理各种物联网设备，需要具备低功耗、多种通信协议和接口、安全加密等特点。 汽车电子：应用在发动机控制、变速器、转向系统、制动系统、安全气囊等。汽车级MCU需要具备高可靠性、低功耗、多种通信协议和接口、高温、高湿度和高EMI抗干扰等特点。 医疗电子：包括血压计、血糖仪、医疗监护设备等。MCU可以控制医疗设备的测量、记录和传输等功能，需要具备高精度、低功耗、安全加密等特点。 其他：MCU还应用于消费类电子、智能硬件、航空航天、军事装备、能源管理等领域。
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