上海开发了MCS-51的单片机开发系统

elexcon深圳国际电子展暨第六届嵌入式系统展设有嵌入式系统专区,同期举办第九届mcu技术创新与嵌入式应用大会,深度展示和探讨mcu市场与技术的发展趋势,欢迎大家持续关注。
微处理器和单片机(mcu)从70年代在欧美开始兴起,1981年8051 单片机问世,到今天已经36年了。从数量上看,8位单片机依然是mcu 市场的主力,基于8051内核的单片机依然有许多公司在设计和生产。90年代初,由于价格的原因,32位mcu只是在一些需要高性能计算的应用中使用。2008年以后,以物联网(iot)为代表的新技术出现,让开发者开始寻找具备无线通信功能、有一定计算能力,而且价格不是太贵的mcu。随着arm cortexm核的mcu 逐渐在市场占据主导地位,应用的场合也越来越多,在芯片制造上采用更先进和高效的制程工艺,32位mcu 的价格与8位mcu 已经没有本质上的差异,有的甚至更便宜,加上arm 创建的良好的生态环境,32位mcu 已经成为今天全球消费和工业电子产品的核心,我从以下三个方面回顾全球mcu发展历程,探讨发展趋势。
mcu市场现状
2015年开始,为争夺市场份额,布局强劲增长的物联网应用,mcu主要厂商之间发生了数起大规模并购。根据市场调研机构ic insights的统计,从收购完成合并后的销售数据看, nxp、microchip和cypress2016年mcu产品线销售额同比大幅增长,排名也相应上升。未进行大规模收购的mcu厂商则表现平平,只有个位数的增长,比如st和ti,有的出现了大幅下降,比如像samsung,(见图1)。
图1 2016全球mcu市场格局
从图1我们还看到,8大mcu厂商全球市场份额合计达到了88%,这也就是说除了几大mcu 外,小的mcu公司市场份额非常小。ic insights 2016年8月的研究报告说,mcu市场将于2020年达到高峰,销售额达到209亿美元,销售267亿颗芯片,(见图2)。针对这样的市场形势,在刚刚结束的2017年stm32峰会上,st给自己定下目标是2020年销售额将到达40亿美元,从目前市场10%份额增长到20%分额。
图2 2013-2020全球mcu市场预估
mcu技术发展线路
开发工具
8位mcu时代,开发工具很简单,mcu 功能简单,存储器容量很小,应用代码甚至可以使用汇编语言书写, 简单的下载和编程工具可以胜任开发工作,后来随着mcu 功能增加,存储器容量增加,c语言逐渐成为首选,集成开发环境(ide)和jatg 调试渐成主流,这种方式主导了过去20年mcu开发模式。
随着物联网的兴起,大量的电子产品急需智能化升级,联网就成为基本需求,特别是无线网络,rtos 从以前的嵌入式系统中“奢饰品”变成今天的“必需品”。得益于开源社区和开源软件的帮助,开源的rtos 比如像freertos、uc/os和contiki已经成为开发者的优选。 专门针对物联网应用的物联网os 也应运而生,比如arm mbed os 、庆科 micoos和华为liteos, 其实这几种物联网os的内核也是基于开源的rtos技术。
开发工具(ide)价格昂贵,让创业者望而却步,借助开源软件,mcu企业纷纷推出自己的ide,比如瑞萨的e2studio、芯科的simplicty studio和nxp的 lpcxpresso,这些ide 是基于开源eclipse,编译软件也是开源的gcc arm 。芯片公司的ide 虽然在功能和优化上无法与keil和iar 相比,但已经完全到达可用的程度。 arm 开发了基于web的mbed工具,开发者不需要购买和安装任何ide,只要有一块mbed兼容的开发板,就可以进行嵌入式开发。如果你使用的是arduino开发板,arudino ide 集成大量开源硬件知识库,让你开发如虎添翼,事半功倍。
今天,有了强大的开源的生态环境,mcu开发者不再会因为缺乏资金无法购买开发工具,无法获得技术支持,因而耽误项目开发而犯愁了。
制造技术
