8位MCU可能是永續(xù)的不死鳥
——未來8、32、64位MCU平分天下

北京航空航天大學(xué)　何立民

?

8位MCU可能是永續(xù)的不死鳥
——未來8、32、64位MCU平分天下

北京航空航天大學(xué)何立民

引言

20世紀(jì)，MCU應(yīng)用領(lǐng)域是8位機(jī)的天下，80C51是8位機(jī)的主流機(jī)型。進(jìn)入到21世紀(jì)，ARM微控制器開始興起，以特殊的產(chǎn)業(yè)模式迅速擴(kuò)大了市場(chǎng)份額。當(dāng)ARM微控制器不斷吞噬8位MCU的市場(chǎng)份額時(shí)，有人認(rèn)為32位MCU將取代8位機(jī)，8位MCU將會(huì)退出歷史舞臺(tái)。殊不知，ARM微控制器在傳統(tǒng)嵌入式領(lǐng)域大肆擴(kuò)張時(shí)，80C51成功地實(shí)現(xiàn)了華麗的轉(zhuǎn)身，在嵌入式系統(tǒng)無限大的市場(chǎng)領(lǐng)域里獲得新生，成為MCU界的不死鳥。未來，8位、32位、64位MCU的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)各具特色，相互補(bǔ)充、平分天下。

1MCU有無限大的市場(chǎng)

MCU是一個(gè)智力內(nèi)核，隨著智能化工具的發(fā)展，MCU產(chǎn)品的市場(chǎng)需求日益擴(kuò)大，從傳統(tǒng)電子的智能化改造、新興的智能化設(shè)備、智能化設(shè)備的分布多機(jī)、智能化設(shè)備總線、智能化設(shè)備局域網(wǎng)，直到物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，無處不在的人工智能的感知與控制終端領(lǐng)域，表明了MCU有一個(gè)無限大的市場(chǎng)。這個(gè)無限大市場(chǎng)的多樣性決定了對(duì)MCU的多樣需求。這種多樣需求表現(xiàn)在MCU發(fā)展史上的一個(gè)演化特征，是數(shù)據(jù)總線、地址總線位數(shù)的不斷拓展，從4位、8位、16位、32位到64位。在不斷拓展中逐漸優(yōu)化出8位、32位、64位MCU并存的局面。這種多樣化需求會(huì)長(zhǎng)期存在下去，它體現(xiàn)了MCU的市場(chǎng)分工。

2MCU的未來市場(chǎng)形勢(shì)

長(zhǎng)期以來，MCU應(yīng)用中一直是8位機(jī)的天下，這是因?yàn)槲⑻幚砥髡Q生后MCU與MPU的分工所致。MPU致力于智力平臺(tái)建設(shè)，MCU專注于智能化控制，即物理對(duì)象的感知與控制。8位MCU有足夠的能力應(yīng)對(duì)緩慢變化的物理參數(shù)，物理對(duì)象只需有限的感知與控制速度。當(dāng)數(shù)字信號(hào)處理需求逐步增多后，出現(xiàn)了對(duì)16位MCU的需求。隨著人工智能對(duì)MCU的需求，32位MCU迅速興起。近年來信息領(lǐng)域?qū)CU又有了新的需求，于是64位MCU誕生了。

4位、8位、16位、32位、64位是MCU的歷史發(fā)展足跡，它們都力圖最大限度地滿足市場(chǎng)需求，在市場(chǎng)需求的調(diào)節(jié)下，優(yōu)化成8位、32位、64位的市場(chǎng)局面。由于MCU有無限大的市場(chǎng)需求，這種互補(bǔ)性的局面將會(huì)長(zhǎng)期存在下去。8位、32位、64位主要體現(xiàn)在不同的應(yīng)用領(lǐng)域，其技術(shù)各有所長(zhǎng)，最重要的是用對(duì)地方。

380C51 MCU可能是永續(xù)的不死鳥

從傳統(tǒng)電子的智能化改造到新興智能化設(shè)備興起，從單機(jī)智能化到網(wǎng)絡(luò)智能終端，從自動(dòng)化工具到人工智能，嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)對(duì)MCU寄予厚望，這是8位MCU難以獨(dú)自承擔(dān)的重任。32位ARM系列MCU問世后，立即在這些新興的嵌入式領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。對(duì)8位MCU而言，在許多傳統(tǒng)領(lǐng)域被ARM系列取代未必是壞事，被取代的8位MUC可以轉(zhuǎn)向原先無法顧及的領(lǐng)域。近十幾年，在ARM迅猛發(fā)展的同時(shí)，也出現(xiàn)了80C51的三次變革。

