MCU内核架构发展历史及主流内核IP的发展情况

发布者:梦回归处最新更新时间:2022-03-07 来源: 电子发烧友网作者: Lemontree 手机看文章 扫描二维码
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网报道(文/程文智、李宁远)目前,已经渗透到我们生活的各个领域,几乎很难找到有哪个领域没有MCU的踪迹。不论是家用电器、仪器仪表、智能手机、平板电脑、键盘鼠标、仪器仪表、或者是金融系统、医疗设备、通信、汽车、航空航天等领域都有MCU的身影。

这一点从MCU的出货量上也可以明显看出来,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年甚至可达到395亿颗。市场规模也在这两年的缺货涨价的行情中快速增长,2020年的市场规模为197亿美元,2021年增长了11%达到了215亿美元,预计今年还会继续增长。

国内MCU市场经过三十多年的发展,不论是市场,还是产品技术也都得到了很大的发展。从市场规模看,根据IHS的统计,国内MCU市场规模从2015年的180亿元,增长至2020年的269亿元,应用市场包括了汽车电子(33%)、工业控制及医疗(25%)、(23%)、消费电子(11%)等。

MCU的发展

MCU出现的历史并不长,但其发展非常迅速。1971年,美国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问世。当时4004配有、和移位,包含2300个,尺寸规格为3mm×4mm,最初的售价为200美元。接着,1972年,英特尔又推出了8位微处理器8008,以及主频为2MHz,采用6微米工艺的8080,管个数增加了6000个。



除了英特尔推出了MCS-48系列MCU之外,Zilog公司也在1976年开发出了Z80微处理器,广泛应用微型计算机和工业自动控制设备中。在当时,英特尔、摩托罗拉和Zilog在微处理器领域三足鼎立。

在1980年,英特尔在MCS-48系列MCU的基础上,推出了MCS-51系列8位MCU(最典型的有高性能8051),在工业控制领域引起了不小的轰动,并迅速确立了其不可动摇的地位。MCS-51系列MCU无论是片内RAM容量,I/O接口功能,还是在系统扩展方面都有了很大的提高。

不久之后,英特尔彻底开放了801单片机的技术,引来世界上很多半导体厂商加入了开发和改造8051单片机的大军。其中贡献较大的有Philips,它着力发展了单片机的控制功能和外围单元;公司则在MCU内部植入了FlashROM,使得MCU的应用变得更加灵活;推出的UC8xx系列MCU,在MCU向SoC发展的过程中扮演了很重要的角色。

1983年Intel公司又推出了高性能的16位单片机MCS-96系列, 工艺更先进,集成的晶体管更多,可达12万只以上。除了英特尔之外,、Atmel、、等也都先后推出16位MCU产品。

2000年以前的MCU公司基本都是采用自研内核,之后随着计算要求越来越复杂,内核开始出现,分工进一步细化,MCU厂商开始采用外购内核并将主要精力投入到外围等其他部分的研发。

就目前来说,第三方的MCU内核中,占主导地位的是CortexM系列,该系列由Arm开发,采取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推出了其第一款Cortex-M系列处理器M3,ST最先采用,并快速推出了一些列基于该内核的32位MCU。

当然,除了Cortex-M系列的MCU内核,近几年兴起的-V也出现了不少专门提供IP的公司,国内不少MCU公司推出了相关的产品。接下来,我们看看市面上的主流的MCU内核IP有哪些。

主流的MCU内核IP

目前,不论是国内,还是国外,Arm的Cortex-M系列MCU内核都是主流。截止到目前,Arm共推出了10款Cortex-M系列MCU内核IP,这些IP可满足低、中、高端需求。其中,M0、M0+、M1、M23四个系列为低端MCU内核IP;M3和M4为中端MCU内核IP;M7、M23、M35P、M55为中高端MCU内核IP产品。

国外厂商中,瑞萨主要以自研内核为主,自研内核产品料号占了近8成;crochip自研内核MCU产品超过一半以外,其他大部分厂商都采用Cortex-M系列MCU内核为主,而且,它们在低中高端类产品方面都有布局。

国内MCU厂商90%都采用了Arm的Cortex-M系列内核,与国外厂商不同的是,国内MCU厂商基本都是集中在几个产品系列。其中,的32位MCU产品主要采用了M23、M3、M4、M33和RISC-V五种MCU内核;华大半导体主要采用了M0+和M4两种MCU内核;国民技术主要采用了M0和M4两种MCU内核,另外,其M7内核的MCU产品还在研发当中;中颖电子主要以8位MCU为主,其32位MCU采用了M3内核;芯海科技的32位MCU产品采用了M0内核;比亚迪半导体的32位MCU产品采用了M0和M0+两种;灵动微电子主要采用了M0、M0+、M3、以及Arm China STAR-MC1 内核四种。

这几年,RISC-V在国内非常火热,虽然现在推出RISC-V内核MCU产品的企业还不算多,但未来潜力还是不错的。如今在RISC-V市场,SiFive、晶心科技、平头哥,以及芯来科技等都有相应的IP产品。

除了这些第三方的MCU内核IP产品,不少厂商的自研内核产品也还在不断发展中,比如瑞萨的RXv1、RXv2、及RXv3系列内核;Microchip的C16、PIC32、ADB、AVR DA等MCU内核。国内也有自研内核的MCU企业,比如芯旺微电子的KungFu8和KungFu32内核。

虽然现在市场主流已经是32位MCU了,但8位MCU还是有一定市场,也有不少MCU企业还在推出8位MCU新产品。目前在8位MCU市场中,Microchip一家独大,市场份额超过了30%,紧随其后的是恩智浦,约占15%;另外,瑞萨和ST也分别占有10%左右的市场份额。

这些8位MCU厂商中,大部分都是采用了自研内核,比如Microchip以AVR和PIC内核为主;恩智浦以08和M68HC内核为主;瑞萨主要是RL78、H8和78K0;ST采用STM8内核。

除了自研内核之外,8位MCU厂商还会采用8051开源内核来开发产品。前面我们有提到8051内核是英特尔在1980年开发的架构,在1998年失去了专利保护后,成为了开源IP,再次展现出了强大的二次生命力,各家厂商在8051内核基础上进行了一定的改动,并推出了各种差异化的产品。但这类产品基本都统称为8051内核的MCU。目前国内采用8051内核的厂商有中颖电子、宏晶科技、比亚迪半导体、芯海科技、富满微等。

结语

近期,分析师团队对MCU市场进行了一次调研,本期主要介绍的是MCU内核的一些情况,接下来,我们还将介绍这些内核IP的应用情况,以及最终MCU产品的应用情况,敬请关注。

引用地址:MCU内核架构发展历史及主流内核IP的发展情况

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