微控制单元(Microcontroller Unit；MCU) ，又称单片微型计算机(Single Chip Microcomputer )或者单片机，是把中央处理器(Central Process Unit；CPU)的频率与规格做适当缩减，并将内存(memory)、计数器(Timer)、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。诸如手机、PC外围、遥控器，至汽车电子、工业上的步进马达、机器手臂的控制等，都可见到MCU的身影。

单片机按应用范围又可分成通用型和专用型。专用型是针对某种特定产品而设计的，例如用于体温计的单片机、用于洗衣机的单片机等等。在通用型的单片机中，又可按字长分为4位、8位、16/32位，虽然计算机的微处理器现在几乎是32/64位的天下，8位、16位的微处理器已趋于萎缩，但单片机情况却不同，8位单片机成本低，价格廉，便于开发，其性能能满足大部分的需要，只有在航天、汽车、机器人等高技术领域，需要高速处理大量数据时，才需要选用16/32位，而在一般工业领域，8位通用型单片机，仍然是目前应用最广的单片机。

到目前为止，中国的单片机应用和嵌入式系统开发走过了二十余年的历程，随着嵌入式系统逐渐深入社会生活各个方面，单片机课程的教学也有从传统的8位处理器平台向32位高级RISC处理器平台转变的趋势，但8位机依然难以被取代。国民经济建设、军事及家用电器等各个领域，尤其是手机、汽车自动导航设备、PDA、智能玩具、智能家电、医疗设备等行业都是国内急需单片机人才的行业。行业高端目前有超过10余万名从事单片机开发应用的工程师，但面对嵌入式系统工业化的潮流和我国大力推动建设“嵌入式软件工厂”的机遇，我国的嵌入式产品要溶入国际市场，形成产业，则必将急需大批单片机应用型人才，这为高职类学生从事这类高技术行业提供了巨大机会。

    见MCU最小系统设计  

（1）MCU中未使用的I/O口最好配置为输出低电平；

（2）对于所有的数字电路，电流均在时钟边沿呈现出短脉冲，特别是当几个I/O口同时切换时，电源线上的电流脉冲瞬间达到数百毫安，虽然脉冲宽度可能只有几纳秒，也要考虑短脉冲期间的汲取电流；当这种电流尖峰在较长的电源线（阻抗高）上传输时，必定会使电源电压产生极大噪声。

常用电容来平滑尖脉冲，在短时瞬变中补充电流；同时放置电容时尽量靠近MCU，以便减小环路、缩短路径（缩短电源、MCU以及地之间的电流回路）

当涉及多个电源回路时，可以用星形接线分开，其中一个节点被指定为电路的公共节点；

电容推荐选择陶瓷电容：X5R、10uF/100nF

（3）为提高ADC采样精度，可以在数字电源和模拟电源之间用电感（或磁珠BLM21BD102SN1D）和电阻进行跨接；原理：在电流脉冲期间，电感在电源线Vdd和模拟电源管脚AVdd之间提供了一个高阻抗路径，能够有效降低电源线中的噪声，同时，电感的等效电阻必须足够小，从而使它具有较小的压降。为了增加模拟电源和数字电源之间的隔离效果，可以串联一个电阻，该电阻阻值要小，从而防止高压降，建议1Ω（需要注意：增加电感会延长AVdd电平的上升时间）

PCB设计：

1.外部电容与MCU之间走线尽可能短；

2.晶体中只有很少的电流流过，较长的走线会使其对EMC、ESD和串扰等更加敏感；建议使用地将晶振的走线包围，且晶振与MCU的走线尽可能远离其它切换频率较高的时钟和信号线。

    MCU困境  

不起眼的微控制器在各个方面都受到挤压。尽管大多数半导体行业已经能够利用摩尔定律，但MCU的市场却步履蹒跚，因为闪存的规模不会超过40nm。

同时，语音激活和更丰富的传感器网络等新功能要求针对某些市场集成推理引擎。在其他情况下，可靠性，安全性和/或安全性增加了这些设备所需的复杂性。结果，MCU供应商正在重新考虑这些设备的外观，从而消除了许多长期存在的假设。