第一次是C8051F的結(jié)構(gòu)變革。C8051F是20世紀(jì)末美國(guó)Cygnal公司(2005年Silicon Labs公司收購(gòu))在80C51基礎(chǔ)上推出的全新結(jié)構(gòu)的MCU。C8051F對(duì)80C51進(jìn)行了徹底的變革：對(duì)指令運(yùn)行實(shí)行流水作業(yè)，以CIP-51替代原有的CPU內(nèi)核，使單周期指令運(yùn)行速度為原來的12倍；將I/O口從固定方式改變成交叉開關(guān)配置方式，極大地提高了I/O交互的靈活性；從系統(tǒng)時(shí)鐘到時(shí)鐘系統(tǒng)、從引腳復(fù)位到多源復(fù)位，以及低電壓供電，為低功耗設(shè)計(jì)提供了最佳支持；從傳統(tǒng)的仿真調(diào)試到基于JTAG接口的在系統(tǒng)調(diào)試等。至今，這些都體現(xiàn)了MCU的先進(jìn)技術(shù)。

第二次是內(nèi)核化的市場(chǎng)變革。即從傳統(tǒng)的系統(tǒng)芯片到SoC、SoPC軟核、智能芯片、智能傳感器的蛻變。將80C51最簡(jiǎn)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化成IP核，為大規(guī)模集成電路系統(tǒng)的集成提供通用智力內(nèi)核；在SoPC中，不少?gòu)S家使用80C51作為8位軟核；目前，智能芯片(如收發(fā)芯片)、智能傳感器幾乎都是80C51的天下。

第三次是產(chǎn)品平臺(tái)的變革。在產(chǎn)品平臺(tái)基礎(chǔ)上開發(fā)嵌入式產(chǎn)品，是嵌入式產(chǎn)品開發(fā)的最佳模式。目前，流行的是板式或模塊化的產(chǎn)品平臺(tái)模式。80C51的第三次變革體現(xiàn)為芯片級(jí)的產(chǎn)品平臺(tái)變革。芯片級(jí)的產(chǎn)品平臺(tái)為微小型智能化設(shè)備提供了良好的應(yīng)用前景。目前，Silicon Labs基于C8051F推出的EEM8系列MCU就代表了這一變革方向。

480C51的芯片級(jí)產(chǎn)品平臺(tái)

MCU從8位到32位、64位的演化，主要是為了滿足高速海量數(shù)據(jù)的處理需求，并不是全面性能的同步進(jìn)化。在同樣先進(jìn)的集成電路工藝技術(shù)的支持下，8位MCU可以走上一條不斷完善的體系結(jié)構(gòu)、外圍功能單元最大化片內(nèi)集成、全面提高M(jìn)CU性能的進(jìn)化道路。2015年，Silicon Labs公司推出的小密蜂EEM8系列MCU，就是這種進(jìn)化道路的典型產(chǎn)品。在先進(jìn)的C8051F結(jié)構(gòu)體系基礎(chǔ)上，將外圍功能單元最大化片內(nèi)集成，使EEM8系列實(shí)現(xiàn)了從MCU向產(chǎn)品平臺(tái)的蛻變。這種先進(jìn)的芯片級(jí)的產(chǎn)品平臺(tái)，將為各種微小型智能化設(shè)備(如穿戴式設(shè)備、智能微電子機(jī)械、智能傳感器等)的應(yīng)用，提供最佳的選擇。

EEM8系列芯片級(jí)產(chǎn)品平臺(tái)的技術(shù)表現(xiàn)如下：

(1) 有滿足控制需求的先進(jìn)MCU內(nèi)核

C8051F是最新一代8位MCU，雖然在高速海量數(shù)據(jù)處理上不及32位，但在滿足大多數(shù)物理對(duì)象的控制上，已足夠用，甚控制功能不輸于、甚至優(yōu)于32位MCU。

