什么是MCU?MCU市场现状分析

发表于 2018-04-23 14:28:52 收藏 已收藏
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什么是MCU?MCU市场现状分析

发表于 2018-04-23 14:28:52

  什么是MCU

  MCU即微控制单元 ,又称单片微型计算机(Single Chip Microcomputer )或者单片机,是把中央处理器(Central Process Unit;CPU)的频率与规格做适当缩减,并将内存(memory)、计数器(Timer)、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口,甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上,形成芯片级的计算机,为不同的应用场合做不同组合控制。诸如手机、PC外围、遥控器,至汽车电子、工业上的步进马达、机器手臂的控制等,都可见到MCU的身影。

什么是MCU?MCU市场现状分析

  MCU的主要分类

  按用途分类:

  通用型:将可开发的资源(ROM、RAM、I/O、 EPROM)等全部提供给用户。

  专用型:其硬件及指令是按照某种特定用途而设计,例如录音机机芯控制器、打印机控制器、电机控制器等。

  按其基本操作处理的数据位数分类:

  根据总线或数据暂存器的宽度,单片机又分为1位、4位、8位、16位、32位甚至64位单片机。4位MCU大部份应用在计算器、车用仪表、车用防盗装置、呼叫器、无线电话、CD播放器、LCD驱动控制器、LCD游戏机、儿童玩具、磅秤、充电器、胎压计、温湿度计、遥控器及傻瓜相机等;8位MCU大部份应用在电表、马达控制器、电动玩具机、变频式冷气机、呼叫器、传真机、来电辨识器(CallerID)、电话录音机、CRT显示器、键盘及USB等;8位、16位单片机主要用于一般的控制领域,一般不使用操作系统, 16位MCU大部份应用在行动电话、数字相机及摄录放影机等;32位MCU大部份应用在Modem、GPS、PDA、HPC、STB、Hub、Bridge、Router、工作站、ISDN电话、激光打印机与彩色传真机; 32位用于网络操作、多媒体处理等复杂处理的场合,一般要使用嵌入式操作系统。64位MCU大部份应用在高阶工作站、多媒体互动系统、高级电视游乐器(如SEGA的Dreamcast及Nintendo的GameBoy)及高级终端机等。

  8位MCU工作频率在16~50MHz之间,强调简单效能、低成本应用,在目前MCU市场总值仍有一定地位,而不少MCU业者也持续为8bit MCU开发频率调节的节能设计,以因应绿色时代的产品开发需求。

  16位MCU,则以16位运算、16/24位寻址能力及频率在24~100MHz为主流规格,部分16bit MCU额外提供32位加/减/乘/除的特殊指令。由于32bit MCU出现并持续降价及8bit MCU简单耐用又便宜的低价优势下,夹在中间的16bit MCU市场不断被挤压,成为出货比例中最低的产品。

  32位MCU可说是MCU市场主流,单颗报价在1.5~4美元之间,工作频率大多在100~350MHz之间,执行效能更佳,应用类型也相当多元。但32位MCU会因为操作数与内存长度的增加,相同功能的程序代码长度较8/16bit MCU增加30~40%,这导致内嵌OTP/FlashROM内存容量不能太小,而芯片对外脚位数量暴增,进一步局限32bit MCU的成本缩减能力。

  按存储器结构分:

  MCU根据其存储器结构可分为哈佛(Harvard)结构和冯?诺依曼(Von Neumann)结构。现在的单片机绝大多数都是基于冯·诺伊曼结构的,这种结构清楚地定义了嵌入式系统所必需的四个基本部分:一个中央处理器核心,程序存储器(只读存储器或者闪存)、数据存储器(随机存储器)、一个或者更多的定时/计时器,还有用来与外围设备以及扩展资源进行通信的输入/输出端口,所有这些都被集成在单个集成电路芯片上。

  按指令结构分:

  MCU根据指令结构又可分为CISC(Complex InstrucTIon Set Computer,复杂指令集计算机)和RISC(Reduced InstrucTIon Set Comuter,精简指令集计算机微控制器)

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  MCU技术原理

  MCU同温度传感器之间通过I2C总线连接。I2C总线占用2条MCU输入输出口线,二者之间的通信完全依靠软件完成。温度传感器的地址可以通过2根地址引脚设定,这使得一根I2C总线上可以同时连接8个这样的传感器。本方案中,传感器的7位地址已经设定为1001000。MCU需要访问传感器时,先要发出一个8位的寄存器指针,然后再发出传感器的地址(7位地址,低位是WR信号)。传感器中有3个寄存器可供MCU使用,8位寄存器指针就是用来确定MCU究竟要使用哪个寄存器的。本方案中,主程序会不断更新传感器的配置寄存器,这会使传感器工作于单步模式,每更新一次就会测量一次温度。

  要读取传感器测量值寄存器的内容,MCU必须首先发送传感器地址和寄存器指针。MCU发出一个启动信号,接着发出传感器地址,然后将RD/WR管脚设为高电平,就可以读取测量值寄存器。

  为了读出传感器测量值寄存器中的16位数据,MCU必须与传感器进行两次8位数据通信。当传感器上电工作时,默认的测量精度为9位,分辨力为0.5C/LSB(量程为-128.5C至128.5C)。本方案采用默认测量精度,根据需要,可以重新设置传感器,将测量精度提高到12位。如果只要求作一般的温度指示,比如自动调温器,那么分辨力达到1C就可以满足要求了。这种情况下,传感器的低8位数据可以忽略,只用高8位数据就可以达到分辨力1C的设计要求。由于读取寄存器时是按先高8位后低8位的顺序,所以低8位数据既可以读,也可以不读。只读取高8位数据的好处有二,第一是可以缩短MCU和传感器的工作时间,降低功耗;第二是不影响分辨力指标。

