北京航空航天大學　何立民

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8位MCU可能是永續(xù)的不死鳥
——未來8、32、64位MCU平分天下

北京航空航天大學何立民

引言

20世紀，MCU應用領域是8位機的天下，80C51是8位機的主流機型。進入到21世紀，ARM微控制器開始興起，以特殊的產(chǎn)業(yè)模式迅速擴大了市場份額。當ARM微控制器不斷吞噬8位MCU的市場份額時，有人認為32位MCU將取代8位機，8位MCU將會退出歷史舞臺。殊不知，ARM微控制器在傳統(tǒng)嵌入式領域大肆擴張時，80C51成功地實現(xiàn)了華麗的轉身，在嵌入式系統(tǒng)無限大的市場領域里獲得新生，成為MCU界的不死鳥。未來，8位、32位、64位MCU的應用領域會各具特色，相互補充、平分天下。

1MCU有無限大的市場

MCU是一個智力內(nèi)核，隨著智能化工具的發(fā)展，MCU產(chǎn)品的市場需求日益擴大，從傳統(tǒng)電子的智能化改造、新興的智能化設備、智能化設備的分布多機、智能化設備總線、智能化設備局域網(wǎng)，直到物聯(lián)網(wǎng)時代，無處不在的人工智能的感知與控制終端領域，表明了MCU有一個無限大的市場。這個無限大市場的多樣性決定了對MCU的多樣需求。這種多樣需求表現(xiàn)在MCU發(fā)展史上的一個演化特征，是數(shù)據(jù)總線、地址總線位數(shù)的不斷拓展，從4位、8位、16位、32位到64位。在不斷拓展中逐漸優(yōu)化出8位、32位、64位MCU并存的局面。這種多樣化需求會長期存在下去，它體現(xiàn)了MCU的市場分工。

2MCU的未來市場形勢

長期以來，MCU應用中一直是8位機的天下，這是因為微處理器誕生后MCU與MPU的分工所致。MPU致力于智力平臺建設，MCU專注于智能化控制，即物理對象的感知與控制。8位MCU有足夠的能力應對緩慢變化的物理參數(shù)，物理對象只需有限的感知與控制速度。當數(shù)字信號處理需求逐步增多后，出現(xiàn)了對16位MCU的需求。隨著人工智能對MCU的需求，32位MCU迅速興起。近年來信息領域?qū)CU又有了新的需求，于是64位MCU誕生了。

4位、8位、16位、32位、64位是MCU的歷史發(fā)展足跡，它們都力圖最大限度地滿足市場需求，在市場需求的調(diào)節(jié)下，優(yōu)化成8位、32位、64位的市場局面。由于MCU有無限大的市場需求，這種互補性的局面將會長期存在下去。8位、32位、64位主要體現(xiàn)在不同的應用領域，其技術各有所長，最重要的是用對地方。

380C51 MCU可能是永續(xù)的不死鳥

從傳統(tǒng)電子的智能化改造到新興智能化設備興起，從單機智能化到網(wǎng)絡智能終端，從自動化工具到人工智能，嵌入式系統(tǒng)市場對MCU寄予厚望，這是8位MCU難以獨自承擔的重任。32位ARM系列MCU問世后，立即在這些新興的嵌入式領域發(fā)揮著巨大的作用。對8位MCU而言，在許多傳統(tǒng)領域被ARM系列取代未必是壞事，被取代的8位MUC可以轉向原先無法顧及的領域。近十幾年，在ARM迅猛發(fā)展的同時，也出現(xiàn)了80C51的三次變革。

第一次是C8051F的結構變革。C8051F是20世紀末美國Cygnal公司(2005年Silicon Labs公司收購)在80C51基礎上推出的全新結構的MCU。C8051F對80C51進行了徹底的變革：對指令運行實行流水作業(yè)，以CIP-51替代原有的CPU內(nèi)核，使單周期指令運行速度為原來的12倍；將I/O口從固定方式改變成交叉開關配置方式，極大地提高了I/O交互的靈活性；從系統(tǒng)時鐘到時鐘系統(tǒng)、從引腳復位到多源復位，以及低電壓供電，為低功耗設計提供了最佳支持；從傳統(tǒng)的仿真調(diào)試到基于JTAG接口的在系統(tǒng)調(diào)試等。至今，這些都體現(xiàn)了MCU的先進技術。

第二次是內(nèi)核化的市場變革。即從傳統(tǒng)的系統(tǒng)芯片到SoC、SoPC軟核、智能芯片、智能傳感器的蛻變。將80C51最簡系統(tǒng)標準化成IP核，為大規(guī)模集成電路系統(tǒng)的集成提供通用智力內(nèi)核；在SoPC中，不少廠家使用80C51作為8位軟核；目前，智能芯片(如收發(fā)芯片)、智能傳感器幾乎都是80C51的天下。

第三次是產(chǎn)品平臺的變革。在產(chǎn)品平臺基礎上開發(fā)嵌入式產(chǎn)品，是嵌入式產(chǎn)品開發(fā)的最佳模式。目前，流行的是板式或模塊化的產(chǎn)品平臺模式。80C51的第三次變革體現(xiàn)為芯片級的產(chǎn)品平臺變革。芯片級的產(chǎn)品平臺為微小型智能化設備提供了良好的應用前景。目前，Silicon Labs基于C8051F推出的EEM8系列MCU就代表了這一變革方向。

