MCU簡介

微控制器英文是 Microcontroller Unit，簡寫為MCU。微控制器是將計算機運行所需要的一些資源（如ROM、RAM、I/O、定時器、USB、ADC、DAC等）集成到了一個芯片上，稱之為單片微型計算機（Single Chip Microcomputer），俗稱為單片機。因程序存放在微控制器的存儲器中，又與硬件緊密配合使用，故又稱之為嵌入式微控制器(Embedded Microcontroller Unit，EMCU)。單片機的程序與硬件緊密相連，區別於PC的軟件，又將稱單片機的程序為固件或韌體。

處理器又稱為中央處理器（CPU，Central Processing Unit），是計算機的核心計算單元。MCU不同於處理器，一個MCU就是一個完整的計算單元，而處理器需要與存儲、顯示、鍵盤、內存等單元結合在一起才構成一個完整的計算機系統。

MCU基本組成

一般地，MCU基本組成由以下部件組成：

• CPU - MCU的核心部件，包括運算器和控制器兩個主要部分

• 存儲器 - 用於存儲程序和數據

• 中斷控制器 - 暫停執行當前的任務而出來其他的事件，處理完成後，返回中斷處繼續執行

• 輸入/輸出端口 - 連接或驅動不同的設備，如LED等

• 串行通信端口 - MCU和不同外設之間進行數據交換，如UART、SPI等

• 定時器/計數器 - 脈衝計數和定時

常見MCU外設有以下：

• GPIO - General Purpose Input Output，通用輸入輸出，

• ADC - Analog to Digital Converter,模數轉換器

• DAC - Digital to analog converter,數字模擬轉換器

• USB - Universal Serial Bus,通用串行總線

• CAN - Controller Area Network,控制器局域網絡

• ETHERNET - 以太網

• SPI - Serial Peripheral Interface,串行外設接口

• UART - Universal Asynchronous Receiver Transmitter,通用異步收發傳輸器

• USART - Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter，通用同步異步串行接收發送器

• I2C - Inter-Integrated Circuit，集成電路總線

• EEPROM - Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，電可擦可編程只讀存儲器

• Comparator - 比較器 * Operational Amplifier - 運算放大器

• I2S - Inter—IC Sound,集成電路內置音頻。飛利浦公司為數字音頻設備之間的音頻數據傳輸而制定的一種總線標準，該總線專門用於音頻設備之間的數據傳輸，廣泛應用於各種多媒體系統。

• Crypto-HASH - 加密哈希

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MCU分類

MCU可以根據其位數、存儲器、架構和指令集進行分類。

根據數據位數分類

• 4位 - 內部數據或總線是4位寬度，ALU執行半字節長度的邏輯和算術運算

• 8位 - 內部數據或總線是8位寬度，ALU按順序執行一個字節長度的邏輯和算術運算

• 16位 - 內部數據或總線是16位寬度，ALU可以進行16位操作數的算術和邏輯運算

• 32位 - 內部數據或總線是32位寬度，ALU可以執行32位操作數的邏輯和算術運算

根據指令集分類

• CISC - Complex Instruction Set Computer，複雜指令集計算機

• RISC - Reduced Instruction Set Computer，精簡指令集計算機

根據存儲器結構分類

• 哈佛結構 - 指令和數據分開存儲

• 馮▪諾依曼結構 - 又稱作普林斯頓體系結構（Princetion architecture），指令和數據存儲在同個存儲空間

根據存儲器設備分類

• 內部存儲MCU - 程序存儲在MCU內部

• 外部存儲MCU - 程序存儲在MCU外部

按照功耗分類

• 通用MCU - 所有MCU相關資源（ROM、RAM、I/O、 EPROM），用戶都可以用

• 超低功耗MCU - 低漏電工藝，專門為電池供電等能源節約設計，

按照用途分類

• 通用型

• 專用型 - 硬件和指依據特定用途設計。

MCU常見內核架構

目前，市場主流的MCU內核有：

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

• ARM Cortex-M - 精簡指令集計算（RISC）架構，由英國公司ARM Holdings開發。

• 6800 - CISC指令集，由Motorola開發

• MIPS - RISC指令集，由MIPS Technologies, Inc.開發。MIPS Technologies, Inc.被Imagination Technologies收購。

• AVR - 哈佛架構、RISC指令集。由Atmel公司開發，Atmel為Microchip收購

• PIC - 哈佛RISC指令集，由Microchip Technology公司開發

• Z80 - CISC指令集，由Zilog公司開發。Intel 8080的擴展

• RISC-V - 開放的RISC精簡指令集，2010年項目開始於加利福尼亞大學伯克利分校

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MCU的存儲器

存儲程序的存儲器有以下幾種：

• ROM - Read-Only Memory，是一種非易失性存儲器(Non-volatile memory, NVM),用於存儲MCU固件

• EPROM - Erasable Programmable Read-Only Memory，可擦可編程序只讀存儲器

• EEPROM - Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，電可擦可編程只讀存儲器

• FLASH - Flash Memory，閃存是一種非易失性的存儲器

在8位機市場中，有些仍在使用OTP工藝的程序存儲器，由於其成本低而被廣泛使用。未來的發展看，FLASH會是未來8位和32位的主流程序存儲器。

MCU的封裝

MCU的封裝是用戶開發使用MCU最直接的表現形式。新工藝新市場需求的發展也出現了新的封裝形式,如WLCSP和SiP。WLCSP適合於對於MCU體積空間要求非常嚴苛的場合，如可穿戴產品。SiP可以將不同芯片的IP封裝在一起，在市場需求多變的情況下，開發一款MCU產品投入顯然很大，通過封裝不同的IP，大大降低了產品投入的風險。

常見的MCU封裝有：

• DIP - Dual In-line Packag, 雙列直插式封裝

• QFP - Quad Flat Package,方型扁平式封裝

• QFN/DFN - Quad Flat No-Leads/Dual-Flat no-leads,方形/雙邊扁平無引腳封裝

• BGA - Ball Grid Array,焊球陣列封裝

• SOP - Small Out-Line Package,小外形封裝

• WLCSP - Wafer Level Chip Scale Packaging,晶圓片級芯片規模封裝

• SiP - System In a Package,系統級封裝

MCU主要的市場應用

MCU已廣泛應用於各行各業的產品中，下面列出了幾個主要的應用領域：

• 消費電子

• 計算機和通信

• 工業

• 汽車電子

• 物聯網

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敬請關注，後續部分的《MCU市場報告》