MCU - 讲透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。
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。
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。
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。