中國單片機的回顧與展望

作者/ 王瑩 《電子產(chǎn)品世界》編輯

摘要：“中國單片機三十年紀(jì)念會議”于2016年11月19日在北京航空航天大學(xué)舉行，來自產(chǎn)學(xué)研的單片機專家回顧了單片機在中國的歷史，并展望了單片機的未來發(fā)展趨勢。

　　“中國單片機三十年紀(jì)念會議”于2016年11月19日在北京航空航天大學(xué)舉行，會議由嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會主辦，聯(lián)誼會秘書長何小慶主持，單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用、電子產(chǎn)品世界等媒體支持，深圳創(chuàng)意會展公司贊助。

　　“今天是為了忘卻的紀(jì)念，因為估計四十年就沒人紀(jì)念了?！鼻度胧较到y(tǒng)聯(lián)誼會發(fā)起人、《單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用》雜志主任何立民教授風(fēng)趣地說。據(jù)悉，本次活動曾得到創(chuàng)辦了中國單片機學(xué)會的陳章龍教授(復(fù)旦大學(xué))生前的大力支持(注：現(xiàn)在單片機學(xué)會已并入中國計算機學(xué)會嵌入式系統(tǒng)專業(yè)委員會)。今天，一些當(dāng)年的年輕人如今很忙，像周立功、劉強、馬忠梅教授等沒出席。不過，會議還是吸引了約70名來賓參與，他們來自大學(xué)、企事業(yè)單位、媒體等，其中大部分是在職人員，還有一部分退休人員和學(xué)生。

何立民：單片機與微處理器同源同宗，又將在物聯(lián)網(wǎng)時代匯合

　　何立民教授首先進(jìn)行了主題報告，介紹了微控制器的源頭、歷史和未來。據(jù)悉，世界微控制器最早誕生于1971年的4004，之后形成了兩大分支，一個偏重處理，一個偏向控制(即微控制器(MCU)，也稱單片機)，沒想到在物聯(lián)網(wǎng)時代處理和控制二者又融合了，“嵌入式系統(tǒng)”這個名稱正在消失，將進(jìn)入到以應(yīng)用和服務(wù)為特征的“物聯(lián)網(wǎng)”時代(如圖1)。

　　談到我國微控制器的30年歷史，經(jīng)歷了從單片機到嵌入式系統(tǒng)。整個人類發(fā)展是非線性的，現(xiàn)在越來越快，從單學(xué)科到多學(xué)科、到大學(xué)科。單片機是單學(xué)科，后來被人瞧不起，改名為“嵌入式系統(tǒng)”。物聯(lián)網(wǎng)把各個強勢學(xué)科聯(lián)合起來，從哪個學(xué)科角度看都能解讀，不必互相爭論誰的定義更準(zhǔn)。現(xiàn)在從智能電子轉(zhuǎn)到智慧電子。“智能”強調(diào)能力，“智慧”需要加入人文和社會服務(wù)在里面，例如智能交通包括從計算車流到汽車違章，但智慧交通可以監(jiān)測到人違章(杜絕代人違章/消分現(xiàn)象)。

　　何立民教授到昆山調(diào)研發(fā)現(xiàn)，很多企業(yè)的研發(fā)人員桌上沒有書，他們也不像過去頻頻找大學(xué)教授咨詢了，因為就是直接用模塊。同時感到現(xiàn)在二三流學(xué)校(特點：偏應(yīng)用和技能)很活躍，感嘆現(xiàn)在官(政府)產(chǎn)一馬當(dāng)先，那么學(xué)研應(yīng)該怎么分工?需要人們重新反思。

清華邵貝貝：與Motorola單片機和μC/OS的不解之緣

　　原清華工程物理系的邵貝貝教授回顧了他與單片機的淵源。邵教授198x去美國進(jìn)行高能物理合作，打開了中美合作大門。199x年后邵教授又去歐洲核研中心，把部分Motorola單片機帶到中國，后來寫了μC/OS方面的書，推廣了CAN總線等。(電子產(chǎn)品世界編輯注：Motorola在中國最早的單片機實驗室在邵貝貝教授那里有一個，邵貝貝等人著書《嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II》2005年左右是暢銷書)。1994年邵教授回國時，清華老師的經(jīng)費很緊張，只有1.5萬元左右，于是找到Motorola，之后Motorola更名為飛思卡爾，飛思卡爾又被NXP收購，雙方一直合作至今。邵教授團(tuán)隊也在這一二十年間培養(yǎng)了50多名碩士/博士生。

