mcu的技术瓶颈：MCU的硬核科普

介绍

1.什么是微控制器（MCU）？

2.微控制器（MCU）的历史

3.单片机的分类及应用

4.中国MCU技术及知名厂商

5.单片机的基本功能

6.学习方法——使用单片机

7.MCU产品未来改进的六大维度

8.单片机编程

9.单片机编程工程师总结

10.如何开发单片机

11.解决 MCU Crystal 问题的 5 个技巧

12.芯片操作总结

13.常问问题

1971-1976

图2 MCU产品类别

目前，中国应用最广泛的MCU市场是消费电子领域，其次是工业领域和汽车电子市场。消费电子产品包括家用电器、电视、游戏机以及音频和视频系统。工业领域包括智能家居、自动化、医疗应用以及新能源发电和配电。汽车领域包括汽车动力总成和安全控制系统。

工业单片机

工业MCU产品主要用于电机控制、仪器仪表、低压配电、电动工具、工业机器人等应用场景中的电机控制运行、数据采集控制等功能。

图 3 电动车充电器

随着工业设备复杂性的增加，MCU 设备的数量也在增加。考虑工业机器人：单个工业机器人至少使用十个MCU产品。

家电MCU

MCU广泛应用于家用电器，主要用于实现系统控制、电机控制、面板显示控制等功能。

家电市场主要分为小家电和大家电，小家电包括厨房电器（微波炉、电磁炉、豆浆机等）、家用电器（吸尘器、电风扇、电暖器等）。 )、个人生活小家电（电动牙刷、吹风机等），​大家用电主要为空调、冰箱、洗衣机等白色家电。

图 4 感应加热炊具应用程序框图

目前，32位MCU因其更高的规格和性能以及不断降低的成本成为市场主流，并广泛应用于汽车电子领域。工控/医疗等领域；但仍有大量的应用场景需要简单的控制，而低价值的MCU具有成本优势，因此继续占据着很大的市场。

根据 IC Insights 的数据，2019 年全球MCU市场规模约为 164 亿美元，到 2023 年可能达到 200 亿美元左右。

2019年中国MCU市场规模约为256亿元，约占全球市场的26%，2015-2019年复合增长率为9%。

从全球市场来看，汽车电路占全球MCU市场的33%。根据IC Insights数据，2023年车用MCU市场空间将达到81亿美元，整体增速相当可观；目前，32位MCU因其更高的规格和性能以及不断降低的成本成为市场主流，并广泛应用于汽车电子领域。工控/医疗等领域；但仍有大量的应用场景需要简单的控制，而低价值的MCU具有成本优势，因此继续占据着很大的市场。

图 5 MCU 市场结构

从格局来看，2020年全球车用MCU市场份额前五名分别是瑞萨、恩智浦、英飞凌、德州仪器 和微芯，合计占比87%。

MCU市场仍以海外龙头为主，中国优质厂商在细分领域逐步取得突破，在中国本土化加速的背景下，份额有望快速提升。

预计全球MCU市场将进一步增长，2019年全球MCU市场规模达到164亿美元，2023年达到200亿美元。

需求端，汽车电动化改善、物联网 渗透加速、家电智能变频需求增加、可穿戴设备快速迭代、工控稳步增长，继续带动MCU行业快速增长。（以MCU为例，2020-2023年全球市场复合增长率为7.7%，预计到2023年市场空间为81亿美元）

供给端，2020年受疫情影响，MCU行业持续供不应求。英飞凌、恩智浦。而ST，以及其他海外MCU大厂，出现了几倍到几十倍的价格，交货期超过50周；预计持续短缺将至少持续到 2021 年底和 2022 年第一季度。

