本文简单地介绍了MCU及MCU相关的开发工具。并引用IC insights和IHS两个重要的市场研究机构说明了MCU市场的规模及MCU市场的厂商市场份额排名。对MCU市场发展的变化趋势做了几点简要说明。盘点了一些国内外MCU厂商及其相关情况。本文希望能对MCU相关从业者以及开发工程师有所帮助。由于本人水平有限，整理过程中不免有错误和疏漏，敬请指正。

MCU简介

微控制器英文是 Microcontroller Unit，简写为MCU。微控制器是将计算机运行所需要的一些资源（如ROM、RAM、I/O、定时器、USB、ADC、DAC等）集成到了一个芯片上，称之为单片微型计算机（Single Chip Microcomputer），俗称为单片机。因程序存放在微控制器的存储器中，又与硬件紧密配合使用，故又称之为嵌入式微控制器(Embedded Microcontroller Unit，EMCU)。单片机的程序与硬件紧密相连，区别于PC的软件，又将称单片机的程序为固件或韧体。

处理器又称为中央处理器（CPU，Central Processing Unit），是计算机的核心计算单元。MCU不同于处理器，一个MCU就是一个完整的计算单元，而处理器需要与存储、显示、键盘、内存等单元结合在一起才构成一个完整的计算机系统。

MCU基本组成

一般地，MCU基本组成由以下部件组成：

• CPU - MCU的核心部件，包括运算器和控制器两个主要部分

• 存储器 - 用于存储程序和数据

• 中断控制器 - 暂停执行当前的任务而出来其他的事件，处理完成后，返回中断处继续执行

• 输入/输出端口 - 连接或驱动不同的设备，如LED等

• 串行通信端口 - MCU和不同外设之间进行数据交换，如UART、SPI等

• 定时器/计数器 - 脉冲计数和定时

  常见MCU外设有以下：

• GPIO - General Purpose Input Output，通用输入输出，

• ADC - Analog to Digital Converter,模数转换器

• DAC - Digital to analog converter,数字模拟转换器

• USB - Universal Serial Bus,通用串行总线

• CAN - Controller Area Network,控制器局域网络

• ETHERNET - 以太网

• SPI - Serial Peripheral Interface,串行外设接口

• UART - Universal Asynchronous Receiver Transmitter,通用异步收发传输器

• USART - Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter，通用同步异步串行接收发送器

• I2C - Inter-Integrated Circuit，集成电路总线

• EEPROM - Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，电可擦可编程只读存储器

• Comparator - 比较器 * Operational Amplifier - 运算放大器

• I2S - Inter—IC Sound,集成电路内置音频。飞利浦公司为数字音频设备之间的音频数据传输而制定的一种总线标准，该总线专门用于音频设备之间的数据传输，广泛应用于各种多媒体系统。

• Crypto-HASH - 加密哈希

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MCU分类

MCU可以根据其位数、存储器、架构和指令集进行分类。

根据数据位数分类

• 4位 - 内部数据或总线是4位宽度，ALU执行半字节长度的逻辑和算术运算

• 8位 - 内部数据或总线是8位宽度，ALU按顺序执行一个字节长度的逻辑和算术运算

• 16位 - 内部数据或总线是16位宽度，ALU可以进行16位操作数的算术和逻辑运算

• 32位 - 内部数据或总线是32位宽度，ALU可以执行32位操作数的逻辑和算术运算

根据指令集分类

• CISC - Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机

• RISC - Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机

根据存储器结构分类

• 哈佛结构 - 指令和数据分开存储

• 冯▪诺依曼结构 - 又称作普林斯顿体系结构（Princetion architecture），指令和数据存储在同个存储空间

根据存储器设备分类

• 内部存储MCU - 程序存储在MCU内部

• 外部存储MCU - 程序存储在MCU外部

按照功耗分类

• 通用MCU - 所有MCU相关资源（ROM、RAM、I/O、 EPROM），用户都可以用

• 超低功耗MCU - 低漏电工艺，专门为电池供电等能源节约设计，

按照用途分类

• 通用型

• 专用型 - 硬件和指依据特定用途设计。

MCU常见内核架构

目前，市场主流的MCU内核有：

• 8051 - Intel的MCS-51、哈佛架构、CISC指令集，由Intel开发。

• ARM Cortex-M - 精简指令集计算（RISC）架构，由英国公司ARM Holdings开发。

• 6800 - CISC指令集，由Motorola开发

• MIPS - RISC指令集，由MIPS Technologies, Inc.开发。MIPS Technologies, Inc.被Imagination Technologies收购。