摩尔定律推动了芯片产业辉煌了40年,其中制程工艺发展是重要的助推剂。传统的mcu,比如8位otp mcu ,长期是使用0.5u的制程工艺,随着时间的推移,设备和技术更新,现在主流的mcu 制程是180nm,甚至90nm技术,展望不远的将来,使用40nm甚至28nm制程工艺的mcu 也不是遥不可及事情。
我们知道,更先进的制程工艺会在mcu内部集成更多的晶体管,使处理器实现更多的功能和更高的性能。这样mcu核心尺寸的大小就不是很重要的因素了,更多的32位mcu 核心将替代8位,芯片的体积也不会变大,功耗反而会更小。此外,先进的制程工艺还能带来片内flash 容量的增加,未来1mb甚至4mb 的falsh mcu 也是常见的产品了。
当然,制程工艺将会给mcu 生态环境带来挑战,比如初期制造成本的增加,芯片设计复杂性增加。32位核心导入,软件开发难度增加,以及物联网应用带来mcu和rf 以及sensor集成,进而带来功耗管理和pcb设计上一系列棘手问题。
应用设计方案
mcu应用五花八门,从最小的消费电子产品,到大型工业机器人,几乎涵盖了所有嵌入式电子产品。早期的mcu芯片公司只是提供应用指南和参考设计代码,方案性的设计一般是客户自己完成,或者由专业的方案公司和代理商完成,然后交给设备厂商生产,这样模式至今依然大量存在。
随着物联网兴起,电子产品智能化需求越来越多,传统产业升级已经迫在眉睫,电子产业急需mcu 厂商提供更多更好的创新型设计方案。随着电商时代到来,渠道的扁平化,传统芯片代理商已经无力投入日趋复杂的方案设计,行业日趋细化和深入,传统的方案商已经转型成产品提供商,应用设计方案的重任再次落在mcu公司身上。
今天我们看到全球领先的mcu企业,比如st、nxp、ti 和瑞萨等公司,他们都能提供许许多多mcu 应用解决方案,这些方案的技术越来越前沿,功能越来越完善。比如stm32峰会上展示的预防黑客侵入的智能锁的安全解决方案,可以在小屏幕上实现美观流畅的游戏界面的超低功耗mcu 智能手表方案,以及基于低成本stm32f7mcu的lora网关。
近年兴起的创客运动也是mcu 应用方案的一大贡献者。创客们大量采用的arduino 开源硬件,arduino采用的mcu是atmel公司的avr系列处理器; 机器人项目pibot则采用arduino作为核心控制板。 在开源硬件环境下,没有开发基础, 只有创意的开发者, 也可以完成自己的产品开发。 开发门槛的降低了, 将吸引更多的人实现创意, 极大地增加产品的种类和数量, 从而导致对mcu需求的增长。
中国mcu发展机遇
中国单片机30年
80年代初北京工业大学电子厂掀起了tp801开发热潮,同期,上海和江苏等地开发了mcs-51的单片机开发系统,这股单片机的热潮引发了全国的智能电子大变革的时代的开始。1986年10月,在上海复旦大学举行了第一次全国单片机学术交流会,这标志了中国单片机事业的开始,也由此经历了中国单片机30年辉煌发展历史进程。2016年11月,嵌入式系统联谊会举办了中国单片机30年纪念活动,老中轻三代单片机工作者齐聚北航回忆这段历程,共议中国单片机发展的美好前景。
过去几年中国mcu市场一直持续增长,据 isuppli research 2015的研究报告(见图3),2011年中国mcu市场销售额大约30亿美元,到了2016年已经有40亿美元,其中32位mcu市场份额将持续增大,期内复合增长率已经接近10%。前面我们看到全球8大mcu 企业没有的中国企业(包括台湾),有关研究报告还指出,中国内地和台湾mcu企业在中国市场各有10%的份额。笔者从刚刚结束的2017年stm32峰会了解到,2016年st 中国通用mcu市场营收在其全球市场中占比36%,从2007年开始就一直保持27% 的年复合增长率,以物联网,可穿戴、智能手机、智能楼宇和表计以及电动汽车和无人机等新型应用是拉动mcu快速增长重要引擎。
图3 2011-2017中国mcu市场预估
中国单片机30年,mcu厂商很多,但多数混迹8/16位低端市场,中国是全球第一大电子制造基地,有足够大的市场来养活这些小厂商。但设计能力低,缺少战略发展规划和资金支持的中小mcu 厂商,难以改变中国企业在mcu市场的弱势地位。
