單片機

單片機是什么，單片機就是微控制器，一種通過運行編寫的程序實現控制功能的芯片，廣泛應用于馬達控制、人機交互、數據采集、照明、小家電、玩具等各種應用。從事電子行業的人一般稱之為MCU，也就是微控制器。現在大家似乎不怎么提單片機這個詞，筆者也只記得在大學里有門課叫單片機，有些網絡論壇還有單片機板塊。單片機這個詞似乎只有老工程師會這么說，現在年輕一代的工程師很多直接用ARM來指代單片機。

其實單片機的英文名很直接地表達了其本質，Single Chip Machine/Microcomputer/Microcontroller，其字面理解就是單芯片實現的微電腦、微控制器。其核心就是高度集成化，集成了CPU與存儲器，以及外部設備，比如定時器、GPIO、SPI、IIC等等。

圖1：典型的混合信號MCU結構（混合信號指模擬與數字外設并存）

（圖片來源：Silicon Labs C8051f數據手冊） 由于單片機在一般電子系統中負責控制功能，因而從功能的角度大家又稱單片機為微控制器單元，Microcontroller Unit簡稱為MCU。 為了統一表達，本文往下用MCU來指代單片機。 目前市面上的MCU根據其CPU系統的指令與數據總線寬度主要分為8位、16位或32位MCU。在早期，各大主流半導體廠商的8位MCU在各細分領域取得了巨大的成功，8位MCU主要分為大名鼎鼎的51核系列和非51系列。

圖2：眾多8位機內核（圖片來源：貿澤電子） 在8位機時代，各廠商的MCU架構各有特色，差異較大，若想熟練掌握某系列MCU的編程技巧，并非易事。一般多采用“祖傳”的軟件系統架構及驅動代碼，很少使用標準RTOS，俗稱”裸奔“。所以工程師在熟練掌握某系列MCU后，除非迫不得已，絕不愿意使用其他系列的MCU。 32位MCU，得益于32位的指令與數據系統，較8位MCU，其性能更強大，定位為高端MCU。知名的架構有Cold fire、MIPS32、PIC32d等。后來NXP、三星、ST等廠商推出了32位的ARM7內核MCU，作為高端MCU產品，在市場上取得了巨大的成功。直到那時，32位MCU還是以中高端MCU的身份出現在市場，高端MCU的特征有以下幾點： 1 跑的快，主頻在50MHZ以上。 2 集成有大容量的ROM與RAM，并多帶有外部存儲器總線。 3 集成有高級外設，比如USB、以太網、LCD控制器等。 再后來針對傳統8位/16位MCU市場，ST率先推出了ARM Cortex-M3內核MCU，就是現在處于32位MCU王者地位的STM32系列。STM32系列簡單易用，使用高效的IDE工具，即使是新手也很容易使用C語言從main（）函數直接編寫應用程序，不需要過多考慮系統的啟動與中斷系統的配置。由于簡單易用，市場占有率越來越高，不少8/16位MCU用戶都采用Cortex-M3內核MCU來升級自己的產品。各主流MCU廠商紛紛推出了ARM Cortex-M3內核MCU，也就是采用ARM Cortex-M3內核配上自家傳統MCU的外設。 ARM Cortex-M3 MCU的巨大成功，催生了更高性能的Cortex-M4、Cortex-M33、Cortex-M7以及多核MCU。這些高端MCU速度達到數百Mhz，具有浮點運算等數學計算能力，甚至采用了Cache技術。其應用范圍拓展到了圖像處理領域，其性能遠遠超出傳統MCU的標準，模糊了MCU與MPU的邊界，目前與MPU的區別僅僅在于高端MCU無MMU（存儲器管理單元）部分，無法運行linux/android級別的高級操作系統。

圖3：STM32高端MCU H7系列(Cortex-M7內核)（圖片來源：貿澤電子） 由于這些ARM MCU啟動與中斷系統是一樣的，IDE也可以是一樣的，對于開發工程師而言，選用新的ARM MCU的難度要比以前換不同架構MCU輕松很多。 為了解決不同廠商MCU外設的差異化，ARM又提出了微控制器軟件接口標準（CMSIS：Cortex Microcontroller Software Interface Standard）。在原廠提供的標準驅動庫的支持下，設計工程師可以非常輕松的采用不同型號MCU完成設計工作。 時至今日，針對海量需求的低端MCU市場，越來越多的廠商推出了Cortex M0/M0+ MCU，價格低至0.1 USD。僅中國大陸地區，就有40家以上的MCU供應商。似乎再沒有人會想到用8位MCU去做產品。ARM Cortex-M核MCU已經完全覆蓋了從主頻1GHz，帶有DRAM控制器，引腳高達兩百多，采用BGA封裝高端MCU，到主頻15MHz，20條腿的低端MCU。 由于ARM Cortex-M核MCU的普及，也難怪有人用ARM來特指MCU。 MCU市場如此的火爆，貿澤官網提供了近45,000個可選料號，并按照其架構分為8位，16位，32位以及ARM核MCU。如有需求，相信一定能找到符合您期望的MCU。