MCU的范围很大。Arm的汽车和物联网业务高级总监Thomas Ensergueix说：“嵌入式应用程序所需的技术正在不断发展，在整个MCU市场上有成千上万的选择。”“范围从简单，低成本，深度嵌入式传感器到运行操作系统的高度复杂的设备，使我们的合作伙伴能够交付从超低功耗，能量收集设备到功能安全的支持AI的智能机器的所有产品。我们的目标是以最低的成本，最低的风险和最快的上市时间将想法付诸实践。”

低端对于MCU仍然很重要。西门子业务部Mentor IP董事总经理Farzad Zarrinfar说：“我们的大多数客户仍然使用8位微控制器。”“ 8051/2仍然是非常受欢迎的核心。这些人非常关注低功耗，例如蓝牙低能耗类型的应用。”

另一方面，范围正在扩大。“今天的应用需要灵活的处理解决方案，以便在处理性能，功耗，存储器与可编程阵列的集成，底层半导体技术及其他方面找到最佳的权衡，”FraunhoferIIS的自适应系统部工程设计方法学系主任Roland Jancke说，“传统概念（例如CPU和MCU）之间的现有区分线正在减弱。例如，恩智浦称其为“可扩展处理连续体”，并正在开发MCU和应用处理器之间的所谓交叉处理器。”

图1：不再那么简单了。Arm的最新MCU可以与NPU配对使用，从而将性能提高多达480倍

    嵌入式flash之路的终结  

Flash阻碍了MCU的发展。Adesto Technologies的技术总监Bard Pedersen表示：“在40纳米以下，Flash的表现非常出色。“使用40nm的闪光灯，单元变得非常小，以至于保持正确值的机会变小了。当您查看40nm的嵌入式闪存并将其与28nm进行比较时，闪存单元并没有真正缩小。其余逻辑会缩小，但闪存不会缩小那么多，这意味着嵌入式闪存会变得更加昂贵。”

其他人也同意。“已经使用的浮栅闪存尚未准备好超过40nm，因此替代技术显然是前进的道路。”Synopsys的战略营销经理Ron Lowman ，“ MCU供应商看到了下一两年的路线图，这可能会导致采用MRAM和ReRAM等替代技术。在此之前，他们希望确保该技术的健壮性和可靠性。”

在这方面正在取得进展。Arm的Ensergueix说：“我们与生态系统紧密合作，以实现快速原型制作和实施。”“进展的一个例子是三星正在针对三星的28nm FDS工艺开发的首款商用嵌入式MRAM（eMRAM）编译器正在进行的工作；这已经过硅验证。”

另一个选择是电阻RAM。“电阻式RAM在未来的某个地方具有巨大的潜力，” Adesto的Pedersen说。“但是，它还不是嵌入式闪存的直接竞争对手。ReRAM没有像使用Flash一样具有缩小的限制。实际上，随着收缩，存储单元本身的性能会更好，因为电阻RAM单元基本上是原子串。单元的其余部分浪费了空间，浪费的空间会产生噪音，因此您将其削减得越多，它就会越好。”

其他存储器类型也正在考虑中。Synopsys的Lowman补充说：“ 一次性和多次可编程（OTP和MTP）存储器非常适合安全应用或校准应用。” “您甚至可能考虑将其用于成熟的代码。例如，Dialog已将蓝牙堆栈放入其OTP中，而不是使用嵌入式闪存。”

    走向外部  

许多MCU供应商都在致力于将存储器移至片外。Lowman说：“嵌入式闪存正被外部串行外围设备接口（SPI）闪存挤压。”“这会影响使用嵌入式闪存的时间，地点和方式的价格。您可以使用单个数据速率，或者现在您具有双，四和八进制连接。对于某些需要大量嵌入式闪存的应用程序来说，这是一个可行的选择，尤其是当您的内存超过1MB时。”