国产32位mcu提速
近年中国mcu企业的增长提速,尤其是在32位mcu市场上涌现出像兆易创新、致象科技和灵动微电子这样的企业,他们基于arm cortex m 技术的mcu 芯片受到了市场的欢迎,国产 mcu产品的市场战略一般是更低的价格,更好的性能,本地周到的服务,最主要的是与国外产品 pin-pin兼容, 这些市场策略让国内企业非常受用,取得了丰硕的成果。
据财经媒体报道,2016年,兆易创新实现营收14.89亿,净利1.76亿,营收同比增长25%、利润增长了12%;mcu芯片实现营收1.97亿元,同比增长55.2%,销量4578万颗,兆易创新最近以65亿收购北京矽成。矽成的主营业务是以易失性存储芯片为主,主要从事sram、中低密度dram、eeprom等集成电路产品的设计与销售,产品应用于汽车、工业医疗、网络移动通讯、电子消费产品等领域。这与兆易创新的非易失性存储芯片,包括nor flash和nand flash及其衍生产品以及mcu微控制器产品的研发、技术支持和销售的业务范围正好互补。收购矽成对于未来兆易创新gd32系列mcu发展都将起到积极作用,或将有助于兆易创新拓展汽车电子市场的计划。
国产mcu的挑战
比较国产高端cpu的发展,国产32位mcu 要顺利的多。 相比智能手机芯片,生态环境相对单纯和简单是帮助国产mcu 发展的重要原因。我们知道,开发智能手机芯片要有巨资投入最先进的制程工艺,比如三星galaxy s8 机型搭载高通骁龙830处理器,并且处理器将会由三星独家制造,制程工艺为惊人的10nm。还有android os,围绕android os 的开放手机联盟 (open handset alliance)现在有84个成员,如果你们企业不是成员,你或许拿不到最新的anrdoid版本的软件,即使你是成员,如果不能投入大量的android开发人员,你也很难与高通、三星和华为这样的手机巨头竞争。
我们前面已经介绍mcu 的技术线路,它与智能手机完全不一样,mcu 还是一个多元化的应用市场,虽然有几个很热闹的产品,比如无人机、可穿戴手环,智能温控器,但是这些产品在数量上与智能手机无法比拟,而且它们每一个的软硬件平台都不一样。凭借基础的开发工具、90nm制程和应用方案,加上中国企业擅长的“保姆式”服务,国产mcu 有机会出奇制胜,一展宏图。
是不是国产mcu 可以高枕无忧,一路顺利发展了呢?不是的,如果大家看看全球领先的mcu 企业的产品线就不难发现,中国企业(包括台湾)差距很大,stm32 750余款mcu,多数采用90nm制程上,st 计划发布的超高性能stm32h7 将采用40nm制程工艺,而灵动微电子成熟产品f103 采用还是传统的0.18um。
在开发工具上,国产mcu 基本没有自己的发工具(ide),推荐都是arm keil 和 iar,为了支持自己公司的mcu ,一般会开发一个 keil mdk 或者iar 插件,没有经费的用户多是盗版ide使用。
在应用设计方案和生态环境建设方面,国产mcu 更是远远落在外国企业后面,比如stm32峰会第二天,几十家合作伙伴展示了包括lora、蓝牙和wifi模块、空中固件升级、nb-iot诊断仪、多功能汽车总线通信平台和安全认证的rtos等百余种解决方案,以及大疆和小米无人机、华为运动手表、moov 耳机和阿儿法智能机器人等数十种国内设计和生产的基于stm32产品。 这大大提升了与会的开发者的兴趣,(见图4)。
32位mcu市场发展,芯片设计和制造技术固然很重要,而产品线生态建设,开发工具的研究、嵌入式os的支持、创新型的应用案例、稳定的货源供应和技术支持也非常重要,每一项都缺一不可,都做好了真的不容易,国产mcu要进入国内电子企业主流供应商名单,要走向国际舞台,还有很长路要走。面向未来5-10年百亿级的物联网设备市场,mcu迎来了前所未有的机遇,也给了中国mcu 发展和腾飞创造了绝佳的切入点。


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