电路壁垒方面，MCU下游领域对汽车电路的要求最高，其次是工业和家电电路，消费电子相对要求略低，根据MCU产品环境温度、良率、服务等寿命等参数。

从行业竞争格局来看，中国MCU厂商市场占有率较低，短期受益于库存短缺导致的加速更新换代，长期来看仍有较大提升空间：

全球MCU市场较为集中，微芯、ST MICROELECTRONICS、瑞萨、TI、NXP、英飞凌等厂商占据80%以上的市场份额；中国MCU市场规模约为250亿元，国内MCU厂商总市场份额不足12%，主要集中在消费市场，具有充足的扩展空间。

缺货导致中国MCU厂商步伐加快，在汽车、工业、消费类电路中，中国MCU认证步伐不断加快。

瑞萨电子——全球第一家汽车MCU制造商

瑞萨电子成立于 2003 年，由日立半导体部门和三菱电机半导体部门合并而成。其主要业务涵盖汽车、工业、通讯等领域。瑞萨是全球第一家汽车MCU制造商，2020年占汽车MCU市场的30%。

瑞萨MCU拥有完整的产品线，涵盖EV/HEV、动力总成、电动汽车、车载仪表盘、车载网络、底盘控制、ADAS等应用领域。

微芯科技-8位MCU主要特点，收购Atmel补充32位MCU实力

微芯科技公司（Microchip）成立于1989年，微芯 科技是全球领先的单芯片和模拟半导体供应商。公司主营业务为单片机、存储器产品、模拟接口、混合信息产品、技术授权等。

产品主要应用于嵌入式控制系统和物联网相关行业，包括数据处理、医疗互联网 （IoT）、智慧城市、工业4.0、智能医疗等。主要客户包括英特尔、戴尔、 洛克希德马丁、惠普、波音， 等等。

STST-ARM架构MCU王者

ST成立于1987年，产品主要应用于汽车产品、电脑周边、通讯系统、消费类产品、工业自动化控制系统等方面。其主要客户包括苹果、黑莓、博世、思科、Conti、惠普、诺基亚、小畑、三星和西部数据。

MCU车用级产品占公司收入的32.13%。St 拥有当前 MCU 市场 8.5% 的份额，是细分 32 位 MCU 市场的领导者。

ST深耕汽车半导体领域多年，公司拥有完整的产业链，产品具有极高的性价比，在车规级MCU占据主导地位。客户包括日产、奥迪、上汽、特斯拉等多家企业。

NXP——全球领先的汽车MCU制造商

恩智浦半导体成立于2006年，前身为飞利浦半导体事业部。恩智浦主营MCU、MPU等产品，可广泛应用于汽车电子、工业控制、智慧城市、智能家居、可穿戴产品等领域。其基于S32汽车平台的MCU/MPU在安全性和效率上优势明显，已被全球主流主机厂采用。

恩智浦自主研发的业界首款跨界MCU：I.MX RT系列。此类产品以其高集成度、性价比和安全性得到了众多互联网平台（如亚马逊）的认可。

恩智浦于 2015 年收购飞思卡尔（由摩托罗拉创立），使其在汽车行业的影响力更深。2020年，其47%的收入来自车载MCU。目前，公司占全球汽车MCU产业的27.8%，位居全球第二。恩智浦为智能汽车提供完整的半导体解决方案，包括汽车娱乐系统、高级驾驶辅助系统 (ADAS)。

华富电子-中国最大的家电MCU制造商

Sino Wealth Electronic Ltd.是一家MCU集成电路设计公司，主要产品包括8位Flash MCU、8位OTP/Mask MCU、16位 DSP 、4位OTP/Mask MCU，广泛应用于家用电器、汽车、工控、安防等领域；

在小家电领域，公司的竞争对手主要是来自韩国的ABOV和来自台湾的Holtek。在白色家电领域，公司的竞争对手主要来自欧美，包括瑞萨、NEC、TI、STM等。

内部功能图

对于大多数MCU来说，以下功能是最常见和最基本的。不同单片机的描述方法可能不同，但本质是一样的。

1. Timer : Timer的种类虽然很多，但可以分为两大类。第一种是 具有固定时间间隔的Timer ，也就是说它的定时是由系统设定的，不能由用户程序控制。系统仅提供几种不同类型的定时器。给用户程序一个固定的时间间隔，如32Hz、16Hz、8Hz等。由于这种定时器在 4 位 MCU 中比较常见，可以用来实现时钟、定时等相关功能。