  MCU读取传感器的测量值后,接下来就要进行换算并将结果显示在LCD上。整个处理过程包括:判断显示结果的正负号,进行二进制码到BCD码的转换,将数据传到LCD的相关寄存器中。

  数据处理完毕并显示结果之后,MCU会向传感器发出一个单步指令。单步指令会让传感器启动一次温度测试,然后自动进入等待模式,直到模数转换完毕。MCU发出单步指令后,就进入LPM3模式,这时MCU系统时钟继续工作,产生定时中断唤醒CPU。定时的长短可以通过编程调整,以便适应具体应用的需要。

  MCU市场现状分析

  2015年开始,为争夺市场份额,布局强劲增长的物联网应用,MCU主要厂商之间发生了数起大规模并购。根据市场调研机构ICInsights的统计,从收购完成合并后的销售数据看,NXP、Microchip和Cypress2016年MCU产品线销售额同比大幅增长,排名也相应上升。未进行大规模收购的MCU厂商则表现平平,只有个位数的增长,比如ST和TI,有的出现了大幅下降,比如像Samsung,(见图1)。

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  图1  2016全球MCU市场格局

  从图1我们还看到,8大MCU厂商全球市场份额合计达到了88%,这也就是说除了几大MCU外,小的MCU公司市场份额非常小。ICInsights2016年8月的研究报告说,MCU市场将于2020年达到高峰,销售额达到209亿美元,销售267亿颗芯片,(见图2)。针对这样的市场形势,在刚刚结束的2017年STM32峰会上,ST给自己定下目标是2020年销售额将到达40亿美元,从目前市场10%份额增长到20%分额。

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  图2  2013-2020全球MCU市场预估

  中国MCU发展机遇

  中国单片机30年

  80年代初北京工业大学电子厂掀起了TP801开发热潮,同期,上海和江苏等地开发了MCS-51的单片机开发系统,这股单片机的热潮引发了全国的智能电子大变革的时代的开始。1986年10月,在上海复旦大学举行了第一次全国单片机学术交流会,这标志了中国单片机事业的开始,也由此经历了中国单片机30年辉煌发展历史进程。2016年11月,嵌入式系统联谊会举办了中国单片机30年纪念活动,老中轻三代单片机工作者齐聚北航回忆这段历程,共议中国单片机发展的美好前景。

  过去几年中国MCU市场一直持续增长,据isuppliResearch2015的研究报告(见图3),2011年中国MCU市场销售额大约30亿美元,到了2016年已经有40亿美元,其中32位MCU市场份额将持续增大,期内复合增长率已经接近10%。前面我们看到全球8大MCU企业没有的中国企业(包括台湾),有关研究报告还指出,

  中国内地和台湾MCU企业在中国市场各有10%的份额。笔者从刚刚结束的2017年STM32峰会了解到,2016年ST中国通用MCU市场营收在其全球市场中占比36%,从2007年开始就一直保持27%的年复合增长率,以物联网,可穿戴、智能手机、智能楼宇和表计以及电动汽车和无人机等新型应用是拉动MCU快速增长重要引擎。

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  图32011-2017中国MCU市场预估

  中国单片机30年,MCU厂商很多,但多数混迹8/16位低端市场,中国是全球第一大电子制造基地,有足够大的市场来养活这些小厂商。但设计能力低,缺少战略发展规划和资金支持的中小MCU厂商,难以改变中国企业在MCU市场的弱势地位。

  国产32位MCU提速

  近年中国MCU企业的增长提速,尤其是在32位MCU市场上涌现出像兆易创新、致象科技和灵动微电子这样的企业,他们基于ARMCortexM技术的MCU芯片受到了市场的欢迎,国产MCU产品的市场战略一般是更低的价格,更好的性能,本地周到的服务,最主要的是与国外产品pin-pin兼容,这些市场策略让国内企业非常受用,取得了丰硕的成果。

  据财经媒体报道,2016年,兆易创新实现营收14.89亿,净利1.76亿,营收同比增长25%、利润增长了12%;MCU芯片实现营收1.97亿元,同比增长55.2%,销量4578万颗,兆易创新最近以65亿收购北京矽成。矽成的主营业务是以易失性存储芯片为主,主要从事SRAM、中低密度DRAM、EEPROM等集成电路产品的设计与销售,产品应用于汽车、工业医疗、网络移动通讯、电子消费产品等领域。这与兆易创新的非易失性存储芯片,包括NORFlash和NANDFlash及其衍生产品以及MCU微控制器产品的研发、技术支持和销售的业务范围正好互补。收购矽成对于未来兆易创新GD32系列MCU发展都将起到积极作用,或将有助于兆易创新拓展汽车电子市场的计划。

  MCU主要发展趋势

  1、低成本、低功耗、高集成、高精度、高稳定性MCU占据更大市场份额。除了对传统领域现有MCU系列产品进行更新、升级外,未来新兴应用领域如低能耗电机控制、便携式医疗设备、高精度工业仪器控制、特殊工作环境电子控制、精细动力控制等,对产品可靠性、鲁棒性、稳定性等都有较高的要求。物联网、节能环保、新能源动力电池、轨道交通等新兴战略性产业也需要大量低成本、低功耗、高集成、高精度、高稳定性MCU。

  2、整合各种不同功能的MCU不断涌现。随着智能设备、物联网等产业的快速发展,无线RF、传感器、电源管理等搭配MCU成为一种新趋势。高度整合的MCU不仅可以方便客户开发产品,并且可减少印刷电路板的占用空间,从而能够降低一部分成本,将来非常具有市场潜力。

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