(2) 片內(nèi)集成有豐富的外設(shè)單元

EFM8中集成了眾多原先外部擴(kuò)展的功能電路，如內(nèi)部校準(zhǔn)的溫度傳感器、集成的振蕩器、多種模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、高速閃存、USB接口、增強(qiáng)接口、電容觸摸控制、電池檢測(cè)、UART、SPI、SMBus/I2C總線等。高速流水線8051內(nèi)核、超低功耗、精度模擬、增強(qiáng)的通信外設(shè)、小尺寸封裝、靈活的數(shù)字和模擬復(fù)用、I/O引腳路由的先進(jìn)Crossbar架構(gòu)，都可以滿足IoT底層產(chǎn)品眾多的應(yīng)用需求。

(3) 有極佳的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)支持

在EFM8中，最大限度地集成了低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)，包括本質(zhì)低功耗與功耗管理技術(shù)，如最低的睡眠電流、有效電流、 喚醒時(shí)平均電流的本質(zhì)低功耗，以及LDO提供的多種低電壓供電選擇、多種數(shù)字和模擬外設(shè)備超快速喚醒、使用內(nèi)部RTC 和停止電源的睡眠狀態(tài)選擇等。

(4) 可提供不同應(yīng)用狀態(tài)的產(chǎn)品平臺(tái)

小蜜蜂EFM8提供3種不同應(yīng)用環(huán)境的MCU：成本敏感型的EFM8 Busy Bee系列，能為產(chǎn)品提供最優(yōu)的性價(jià)比；能耗敏感型的EFM8 Sleepy Bee系列，具有極佳的本質(zhì)低功耗與全面的功耗管理能力；突出功能需求的EFM8 Universal Bee系列，有豐富片內(nèi)功能單元集成，能滿足產(chǎn)品需求，成為芯片級(jí)產(chǎn)品平臺(tái)。在微小型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用中，小蜜蜂EFM8優(yōu)于32位板級(jí)產(chǎn)品平臺(tái)。

(5) 為用戶提供筒單易用的開發(fā)環(huán)境

Silicon Labs公司推出了全方位支持EFM8 MCU系列產(chǎn)品的完整軟件和硬件工具包。Silicon Labs增強(qiáng)型Simplicity Studio開發(fā)平臺(tái)為用戶提供了統(tǒng)一的8/32位開發(fā)環(huán)境支持，以及Eclipse調(diào)試器和插件、Keil PK51編譯工具、第三方工具支持、電容式感應(yīng)評(píng)測(cè)器、演示代碼、軟件示例代碼、數(shù)據(jù)手冊(cè)、應(yīng)用筆記、技術(shù)支持和社區(qū)論壇等，大大地簡(jiǎn)化和加速了8位MCU的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

58位80C51變革的幾點(diǎn)思考

縱觀MCU發(fā)展史，永不衰敗的8位MCU是一個(gè)十分奇特的現(xiàn)象，其背后有深刻的因素，值得我們認(rèn)真思考。

① 嵌入式領(lǐng)域有足夠大的應(yīng)用市場(chǎng)。從技術(shù)角度看，MCU是一個(gè)微小的智力內(nèi)核，有無限的應(yīng)用領(lǐng)域,小到人體內(nèi)，大到局域網(wǎng)；從市場(chǎng)角度看，有無限大的智能化工具、人工智能領(lǐng)域。嵌入式應(yīng)用的多樣性，決定了8位、32位、64位MCU都有各自發(fā)展的巨大空間。

② MCU有兩條不同的演化道路，滿足高速海量信息處理與不斷提升控制能力的需求。在不斷提升控制能力方面，8位MCU有穩(wěn)定的發(fā)展空間，優(yōu)勢(shì)不會(huì)失去。

③ 總線寬度的增加并不意味著功能的同比增大。8位MCU可以避開在高速、海量數(shù)值計(jì)算上與32位、64位MCU爭(zhēng)鋒，其可突出控制功能，走芯片化產(chǎn)品平臺(tái)的技術(shù)發(fā)展道路。

④ 未來8位、32位、64位MCU都有自己的足夠大的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域，呈技術(shù)互補(bǔ)性發(fā)展的趨勢(shì)。據(jù)IHS的預(yù)測(cè)，8位MCU的市場(chǎng)份額繼續(xù)超過每年MCU市場(chǎng)營(yíng)收的三分之一以上。

參考文獻(xiàn)

[1] 何立民.從Cygnal C8051F看8位單片機(jī)發(fā)展之路性[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2002(5).

[2] 何立民.小蜜蜂EFM8單片機(jī)迎接物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代[EB/OL].[2016-03].http://video.gongkong.com/newsnet_detail/325816.htm.

收稿日期：(責(zé)任編輯：楊迪娜2016-03-31)