【NXP科普】由恩智浦的发展看MCU产品、软件、生态系统的...

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本文基于恩智浦资深技术经理王朋朋女士，为中国单片机学会成立三十周年活动，于2016年11月撰写的纪念文章。王朋朋女士拥有16 年的半导体行业经验。她于2004年加入飞利浦半导体，从事MCU应用相关的工作，曾任MCU应用工程师、项目经理和高级应用经理，现主要负责恩智浦微控制器产品在大中华区的应用开发、技术支持和产品培训。

单片机进入中国已近三十年，也正是单片机高速发展的时代。从简单的控制到嵌入式系统到物联网，从工业领域到消费电子，安防，医疗，汽车，智能家居等产品，单片机无处不在，并从高科技领域越来越多的进入我们的日常生活。

单片机的发展从8位开始，目前8位单片机仍占有较高市场份额，在很多应用中发挥重要作用，但32位的ARM产品显然成长更快。从8位到32位，不仅仅是位数和CPU内核的变化，在软件开发，工具和环境，工程师开发方式，生态系统方面，都带来了深刻的变化。甚至产品的名字也从早期的‘单片机’，到更多的使用‘微控制器’或者‘嵌入式系统’这样的术语。我们下文更多以MCU或微控制器来指代这一产品。


MCU所采用的工艺，8位机时代以0.5um – 0.35um为主，ARM7及早期的Cortex-M产品多采用0.18um – 0.14um，而现在90nm已经成为主流。在不久的将来，40nm, 28nm的单片机也将会在市场出现。工艺进步带来成本降低，动态功耗降低，单位面积集成更多内存或实现功能。从产品本身来看，随着工艺的进步，产品设计技术的提高，以及市场需求的推动，产品的性能，架构，内存，外设，功耗和安全性都得到了很大提高。


MCU产品的封装也在发展中。在消费类电子产品中，封装越来越小，BGA/CSP应用增多。工业类电子产品仍倾向于容易焊接，成本较低的QFP, QFN, TSSOP等封装，但DIP等大体积封装应用明显减少。如图所示LPC824-DIP开发板，是把一颗基于Cortex-M0+内核的微控制器产品，加上一些外围电路，做到跟一颗80C51 DIP封装的芯片相兼容。

（图为恩智浦LPC824 DIP开发板）

开发工具的发展也是紧跟产品的发展。在32位ARM微控制器时代，硬件开发工具趋于一致。大家普遍使用JTAG或者SWD接口的仿真器进行开发调试。在工具厂商的专用仿真器之外，MCU 厂商也纷纷推出支持自己产品的仿真器如NXP LPC-Link。昂贵的仿真器被低价，免费，或集成的板载仿真器取代。一些通用接口如Arduino的流行使MCU开发板结构趋于简单，模块化设计增多。开发板价格大幅降低，市场推广以免费或低价开发板吸引用户已成常态。


（图为MCU的硬件开发工具）

在软件集成开发工具中，Keil, IAR依旧是商用主流。同时各厂家纷纷推出基于Eclipse架构的免费IDE + gcc编译器，如NXP公司的针对LPC系列产品的LPCXpresso工具，以及与飞思卡尔合并后推出的支持NXP全系列MCU产品的MCUXpresso工具。在IDE环境之外，辅助开发的软件工具逐渐发挥作用，如代码生成工具，管脚配置工具等。

（图为MCU软件集成开发工具）

在8位单片机时代，一人可以精通整个系统，掌握所有软件，用汇编或C语言直接操作底层硬件，代码量小，结构简单。在新一代的嵌入式软件开发中，用户严重依赖供应商或第三方提供的软件开发库，包括外设驱动程序，中间件，应用例程等。软件开发呈现如下几个特点：

用户一般不再直接操作寄存器，而是通过软件API调用实现；
用户较少关心底层操作，更专注于上层应用开发；
软件结构化，可移植性，可继承性增强；
内存使用大幅增加，程序效率相对降低，通过硬件性能的提高补偿；
软件工作在整个系统中的比重大幅增加。


（图为恩智浦SDK软件结构图）

在软件开发中，就不能不提到操作系统。在8位单片机机时代一般无需使用操作系统。在ARM7早期时代，uClinux移植火热，但在学习之余在实际产品中较难应用。随着中文书的出版，uC/OS-II在中国流行。而由于商务模式及市场推广等因素影响，目前FreeRTOS的使用更为广泛，同时RT-Thread等本地实时操作系统成为新星。现在的用户更趋于理性，并广泛具有相应的知识，合理选择合适的RTOS，或者不使用RTOS。


（部分流行的操作系统）

在32位ARM微控制器时代，生态系统的概念深入人心，其重要性在某种程度上甚至超过产品本身。生态系统涵盖从学习，开发到生产的各个方面，涉及所有相关环节的参与者和相关的支持资源：工具，软件，文档，设计服务，论坛，研讨会，大学实验室，竞赛，图书，培训等等。ARM生态系统日益繁荣，也进一步推动了其内核在32位领域的领导地位。适应新一代年轻工程师的使用习惯，线上活动更加活跃：新型社交媒体，在线研讨会，直播互动，网上零售等成为大家接收信息交流信息的重要平台。


MCU产品，开发，生态系统迅速发展，同时我们在市场，应用，用户方面也看到了更多的发展和成长。传统工控行业保持稳定，消费类占比上升；万物互联时代创造了大量MCU的应用机会，智能家居，智慧工厂，智慧城市，智慧农业等新应用层出不穷。而由MCU产品性能提高带来的直接效果是，MCU开始侵蚀原先MPU的应用，范围更加广泛，市场应用更加多样化。一批中国客户跻身全球大客户行列，单一客户平均采购量增长迅速，具有领先技术的公司崭露头角。年轻工程师普遍接受过32位ARM MCU教育或自学；用户变 ‘懒’，期待从网络及各种渠道获取参考设计及软件，开发周期缩短；用户英文程度普遍提高, 有助于阅读文档，浏览网站和全球化技术交流；MCU教育走入中小学，门槛降低，受众更广。

随着设计技术和工艺的持续进步，MCU产品进一步发展，性能更高，外设更丰富，功耗更低，安全增强。同时会具有更大的程序和代码存储空间，给工程师更多自由发挥的空间，嵌入式系统开发不再局促。而生态系统以其强大的力量对MCU开发产生潜移默化的影响。通用产品区分度变小，需要对细分市场的准确定位。汽车电子，IoT，安全将会是未来MCU增长的重要推动力量。

未来嵌入式系统的发展，应该会更关注安全，扩展，高能效。MCU与传感，连接等相融合，共同构建安全互联的终端节点。

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landeng1986

学习了，谢谢分享

stm1024

感谢分享~~