将内存放在单独的芯片中可能会使您认为这会比较慢。但是，事实不一定如此。Pedersen说：“ JEDEC规范一直达到200MHz，这意味着从内存到处理器的带宽为400MB / s。”考虑两年前推出的恩智浦RT1050系列。拥有Cortex M7内核，并且所有东西（包括厨房水槽）都在芯片上-并且因为它们仅具有SRAM芯片，没有闪存-芯片很小，该设备成本低，功耗低，并且运行速度极快。”

Pedersen提供了性能比较。“如果您从闪存转移到SRAM并在那里执行表格，那么该设备可以以600MHz的频率运行，并且可以达到3,000个CoreMark。将其与使用嵌入式闪存的NXP竞争设备进行比较。它们都不能以高于400MHz的速度运行，这意味着大约2,000个CoreMark。如果我们以运行在600MHz的NXP设备并使用八进制内存接口，我们将获得大约2,000个CoreMark。因此，您拥有一个小型，低成本的微控制器，带有一个庞大的低成本外部存储设备，并且您具有与嵌入式闪存设备相同的性能。唯一的区别是两芯片解决方案消耗的功率更少，以美元计算的成本更低，并且您可以拥有更大的内存。”

    释放新节点  

不受节点限制的束缚，打开了其他可能性。Lowman说：“ 40nm是其中许多工艺选择的工艺节点。” “很显然，从长远来看，似乎22nm或其他技术可以很好地定位。关键挑战之一是采用芯片上所需的神经处理功能。您如何构造周围的内存？这是神经处理以适应他们想要做的事情的最大挑战之一。”

MCU供应商正朝着更精细的几何结构发展。“现在出现的设备在另一个节点中，” Pedersen说。“ NXP 1170是1GHz设备。我们可以假设它比40nm还要小。对于MCU供应商，选择他们要加入的节点取决于成本还是性能。您将达到设备受焊盘限制的程度，无需进一步缩小。即使在40nm，Cortex M7也很小。通过进一步缩小，他们不得不添加更多的功能，因此他们添加了更多的SRAM和更多的I / O功能以填充整个结构。”

节点迁移并非对所有设备都有意义。“更高的节点将继续存在，因为您有十亿个设备，它们只需要一个小的8位微控制器来翻转开关或运行一个小的电动机，” Pedersen补充说。“他们永远都不会进入更深的节点，因为那太过分了。因此，对于最大的CPU，您将看到从最深节点到7nm或5nm的频谱，仅对于某些应用程序，它是正确的工具，一直到350和500nm。”

较新的包装技术也可以进入。Fraunhofer的Jancke说：“小芯片的概念也针对这一趋势。” “它将使纤巧的硅零件能够以最适合的技术实施，并与其他零件紧密集成在一个封装中。当然，EDA工具需要考虑到这一点，并允许设计超出单个硅片区域的范围，即使是将多个小芯片放置在封装内的中介层上也是如此。”

    增加复杂性  

如今，在MCU中需要大量新功能。Mentor的Zarrinfar说：“我看到了很多设计，并且看到了更多的包含网络访问控制器（NAC）的MCU。” “这是一种网络解决方案，用于调节安全设备在首次尝试访问网络时的连接方式。我经常看到哈希电路或AES加密块。安全是一个非常广泛的问题，可能涉及指纹识别或供应链中的事情，以确保不会将芯片卖给错误的人。”

使用外部存储器可能会降低设备的安全性。“解决方案可能会在内存接口上增加加密，” Pedersen说。“芯片上有一个AES块。加上它并不会花费太多。目前，大多数客户甚至都不想使用高速八进制DDR存储器，而只是使用标准的四通道SPI，因为他们不需要芯片的性能。他们只是使用它，因为它是一种低成本的好解决方案。他们可能会使用较低的内存以较低的速度运行它，这已经足够了。”