　　現(xiàn)在學(xué)校大搞ARM MCU，但恐怕對ARM底層不太了解，不像過去摳得那么細(xì)。邵教授鉆研底層后發(fā)現(xiàn)，手冊中有很多錯誤，后來了解到ARM可能對手冊的編寫重視度不夠。有人說，ARM賣IP的收入不到總營收的一半，很重要的一部分是給客戶講怎樣用好。

清華袁濤回顧了2001年單片機盛會

　　清華自動化系的袁濤教授2001年曾牽頭承辦了“2001嵌入式系統(tǒng)及單片機國際學(xué)術(shù)交流會”，該會議當(dāng)年得到胡東成副校長的贊許。袁教授回顧道，當(dāng)年陳章龍教授主持了會議，沈續(xù)榜院士、北航何立民教授主編了論文集，活動承辦者之一《電子產(chǎn)品世界》統(tǒng)計有452名代表參會，觀眾約5600人?！盀榱宿k好會，《電子產(chǎn)品世界》幾員大將不辭辛苦?！吧蚓w榜院士對此處會議評價是：空前是有目共睹的，希望以后越辦越好。

北大林金龍：開源硬件與MCU應(yīng)用

　　“現(xiàn)在有開源火箭項目，沒準(zhǔn)將來原子彈也會開源了?！北本┐髮W(xué)軟件與微電子學(xué)院林金龍教授幽默地說。他從開源硬件角度探討了MCU的發(fā)展趨勢。他從OHS(開放硬件高峰會議)談起。從2009年開始，每年一屆的OHS成為開源硬件世界的盛事，與會者展示開源硬件項目，交流經(jīng)驗，討論開源硬件的發(fā)展。OHS2016于今年10月在美國波特蘭舉行，會議得到包括Intel、Google等著名公司在內(nèi)的34家企業(yè)贊助，主要是開源硬件平臺和應(yīng)用廠商，深圳Seeed(矽遞)公司也在其中。越來越多的企業(yè)將加入到開源硬件運動中。開源硬件復(fù)制開源軟件的成功只是時間問題。

　　他指出，目前開源項目中大部分是MCU，其中影響力最大、市場最成功的項目——Arduino采用MCU。由于開源硬件項目接口標(biāo)準(zhǔn)、源碼開放、工具齊全，使得產(chǎn)品和應(yīng)用開發(fā)容易、快捷，將促進(jìn)新產(chǎn)品和應(yīng)用的涌現(xiàn)。開源硬件將導(dǎo)致新產(chǎn)品和應(yīng)用的爆發(fā)式增長，從而推動MCU業(yè)的發(fā)展(如表1)。

　　最后林金龍展望開源硬件發(fā)展的趨勢有三：1.會出現(xiàn)包括內(nèi)核在內(nèi)的真正完全開源的硬件產(chǎn)品。2.開源產(chǎn)品大規(guī)模進(jìn)入市場。3.開源社區(qū)會真正形成，出現(xiàn)從構(gòu)想、設(shè)計到制造的一體化開源產(chǎn)品。

從NXP角度看MCU的過去與未來走勢

　　NXP微控制器大中華區(qū)市場產(chǎn)品總監(jiān)王朋朋：ARM處理器是一大趨勢，NXP只有兩大系列，ARM Cortex- A和M系列。工藝上，目前主流是90nm和140nm，未來會有40、28nm工藝MCU。MCU硬件開發(fā)工具方面，十幾年前，大家買仿真器不容易，不同芯片有不同的仿真器，因此仿真器生意很火;現(xiàn)在一塊板就可搞定，且很便宜，經(jīng)常免費贈送，或網(wǎng)上下載一個開源做仿真器的方法，因此過去做仿真器的廠商往往做不下去了。操作系統(tǒng)方面，F(xiàn)reeRTOS風(fēng)頭更盛，RT-Thread成為新星。

　　ARM時代，開發(fā)者嚴(yán)重依賴軟件開發(fā)商，即工程師不了解硬件底層就做出來了。這會導(dǎo)致軟件較大，依賴硬件性能的提高?，F(xiàn)在的好處是MCU的內(nèi)存資源越來越大，處理器速度越來越快，因此軟件不用像過去一樣在有限的幾k字節(jié)里摳了，因此可以很快開發(fā)出來。各種改變詳見表2和表3。