• AVR - 哈佛架构、RISC指令集。由Atmel公司开发，Atmel为Microchip收购

• PIC - 哈佛RISC指令集，由Microchip Technology公司开发

• Z80 - CISC指令集，由Zilog公司开发。Intel 8080的扩展

• RISC-V - 开放的RISC精简指令集，2010年项目开始于加利福尼亚大学伯克利分校

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MCU的存储器

存储程序的存储器主要有以下几种：

• ROM - Read-Only Memory，是一种非易失性存储器(Non-volatile memory, NVM),用于存储MCU固件

• EPROM - Erasable Programmable Read-Only Memory，可擦可编程序只读存储器

• EEPROM - Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，电可擦可编程只读存储器

• FLASH - Flash Memory，闪存是一种非易失性的存储器

在8位机市场中，有些仍在使用OTP工艺的程序存储器，由于其成本低而被广泛使用。未来的发展看，FLASH会是未来8位和32位的主流程序存储器。
MCU的封装

MCU的封装是用户开发使用MCU最直接的表现形式。新工艺新市场需求的发展也出现了新的封装形式,如WLCSP和SiP。WLCSP适合于对于MCU体积空间要求非常严苛的场合，如可穿戴产品。SiP可以将不同芯片的IP封装在一起，在市场需求多变的情况下，开发一款MCU产品投入显然很大，通过封装不同的IP，大大降低了产品投入的风险。

常见的MCU封装有：

• DIP - Dual In-line Packag, 双列直插式封装

• QFP - Quad Flat Package,方型扁平式封装

• QFN/DFN - Quad Flat No-Leads/Dual-Flat no-leads,方形/双边扁平无引脚封装

• BGA - Ball Grid Array,焊球阵列封装

• SOP - Small Out-Line Package,小外形封装

• WLCSP - Wafer Level Chip Scale Packaging,晶圆片级芯片规模封装

• SiP - System In a Package,系统级封装

MCU主要的市场应用

MCU已广泛应用于各行各业的产品中，下面列出了几个主要的应用领域：

• 消费电子

• 计算机和通信

• 工业

• 汽车电子

• 物联网

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开发工具

实时操作系统（RTOS）

早期，MCU由于资源紧张，如FLASH 一般都是0.5KB/1K/2KB/4KB/8KB/16KB等无法运行一个底层的操作系统。并且嵌入式实时控制对指令周期有着严格的要求，不适合用操作系统进行系统设计开发。而随着MCU资源的丰富、运行频率越来越高，对一些实时性要求不高的应用，开始使用操作系统了。操作系统对开发者的要求大大降低了，只需要开发相关的任务或应用就可以了。尤其是近些年物联网发展的需求，要求对通信协议和控制进行各种转换和处理，带动了操作系统的应用和普及。

开源RTOS较容易为开发者所接受，下面列出了一些国内外比较常见的开源RTOS：

国外实时操作系统（RTOS）

• ARM mbed OS - ARM公司专为物联网 (IoT) 中的“物体”设计的开源嵌入式操作系统，主要支持ARM Cortex-M微控制器

• FreeRTOS - 非常流行的嵌入式操作系统，支持多种微控制器

• Contiki OS - Contiki是一个开源的物联网操作系统。 Contiki将小型低成本、低功耗微控制器连接到互联网。Contiki是构建复杂无线系统的强大工具箱。

• LiteOS - 类UNIX操作系统,多用于无线传感网络

• RIOT - 物联网友好的操作系统。RIOT实现了所有物联网相关的开放标准，支持连接、安全、耐用和隐私。

• TinyOS - 适用于低功耗无线设备，用于无线传感器网络

• μTenux - 基于ARM Cortex M0-M4的开源物联网嵌入式操作系统。内核源于T-kernel。

• ChibiOS/RT - 提供了一个嵌入式应用的完整开发环境(RTOS、HAL、外设驱动、支持文件和工具)

• Micrium uCOS - 免费商业化应用需授权，2016年为Slicon Labs收购

• Unison - Unison RTOS是面向IoT和M2M通信嵌入式应用的实时操作系统

• Zephyr - Zephyr项目是一个可扩展的实时操作系统（RTOS），支持多种硬件架构，针对资源有限的设备进行了优化，并以安全性为基础构建。由Linux基金会托管。

• eCos - eCos是面向嵌入式应用的免费开源实时操作系统。高度可配置性使得eCos能够根据精确的应用需求进行定制，提供最佳的运行时性能和优化的硬件资源占用。

