MCU内核架构发展历史及主流内核IP的发展情况

电子发烧友网报道（文/程文智、李宁远）目前，MCU已经渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到有哪个领域没有MCU的踪迹。不论是家用电器、仪器仪表、智能手机、平板电脑、键盘鼠标、仪器仪表、或者是金融系统、医疗设备、通信、汽车、航空航天等领域都有MCU的身影。
 
这一点从MCU的出货量上也可以明显看出来，据IC Insights统计，全球MCU产品出货量从2015年的221亿颗，增长至2020年的361亿颗，2021年甚至可达到395亿颗。市场规模也在这两年的缺货涨价的行情中快速增长，2020年的市场规模为197亿美元，2021年增长了11%达到了215亿美元，预计今年还会继续增长。
 
国内MCU市场经过三十多年的发展，不论是市场，还是产品技术也都得到了很大的发展。从市场规模看，根据IHS的统计，国内MCU市场规模从2015年的180亿元，增长至2020年的269亿元，应用市场包括了汽车电子（33%）、工业控制及医疗（25%）、计算机（23%）、消费电子（11%）等。
 
MCU的发展历史

MCU出现的历史并不长，但其发展非常迅速。1971年，美国英特尔公司的霍夫研制出世界上第一块4位微处理器芯片4004，标志着第一代微处理器问世。当时4004配有RAM、ROM和移位寄存器，包含2300个晶体管，尺寸规格为3mm×4mm，最初的售价为200美元。接着，1972年，英特尔又推出了8位微处理器Intel8008，以及主频为2MHz，采用6微米工艺的8080，晶体管个数增加了6000个。
 
随后，1976年，英特尔推出MCS-48系列的8位MCU，采用了8位CPU、 8位并行I/O接口、8位定时/计数器、RAM和ROM等集成于一块半导体芯片上的单片结构, 虽然其寻址范围有限（不大于4 KB）, 也没有串行I/O, RAM、 ROM容量小, 中断系统也较简单, 但功能可满足一般工业控制和智能化仪器、仪表等的需要。
 
除了英特尔推出了MCS-48系列MCU之外，Zilog公司也在1976年开发出了Z80微处理器，广泛应用微型计算机和工业自动控制设备中。在当时，英特尔、摩托罗拉和Zilog在微处理器领域三足鼎立。
 
在1980年，英特尔在MCS-48系列MCU的基础上，推出了MCS-51系列8位MCU（最典型的有高性能8051单片机），在工业控制领域引起了不小的轰动，并迅速确立了其不可动摇的地位。MCS-51系列MCU无论是片内RAM容量，I/O接口功能，还是在系统扩展方面都有了很大的提高。
 
不久之后，英特尔彻底开放了801单片机的技术，引来世界上很多半导体厂商加入了开发和改造8051单片机的大军。其中贡献较大的有Philips，它着力发展了单片机的控制功能和外围单元；Atmel公司则在MCU内部植入了Flash ROM，使得MCU的应用变得更加灵活；ADI推出的ADUC8xx系列MCU，在MCU向SoC发展的过程中扮演了很重要的角色。
 
1983年Intel公司又推出了高性能的16位单片机MCS－96系列, 工艺更先进，集成的晶体管更多，可达12万只以上。除了英特尔之外，TI、Atmel、Microchip、瑞萨等也都先后推出16位MCU产品。
 
2000年以前的MCU公司基本都是采用自研内核，之后随着计算要求越来越复杂，内核厂商开始出现，分工进一步细化，MCU厂商开始采用外购内核并将主要精力投入到外围电路等其他部分的研发。
 
就目前来说，第三方的MCU内核中，占主导地位的是Arm Cortex M系列，该系列由Arm开发，采取IP授权的形式，Cortex-M系列具有短流水线、超低功耗的设计特点。2004年，Arm推出了其第一款Cortex-M系列处理器M3，ST最先采用，并快速推出了一些列基于该内核的32位MCU。
 
当然，除了Cortex-M系列的MCU内核，近几年兴起的RISC-V也出现了不少专门提供IP的公司，国内不少MCU公司推出了相关的产品。接下来，我们看看市面上的主流的MCU内核IP有哪些。
 
主流的MCU内核IP

目前，不论是国内，还是国外，Arm的Cortex-M系列MCU内核都是主流。截止到目前，Arm共推出了10款Cortex-M系列MCU内核IP，这些IP可满足低、中、高端需求。其中，M0、M0+、M1、M23四个系列为低端MCU内核IP；M3和M4为中端MCU内核IP；M7、M23、M35P、M55为中高端MCU内核IP产品。

 

 

国外厂商中，瑞萨主要以自研内核为主，自研内核产品料号占了近8成；Microchip自研内核MCU产品超过一半以外，其他大部分厂商都采用Cortex-M系列MCU内核为主，而且，它们在低中高端类产品方面都有布局。
 
国内MCU厂商90%都采用了Arm 的Cortex-M系列内核，与国外厂商不同的是，国内MCU厂商基本都是集中在几个产品系列。其中，兆易创新的32位MCU产品主要采用了M23、M3、M4、M33和RISC-V五种MCU内核；华大半导体主要采用了M0+和M4两种MCU内核；国民技术主要采用了M0和M4两种MCU内核，另外，其M7内核的MCU产品还在研发当中；中颖电子主要以8位MCU为主，其32位MCU采用了M3内核；芯海科技的32位MCU产品采用了M0内核；比亚迪半导体的32位MCU产品采用了M0和M0+两种；灵动微电子主要采用了M0、M0+、M3、以及Arm China STAR-MC1 内核四种。
 
这几年，RISC-V在国内非常火热，虽然现在推出RISC-V内核MCU产品的企业还不算多，但未来潜力还是不错的。如今在RISC-V市场，SiFive、晶心科技、平头哥，以及芯来科技等都有相应的IP产品。
 
除了这些第三方的MCU内核IP产品，不少厂商的自研内核产品也还在不断发展中，比如瑞萨的RXv1、RXv2、及RXv3系列内核；Microchip的PIC16、PIC32、AVR DB、AVR DA等MCU内核。国内也有自研内核的MCU企业，比如芯旺微电子的KungFu8和KungFu32内核。
 
虽然现在市场主流已经是32位MCU了，但8位MCU还是有一定市场，也有不少MCU企业还在推出8位MCU新产品。目前在8位MCU市场中，Microchip一家独大，市场份额超过了30%，紧随其后的是恩智浦，约占15%；另外，瑞萨和ST也分别占有10%左右的市场份额。
 
这些8位MCU厂商中，大部分都是采用了自研内核，比如Microchip以AVR和PIC内核为主；恩智浦以RS08和M68HC内核为主；瑞萨主要是RL78、H8和78K0；ST采用STM8内核。
 
除了自研内核之外，8位MCU厂商还会采用8051开源内核来开发产品。前面我们有提到8051内核是英特尔在1980年开发的架构，在1998年失去了专利保护后，成为了开源IP，再次展现出了强大的二次生命力，各家厂商在8051内核基础上进行了一定的改动，并推出了各种差异化的产品。但这类产品基本都统称为8051内核的MCU。目前国内采用8051内核的厂商有中颖电子、宏晶科技、比亚迪半导体、芯海科技、富满微等。
 
结语

近期，<电子发烧友>分析师团队对MCU市场进行了一次调研，本期主要介绍的是MCU内核的一些情况，接下来，我们还将介绍这些内核IP的应用情况，以及最终MCU产品的应用情况，敬请关注。