　　MCU開始侵蝕原先MPU的市場，Cortex-M4比過去ARM9性能高。未來，摩爾定律對MCU仍非常奏效。另外，因為大家都是ARM核，通用產(chǎn)品的區(qū)分度變小，需要對細(xì)分市場的準(zhǔn)確定位，汽車電子、IoT、安全將會是未來MCU增長的重要推動力量。

國產(chǎn)ARM MCU廠商“兆易”之崛起

　　兆易創(chuàng)新的MCU業(yè)務(wù)2013年才開始，全部是32位的ARM MCU?？偨?jīng)理鄧禹稱，兆易的MCU雖然起步晚，但發(fā)展速度驚人。2013年出貨30萬片，2014年300萬片，2015年出貨3000萬片，營業(yè)額約 2000萬美元， 2016年上半年出貨已逾2000萬片。

　　兆易作為存儲器起家的公司，之所以做MCU，因為有人總結(jié)本土芯片企業(yè)有“一代拳王”的特點——靠單一產(chǎn)品打天下，缺乏后續(xù)的新產(chǎn)品。朱一明總裁希望在存儲器外，開拓一些其他業(yè)務(wù)。ARM讓MCU的門檻降低。當(dāng)時之所以決定從ARM Cortex-M3切入，因為ARM Cortex-M0定位打8位市場，但8位MCU的利潤太低。M3 MCU當(dāng)時只有一家獨大--ST。兆易以flash起家，因此用“MCU+flash”，賣點是高性能，因此兆易MCU海報上有獵豹的形象。反例是，TI購買ARM MCU先驅(qū)Luminary公司后，但Luminary缺乏對flash的了解，因此，TI此塊業(yè)務(wù)不太成功。

　　業(yè)內(nèi)有種看法，只有第一名才能生存，如果以此推理，歐洲會有一家，美國有一家，很多人認(rèn)為中國的一家就是兆易了。 因為中國MCU市場太大，盡管跨國公司的產(chǎn)品很強，但是總有一些市場覆蓋不到，這就是兆易的機會。2013年兆易剛推出MCU時，產(chǎn)量30萬片，四年來，連浙江大山里的企業(yè)都跑過，非常堅辛。本土客戶的特點是需要交鑰匙方案。當(dāng)然在中國市場也是有所選擇的，例如中國小家電業(yè)很活躍，但中國8位單片機市場已做得好，兆易不打算去涉足;而中國冰洗等大家電企業(yè)，還是被日本某跨過公司壟斷，兆易希望有機會進(jìn)入。

新唐：面向物聯(lián)網(wǎng)的單片機趨勢

　　新唐微控制器應(yīng)用事業(yè)部副總經(jīng)理林任列：32位MCU是趨勢，MCU可促使IoT更好地發(fā)展。

　　未來，MCU芯片追求更高的集成度，同時單片機面對安全威脅，需要增加安全性能。深度學(xué)習(xí)等需要很好的軟件平臺，引發(fā)下一代單片機架構(gòu)變革的猜想?？傊?，未來單片機不僅是一個單片機，還會有其他處理架構(gòu)，軟件的開發(fā)方法等變革。

百家爭鳴

　　討論環(huán)節(jié)，河北大學(xué)計算機系的王龍江教授認(rèn)為在消費電子領(lǐng)域，盡管32位ARM MCU很流行，但不要被此忽悠，他至今還用8位單片機。具體地，中國的嵌入式或物聯(lián)網(wǎng)，發(fā)展方向不是只有像與會多數(shù)人強調(diào)的那樣只有ARM一條道路可走，而是還有另一條路更有發(fā)展前景，更有生命力的即將蓬勃興起的道路可走，那就是軟件硬化?！拔覀兦f不能錯過這個機會。而且，這是一條功耗更低，速度更快，成本更低，比ARM發(fā)展前景更好、更具有競爭力的道路。”可惜大多數(shù)人都認(rèn)識不到和理解不了這點。這不能怪他們，因為只有精通軟件又同時精通集成電路設(shè)計的少數(shù)人才能看到和理解這點。這也是物聯(lián)網(wǎng)等必然發(fā)展的方向?！拔蚁Ｍ荒苤挥猩贁?shù)人這樣做，應(yīng)該喚起大多數(shù)人這樣去做，這樣我們的國家才能在這方面彎道超車趕上或超過世界先進(jìn)水平，實現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)中的中國夢!”

