mcu内核架构发展历史及主流内核ip的发展情况如何（mcu内核架构发展历史及主流内核ip的发展情况是什么）

电子爱好者网报道（文/程文智、李宁远）目前，单片机已经渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。无论是家用电器、仪器仪表、智能手机、平板电脑、键盘鼠标、仪器仪表，还是金融系统、医疗设备、通信、汽车、航空航天等领域，都有MCU的身影。

这从MCU的出货量也可以清楚地看出。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年甚至可能达到395亿颗。近两年在短缺和价格上涨的情况下，市场规模也迅速增长。 2020年市场规模为197亿美元，增长11%至2021年215亿美元，预计今年将继续增长。

经过三十多年的发展，国内MCU市场无论是市场还是产品技术都取得了长足的进步。市场规模方面，据IHS统计，国内MCU市场规模已从2015年的180亿元增长至2020年的269亿元，应用市场包括汽车电子（33%）、工业控制和医疗（25%） ）、计算机（23%）、消费电子产品（11%）等。

单片机的发展历史

MCU的历史并不长，但发展却非常迅速。 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的问世。当时的4004配备了RAM、ROM和移位寄存器，包含2300个晶体管，尺寸为3mm4mm，最初售价为200美元。随后，1972年，英特尔又推出了8位微处理器Intel8008，以及主频2MHz、6微米工艺的8080，增加了6000个晶体管。

随后，1976年，Intel推出了MCS-48系列8位MCU，该系列采用单片结构，由8位CPU、8位并行I/O接口、8位定时器/计数器、RAM和ROM组成。被集成在半导体芯片上。虽然其寻址范围有限（不超过4KB），没有串行I/O，RAM和ROM容量较小，中断系统也比较简单，但其功能可以满足一般工业控制和智能化的需要。仪器、仪表等。

除了Intel的MCS-48系列MCU外，Zilog还在1976年开发了Z80微处理器，广泛应用于微型计算机和工业自动控制设备中。当时，英特尔、摩托罗拉和Zilog在微处理器领域占据主导地位。

1980年，Intel在MCS-48系列单片机的基础上推出了MCS-51系列8位单片机（最典型的是高性能8051单片机），在工业控制领域引起了不小的轰动，并迅速奠定了其不可动摇的地位。 MCS-51系列单片机在片上RAM容量、I/O接口功能、系统扩展等方面都有了很大的提高。

不久之后，Intel彻底开放了801单片机的技术，吸引了全球众多半导体厂商加入到开发和改造8051单片机的大军中。其中，飞利浦贡献较大，重点发展微控制器的控制功能和外围单元； Atmel在MCU内部植入了FlashROM，使得MCU的应用更加灵活； ADI推出的ADUC8xx系列MCU在MCU领域取得了长足的进步。 SoC在开发过程中起着非常重要的作用。

1983年，Intel推出了MCS-96系列高性能16位微控制器，技术更加先进，集成的晶体管数量达到12万多个。除Intel外，TI、Atmel、Microchip、Renesas等也推出了16位MCU产品。

2000年之前，MCU企业基本采用自研内核。后来，随着计算需求越来越复杂，核心厂商开始出现，分工进一步细化。 MCU厂商开始采用外包内核，将主要精力投入到外围电路等其他部分的研发。

目前占主导地位的第三方MCU内核是Arm Cortex M系列，该系列由Arm公司开发，采用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推出首款Cortex-M系列处理器M3，ST率先采用该处理器，并迅速推出了一系列基于该内核的32位MCU。

当然，除了Cortex-M系列MCU内核之外，近年来兴起的RISC-V也出现了很多专门提供IP的公司，国内很多MCU公司都推出了相关产品。接下来我们来看看市场上主流的MCU核心IP。

主流MCU核心IP

目前国内外，Arm的Cortex-M系列MCU内核是主流。截至目前，Arm共推出10个Cortex-M系列MCU内核IP，可满足低、中、高端需求。其中M0、M0+、M1、M23四个系列为低端MCU核IP； M3、M4为中端MCU核心IP； M7、M23、M35P、M55是中高端MCU核心IP产品。

国外厂商中，瑞萨主要采用自研核心，自研核心产品数量占比近80%；除Microchip拥有一半以上自主研发的核心MCU产品外，其他厂商大多采用Cortex-M系列MCU核心。并在低、中、高端产品都有布局。

国内90%的MCU厂商都采用Arm的Cortex-M系列内核。与国外厂商不同，国内MCU厂商基本集中在少数几个产品系列上。其中，兆易创新的32位MCU产品主要采用M23、M3、M4、M33和RISC-V五种MCU内核；华大半导体主要采用M0+和M4两个MCU核心；国民科技主要采用M0和M4两个MCU内核，此外，其M7内核MCU产品仍在开发中；中盈电子主要采用8位MCU，其32位MCU采用M3内核；芯海科技32位MCU产品采用M0 Core；比亚迪半导体的32位MCU产品采用M0和M0+；岭东微电子主要采用四个核心：M0、M0+、M3、Arm China STAR-MC1。

近年来，RISC-V在国内非常流行。虽然推出RISC-V核心MCU产品的公司不多，但未来潜力依然不错。现在在RISC-V市场，SiFive、晶心科技、平头哥、芯来科技都有相应的IP产品。

除了这些第三方MCU核心IP产品外，很多厂商自研的核心产品也在不断开发中，比如瑞萨的RXv1、RXv2、RXv3系列核心； Microchip的PIC16、PIC32、AVR DB、AVR DA等MCU内核。国内也有自主研发内核的MCU公司，比如芯旺微电子的KungFu8和KungFu32内核。

虽然现在市场主流是32位MCU，但8位MCU仍然有一定的市场，许多MCU公司仍在推出新的8位MCU产品。目前，在8位MCU市场，Microchip占据主导地位，市场份额超过30%，其次是NXP，占比15%左右；此外，瑞萨和ST也各占据10%左右的市场份额。

这些8位MCU厂商大多采用自主研发的内核。例如，Microchip主要采用AVR和PIC内核； NXP主要采用RS08和M68HC内核；瑞萨主要采用RL78、H8和78K0； ST使用STM8内核。

除了自研内核外，8位MCU厂商也会采用8051开源内核来开发产品。前面我们提到，8051核心是Intel在1980年开发的架构，在1998年失去专利保护后，成为开源IP，再次展现出强大的二次生命力。各个厂商都基于8051内核进行了开发。做出了一定的改变，推出了各种差异化产品。但此类产品基本统称为8051核心MCU。目前国内使用8051内核的厂商有中盈电子、宏晶科技、比亚迪半导体、芯海科技、富满微等。

结论

近日，一个由电子爱好者分析师组成的团队对MCU市场进行了一项调查。本期主要介绍MCU内核的一些方面。接下来我们还将介绍这些核心IP的应用以及最终MCU产品的应用。敬请关注。