480C51的芯片級產(chǎn)品平臺

MCU從8位到32位、64位的演化，主要是為了滿足高速海量數(shù)據(jù)的處理需求，并不是全面性能的同步進化。在同樣先進的集成電路工藝技術的支持下，8位MCU可以走上一條不斷完善的體系結構、外圍功能單元最大化片內(nèi)集成、全面提高MCU性能的進化道路。2015年，Silicon Labs公司推出的小密蜂EEM8系列MCU，就是這種進化道路的典型產(chǎn)品。在先進的C8051F結構體系基礎上，將外圍功能單元最大化片內(nèi)集成，使EEM8系列實現(xiàn)了從MCU向產(chǎn)品平臺的蛻變。這種先進的芯片級的產(chǎn)品平臺，將為各種微小型智能化設備(如穿戴式設備、智能微電子機械、智能傳感器等)的應用，提供最佳的選擇。

EEM8系列芯片級產(chǎn)品平臺的技術表現(xiàn)如下：

(1) 有滿足控制需求的先進MCU內(nèi)核

C8051F是最新一代8位MCU，雖然在高速海量數(shù)據(jù)處理上不及32位，但在滿足大多數(shù)物理對象的控制上，已足夠用，甚控制功能不輸于、甚至優(yōu)于32位MCU。

(2) 片內(nèi)集成有豐富的外設單元

EFM8中集成了眾多原先外部擴展的功能電路，如內(nèi)部校準的溫度傳感器、集成的振蕩器、多種模擬數(shù)字轉換器(ADC)、高速閃存、USB接口、增強接口、電容觸摸控制、電池檢測、UART、SPI、SMBus/I2C總線等。高速流水線8051內(nèi)核、超低功耗、精度模擬、增強的通信外設、小尺寸封裝、靈活的數(shù)字和模擬復用、I/O引腳路由的先進Crossbar架構，都可以滿足IoT底層產(chǎn)品眾多的應用需求。

(3) 有極佳的低功耗設計技術支持

在EFM8中，最大限度地集成了低功耗設計技術，包括本質(zhì)低功耗與功耗管理技術，如最低的睡眠電流、有效電流、 喚醒時平均電流的本質(zhì)低功耗，以及LDO提供的多種低電壓供電選擇、多種數(shù)字和模擬外設備超快速喚醒、使用內(nèi)部RTC 和停止電源的睡眠狀態(tài)選擇等。

(4) 可提供不同應用狀態(tài)的產(chǎn)品平臺

小蜜蜂EFM8提供3種不同應用環(huán)境的MCU：成本敏感型的EFM8 Busy Bee系列，能為產(chǎn)品提供最優(yōu)的性價比；能耗敏感型的EFM8 Sleepy Bee系列，具有極佳的本質(zhì)低功耗與全面的功耗管理能力；突出功能需求的EFM8 Universal Bee系列，有豐富片內(nèi)功能單元集成，能滿足產(chǎn)品需求，成為芯片級產(chǎn)品平臺。在微小型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應用中，小蜜蜂EFM8優(yōu)于32位板級產(chǎn)品平臺。

(5) 為用戶提供筒單易用的開發(fā)環(huán)境

Silicon Labs公司推出了全方位支持EFM8 MCU系列產(chǎn)品的完整軟件和硬件工具包。Silicon Labs增強型Simplicity Studio開發(fā)平臺為用戶提供了統(tǒng)一的8/32位開發(fā)環(huán)境支持，以及Eclipse調(diào)試器和插件、Keil PK51編譯工具、第三方工具支持、電容式感應評測器、演示代碼、軟件示例代碼、數(shù)據(jù)手冊、應用筆記、技術支持和社區(qū)論壇等，大大地簡化和加速了8位MCU的應用設計。

58位80C51變革的幾點思考

縱觀MCU發(fā)展史，永不衰敗的8位MCU是一個十分奇特的現(xiàn)象，其背后有深刻的因素，值得我們認真思考。

① 嵌入式領域有足夠大的應用市場。從技術角度看，MCU是一個微小的智力內(nèi)核，有無限的應用領域,小到人體內(nèi)，大到局域網(wǎng)；從市場角度看，有無限大的智能化工具、人工智能領域。嵌入式應用的多樣性，決定了8位、32位、64位MCU都有各自發(fā)展的巨大空間。

② MCU有兩條不同的演化道路，滿足高速海量信息處理與不斷提升控制能力的需求。在不斷提升控制能力方面，8位MCU有穩(wěn)定的發(fā)展空間，優(yōu)勢不會失去。

③ 總線寬度的增加并不意味著功能的同比增大。8位MCU可以避開在高速、海量數(shù)值計算上與32位、64位MCU爭鋒，其可突出控制功能，走芯片化產(chǎn)品平臺的技術發(fā)展道路。

④ 未來8位、32位、64位MCU都有自己的足夠大的優(yōu)勢領域，呈技術互補性發(fā)展的趨勢。據(jù)IHS的預測，8位MCU的市場份額繼續(xù)超過每年MCU市場營收的三分之一以上。

參考文獻

[1] 何立民.從Cygnal C8051F看8位單片機發(fā)展之路性[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2002(5).

[2] 何立民.小蜜蜂EFM8單片機迎接物聯(lián)網(wǎng)時代[EB/OL].[2016-03].http://video.gongkong.com/newsnet_detail/325816.htm.

收稿日期：(責任編輯：楊迪娜2016-03-31)