　　鄭小龍老接著說，當(dāng)算法成為靈丹妙藥時，的確需要軟件硬化?，F(xiàn)在的芯片集成度越來越高、例如一些MCU中也加入了硬件加速功能。而TI的DSP還在走，但是單一性能的DSP會較少(電子產(chǎn)品世界編輯在此也補充一下，TI本月推出的新的16位MCU——MSP430FR5994，集成了低能耗加速器(LEA)，可提供支持50多種數(shù)學(xué)函數(shù)的優(yōu)化DSP庫，因此比ARM Cortex-M0+ MCU快近40倍)。

　　何立民教授稱，他十分崇拜51。而且51非常聰明，看到ARM起來了，就另辟蹊徑，51走了智能器件道路，集成在收發(fā)器、銀行卡等中了。我們談物聯(lián)網(wǎng)，不能像談嵌入式系統(tǒng)一樣，物聯(lián)網(wǎng)概念太大，要落地到具體應(yīng)用，例如交通、醫(yī)療等。

　　武漢一位大學(xué)老師致信“嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會”： MCU集成度越來越高，今后該MCU的開發(fā)機會在哪里?安富利的周濤先生認(rèn)為：很多領(lǐng)域可以做精，例如醫(yī)療保健測量目前還不夠準(zhǔn)確，測變化值還可以，但動態(tài)值難度很大，大家可以在這方面開發(fā)。另，無人機很火，可以考慮如何做得更好。

　　一位現(xiàn)場同學(xué)提問：何時應(yīng)該用FPGA?邵貝貝：關(guān)于FPGA的應(yīng)用定位，通常在量不太大時可以用，或者對成本不太敏感時。林金龍教授說蘋果7里面有FPGA(注：Lattice芯片)，說明FPGA在某些特定領(lǐng)域也可以大批量用。但FPGA和MCU不是對立關(guān)系，一般可以應(yīng)用配對：MCU+FPGA。何小慶：與非網(wǎng)的FPGA開發(fā)板“小腳丫”中，Lattice芯片中可以放軟核，也是一種好的編程方法。北京工業(yè)大學(xué)計算機系高工彭建朝是教SoPC(注：原Altera，現(xiàn)Intel PSG部門的產(chǎn)品)課的，稱FPGA的好處是可以用IP核形式直接交互，學(xué)生們對此特別有興趣，因為設(shè)計是真真實實地實現(xiàn)了。

小結(jié)

　　首先何立民教授回顧了單片機的誕生與歷史，指出單片機、嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展道路。邵貝貝教授回憶了199x年把Motorola單片機、μC/OS等介紹到中國的歷史背景。袁濤教授追憶了2001年在京舉辦的嵌入式系統(tǒng)盛會。下午的討論環(huán)節(jié)，林金龍教授探討了智能硬件的歷史概況與未來趨勢，NXP的王朋朋總監(jiān)介紹了單片機的性能、工藝、開發(fā)工具等的走向，兆易創(chuàng)新的鄧禹總經(jīng)理談了本土MCU如何尋找縫隙、差異化市場的體驗，新唐公司的林總指出未來面向物聯(lián)網(wǎng)的單片機需要在架構(gòu)和軟件等方面繼續(xù)創(chuàng)新，滿足云連接、安全、深度學(xué)習(xí)等體驗。

　　追憶過去，是為了更好地開拓明天。希望過去老一輩從業(yè)者的探索精神能夠繼續(xù)發(fā)揚，激勵新的從業(yè)者去克服困難和挑戰(zhàn)，勇于創(chuàng)新，打造更加美好的萬物互聯(lián)世界!

參考文獻(xiàn):

　　[1]何立民.從現(xiàn)代計算機視角看嵌入式系統(tǒng).單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2016(1)

　　[2]何立民.從現(xiàn)代計算機視角看嵌入式系統(tǒng).單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2016(2)

　　[3]王龍江.軟件硬化趨勢出現(xiàn).電子產(chǎn)品世界,2008(3):157-158

　　[4]王瑩.本土MCU廠商的市場及“質(zhì)”造策略.電子產(chǎn)品世界,2016(10):20-22

　　[5]王瑩.MCU為物聯(lián)網(wǎng)“而生”.電子產(chǎn)品世界,2015(1):1-2

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第11期第16頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。