中国实时操作系统（RTOS）

• RT-Thread - 中国的开源嵌入式实时操作系统

• djyos - 都江堰操作系统，由长园深瑞继保自动化有限公司（简称深瑞）主持的开源操作系统

• Huawei LiteOS - 华为公司的操作系统。Huawei LiteOS是轻量级的开源物联网操作系统、智能硬件使能平台，可广泛应用于智能家居、穿戴式、车联网、制造业等领域，使物联网终端开发更简单、互联更加容易、业务更加智能、体验更加顺畅、数据更加安全。

• AliOS Things - 面向IOT领域的轻量级物联网嵌入式操作系统

编译器

编译器就是将编程语言翻译成MCU可以执行的机器语言。汇编语言和C语言是常用的编程语言。MCU开发主要用到的编译器有下面两种：

• 汇编语言编译器

• C语言编译器

编译器的选择跟选择的MCU有关。汇编编译器一般由芯片厂家来提供。C语言编译器有的由MCU厂家提供，也有专业的第三方C编译器。常用到的C编译器有：

• Keil - ARM公司编译器，专注于ARM处理器。支持的MCU产品有ARM、8051/8052、Intel 80251、英飞凌C16x等

• IAR Systems - 流行的8位、16位和32位C和C++编译器。支持的MCU有ARM Cortex-M0/M0+/M3/M4/M7/R4/A9、MSP430、AVR（8位）、STM8等

• SDCC - Small Device C Compiler(SDCC)开源免费的C编译器。支持的MCU有：Intel MCS51（8031/8032/8051/8052等）、NXP HC08、Zilog Z80、STMicroelectronics STM8、Microchip PIC16/PIC18等

• Altium TASKING - 支持ARM Cortex-M系列、8051、251等系列MCU

• Green Hills - Green Hills Optimizing Compilers 支持ARM Cortex-M、MIPS等系列MCU

• GNU Compiler Collection - GNU Compiler Collection (GCC)是GNU Project的开源编译器，支持各种编程语言。GCC已被移植到各种指令集架构中，作为免费和专用软件被广泛使用，支持的MCU包括ARM Cortex-M系列、AVR等

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选择C语言作为项目的开发软件工程师是越来越多。C语言对于不同内核架构的MCU产品C语言代码更容易于移植。C语言作为项目开发也更容易沉淀聚合公司或团队集体的“知识财产（IP）”。对汇编语言有“情怀”的MCU开发者依然很多，这部分MCU多是以4/8位MCU为主，开发相对简单的项目。商业的C语言编译器比较昂贵，一般的个人或小公司没有意愿购买正版，多是采用破解的C语言编译器。随着版权意识越来越强，软件工程师更倾向于免费或开源的C语言编译器。部分的商业C语言编译器也开放了有限制的版本供软件工程师使用。

C语音编译器是核心，需要一个可调试开发的集成开发环境（IDE），不少厂家借助开源软件（如Eclipse）推出基于GCC的C语言编译器，如NXP的MCUXpresso IDE。值得一提的是，ARM公司推出了基于web的mbed工具，无需本地化安装IDE和编译器，在任何可以上网的地方就可以编写程序，这是一种全新的开放编程方式。

MCU市场规模

下面分别从MCU行业中两个重要的调研机构数据来看MCU市场的规模。

IC Insights

根据IC Insights的预测，到2020年MCU市场将创下历史新高。经过近几年的价格下滑，MCU平均销售价格预计会上涨，有助于销售额达到新高。虽然未来五年增长总体放缓，但MCU年收入仍然会创新记录。2015年MCU销售仅增长不到半个百分点，创下略超159亿美元的新纪录，MCU出货量却增长了15％，全球MCU出货量达到了221亿的历史最高峰。智能卡MCU和32位机的设计带动了出货量的增长，这也使得MCU平均售价下降了13%，在2015年达到了历史新低0.72美金。过去的三年中，价格的下降尤其是32位MCU，拖累了MCU销售增长，但平均销售价格在2015年-2020年期间预计会稳中上升，复合年均增长率（CAGR）同比增长1.6%，而而2010年到2015年期间年均下降率为-7.7％。

尽管平均销售价格下降预计会结束，但MCU出货量增长速度会远低于过去十年前五年，主要原因是智能卡MCU增长放缓和因物联网IC库存收紧。 IC Insights预测2016年MCU销售额将增长至2016年的接近166亿美元，比2015年的159亿美元增长4％。MCU出货量预计增长2%达到224亿美元，整体MCU的平均销售价格预计增长2%今年达到$0.74美元。2015年至2020年，MCU销售预计年复合增长率5.5%在最后一年接近209亿美元。自20世纪90年代中期以来，全球MCU销售额的复合年增长率为2.9％。