这是许多MCU的特点。Arm的Ensergueix说：“尽管大多数设备可能需要功能的核心–安全性，连接性，CPU，但许多功能将通过定制的加速器以及特定于应用程序的传感器和执行器来区分。” “这需要提供预验证的安全子系统的一系列解决方案，我们的合作伙伴可以使用自己的差异化IP对其进行扩展。”

快速发展的一个领域涉及神经处理器。“机器学习（ML）在行业中的影响是巨大的，” Ensergueix补充道。“神经网络算法有望跨多种设备运行，从高性能云服务器到低功耗设备。根据应用程序的类型，机器学习算法将在CPU，GPU或NPU上运行，并且软件框架通过抽象出设备上可用的不同类型的加速器之间的差异，大大简化了机器学习的部署。”

软件堆栈可以使MCU供应商与众不同。Lowman解释说：“神经算法可以压缩和压缩，并且有很多类型的算法。”“除了标准的CNN或RNN，我还看到了采用稀疏性或变换性更高的算法（例如尖峰NN）的采用率呈上升趋势。他们可以利用较小的记忆。工具可帮助客户对这些算法进行建模，以便他们能够了解并找到在功率预算范围内效果最佳的架构。这是一个非常令人兴奋的时刻，因为有很多动人的零件，您确实需要一些创新的工程师来找出最佳路径。”

    降低成本  

MCU始终对成本敏感。“自定义设计听起来不错，因为它使您能够将算法与最佳解决方案进行匹配，” Zarrinfar说。“如果存在数据密集型方面，可以将它们映射到数据路径体系结构以提供加速。但是，说起来容易做起来难，许多人这样做时遇到问题。错误的代价很高，这就是为什么他们使用可用的MCU。”

总拥有成本很重要。Lowman说：“数年前，IoT是最热门的话题，因此，连通性被放在所有东西上。” “但是，它确实无法为最终用户提供足够的价值。如今，许多产品创意都趋向于提供更多价值。设备需要自己做更多的事情，而不仅仅是提供连接来捕获某些数据。实际上，它正在处理数据。在硬件中提供一些自定义加速的能力使他们能够确保功耗（处理器可以提供的价值）与其他产品相比具有足够的竞争力。因此，我们确实看到了许多AI加速器，而MCU将继续跟上这些加速器。”

    处理器迁移  

在SoC空间内，RISC-V通常会在对话中弹出。“ RISC-V具有很好的渗透性，特别是对于SoC专家而言，” Pedersen说。RISC-V之所以成为更受欢迎的核心，仅仅是因为它允许比Arm迄今为止所允许的更多的自定义。我相信，针对特定市场的SoC供应商将比通用微控制器供应商更快地采用RISC-V。当您有下一代工程师从大学毕业后，情况可能会在几年后发生变化。每所大学都将RISC-V用作教学工具，因为拥有可以修改的内容而不是一成不变的做法更有趣。”

当然，Arm并非袖手旁观。“Arm最近将Arm自定义指令添加到了Cortex-M CPU架构中，” Ensergueix说。“这进一步使我们的合作伙伴能够迅速脱颖而出。”

但这不是每个人的道路。OneSpin技术营销团队成员Tom Anderson说：“开源IP，尤其是RISC-V处理器，在提供优势的同时，还可以实现硬件和软件的创新与差异化。” RISC-V允许添加用户定义的指令，其他形式的IP可能会很好地效仿提供定制选项。但是，RISC-V内核的各种来源以及对其进行修改的能力都需要强大的验证过程。用户必须确保核心符合RISC-V规范，确保任何用户扩展都能正常工作且不会破坏合规性，并且还必须充分验证核心的微体系结构。”

归根结底，这可能取决于工具链的质量。“ RISC-V引人入胜，” Lowman说。“我们拥有支持添加自定义指令的ARC处理器，它们都在尝试复制ARC提供的功能。许多公司正在远离专有处理器，他们看到了RISC-V，然后意识到他们已经没有处理器团队来支持它了。因此，这需要一个良好的工具链。我们有一个ASIP设计器工具，并且它具有支持RISC-V的预配置框架。它吐出了自己的编译器和工具链。”