预计到2020年MCU销售额将不会出现下滑。2016年至2019年期间（预计销售额增长9％），整体MCU收入增长预期将逐渐加强，而后再回落至2020年的4％增长率。目前MCU的出货量复合年增长率增长预计是3.9％。

到2020年MCU单位增长放缓的一个主要因素是智能卡市场的成熟，近年来，这一市场占据了微控制器出货量的近一半，占总收入的15-16％。 到2020年，智能卡MCU占微控制器总出货量的38％，销售额的12％左右。

IHS

MCU主要厂商排名

IC Insights

2017年4月27日，2016年NXP收购Freescale成为第一MCU供应商。虽然微控制器的整体增长在过去几年中一直在摇摆不定，但MCU仍然处于物联网、汽车、机器人、嵌入式应用和其他新兴系统巨大增长的中心。主要的MCU供应商一直在改进他们的产品组合以应对这些关键市场。部分改进过程包括合并和收购竞争对手以便迅速立足这些发展中市场。

IHS

MCU发展趋势

市场需求的发展带来了MCU应用的普及，随着产品智能化、万物互联需求的发展，也必将带来MCU销售的增长。市场需求的发展也促进了MCU产品功能不断地改进、性能不断地提高。通用MCU产品做“加法”，通过增加外设满足越来越多的不同的市场需求，现在的MCU基本可以满足大多数应用对MCU外设的需求。而一些专用MCU做”减法“，通过减少一些不必要的外设，增加一些特定的功能，满足某些市场应用的需求，比如，集成有无线射频的MCU等。

超低功耗

芯片工艺技术的进步使得MCU的功耗大大降低，行业也在向着节能降耗继续发展。而对超低功耗MCU越来越受到重视，尤其是随着对电池供电应用以及无线连接技术的重视，一节电池往往要求工作几年，有的甚至要求工作十年，超低功耗MCU是最基本的要求。更多超低功耗MCU资讯，可参阅 《超低功耗MCU报告》

物联网

根据Grand View Research，Inc.的一份报告，到2022年，全球物联网MCU市场预计将达到35.6亿美元。 ARM公司的预测：到2035年，物联网提升全球GDP：每年5万亿美元; 到2035年，物联网模块和数据服务的年度支出：每年1万亿美元;2017年至2035年期间物联网连接模块的累计支出：7500亿美元; 2017年和2035年之间建立的物联网设备数量：1万亿

新的应用推动着MCU在物联网行业的应用发展，也是MCU一个很重要的增长领域。物联网应用中的通信连接、智能传感器等都是主要的应用形式。人常说物联网是“碎片化”的。其中一方面是物联网的规模比较分散和标准不统一。而另外方面看，物联网需要的多样化市场需求也决定了所谓的“碎片化”。“碎片化”的市场需要整合统一的物联网标准，或者是融合各种技术的标准以满足不同的需求。这也为MCU的新产品定义和创新提供了新的条件和机遇。

ARM公司推出了WPAN的Cordio无线IP解决方案，集成蓝牙5和IEEE 802.14.4-2006标准的超低功耗CMOS无线IP产品，可以实现一个MCU产品支持多协议栈，如蓝牙、Zigbee、Thread以及基于802.15.4的各种通信协议。Silicon Labs也推出了支持2.4GHz和1GHz以下的多种无线通信协议的MCU产品，支持Zigbee、Thread、蓝牙、Sub-GHz等各种通信协议。
价格

半导体技术的进步使得MCU产品价格越来越低，下面是对主流的8位和32位MCU产品市场平均价格空间做了一个简单的说明：

低配的8位MCU价格已然突破了0.15美金（汇率若按6.5计算，6.41.170.15=1.12含税人民币），主流的8位MCU价位基本在0.15~0.6美金。主流的32位MCU市场平均价格一般在2美金左右。市场主流的ARM Cortex-M0的MCU产品平均价格一般是在1美金以下，在同核多供应商竞争的格局下，基于ARM Cortex-M0的32位MCU平均价格还是会继续下降，低配的基于ARM Cortex-0 32位MCU已经降到了0.3美金。

2017年 ARM公司DesignStart的项目对ARM Cortex-M0/M3内核免授权费，大大降低了MCU开发者的开发费用，利用现有成熟的IP快速设计产品。这必然带来MCU产品设计者的增加，进而32位MCU的价格竞争也势在必然。

智能硬件、物联网等新兴的市场也带动了中国MCU市场的发展，出现了不少新的MCU供应商，给MCU市场带来了竞争，也为中国MCU注入了新的活力。

MCU主要厂商

基于ARM Cortex-M内核的中国MCU厂商

中国MCU IP的厂商

• 杭州中天微系统有限公司

• 苏州国芯科技有限公司

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