另一种是可编程定时器。这种定时器的计时可以由用户程序控制。控制方式包括时钟源的选择、预分频数的选择、预置数的设置等。大多数MCU同时具备这三种，也有的可能具备其中一种或两种。这种Timer应用非常灵活，实际使用也是千变万化的。最常见的应用之一是使用它来实现 PWM 输出。

由于可以自由选择时钟源，因此此类 Timer 一般与 Event Counter 结合使用。

2. IO口：任何MCU都有一定数量的IO口。没有 IO 口，MCU 将失去与外界通信的通道。根据IO口的可配置情况，可分为以下几种：

纯输入或纯输出：这种类型的IO口由MCU硬件设计决定，只能输入或输出，不能通过软件实时设置。

3 、直接读写IO口：例如MCS-51的IO口就 属于这种IO口。执行读IO端口命令时，为输入端口；当执行写 IO 端口命令时，它自动成为一个输出端口。

程序编程设置输入输出方向：该类IO口的输入或输出由程序根据实际需要设置，应用更灵活，可实现一些总线级应用，如12C总线、各种LCD、LED Driver控制总线等。

使用IO口的时候一定要牢记这一点：对于输入口，必须有一个清电平信号，保证不能悬空（这个可以通过加上拉或下拉电阻来实现） ; 而对于输出端口，输出状态电平必须考虑到其外部连接，应保证Standby或静态时没有source current或sink current。

外部中断：外部中断是大多数 MCU 的基本功能。它们通常用于实时信号生成、数据采样和状态检测。上升沿、下降沿、电平触发都是中断方式。在大多数情况下，外部中断是通过输入端口处理的。如果是IO口，只有设置为输入口时才会启用中断功能；如果设置为输出端口，外部中断功能会自动关闭（ATMEL的ATiny系列有一些例外，输出端口也可以触发中断功能）。外部中断的应用如下：

外触发信号检测：一种是基于实时性要求，如可控硅控制、突发信号检测等，另一种是基于省电。

信号频率测量：：为确保不丢失信号，外部中断是最佳选择。

解码数据：为了降低遥控应用领域的设计成本，经常需要使用软件对各种编码数据进行解码，例如曼彻斯特编码和PWM 编码。

按键检测和系统唤醒：为了使 MCU 进入休眠状态，必须通过外部中断将其唤醒。最基本的形式是一个按钮，而层次的变化是由按钮的动作引起的。

4 、通信接口：MCU提供的通信接口一般有SPI接口、UART。I2C 接口等，描述如下：

SPI接口：这类接口是大多数MCU提供的最基本的通信方式。它的数据传输由一个同步时钟控制。信号包括SDI（串行数据输入）、SDO（串行数据输出）、SCLK（串行时钟）和Ready信号；在某些情况下，可能没有 Ready 信号；这类接口可以工作在Master模式或者Slave模式，通俗的说就是看谁提供时钟信号，提供时钟的一方是Master，对方是Slaver。

UART（Universal Asynchronous Receive Transmit）：属于最基本的异步传输接口。它的信号线只有两条Rx和Tx线。基本数据格式为：Start Bit Data Bit(7-bits/8-bits) Parity Bit(Even Odd or None) Stop Bit(1~2Bit)。一位数据所占用的时间称为波特率。

对于大多数单片机，数据位长度、数据校验方式（奇校验、偶校验或无校验）、停止位长度和波特率都可以通过程序编程灵活设置。当然。这类接口最常见的方式是与PC的串口通信。

I2C接口：I2C是飞利浦开发的数据传输协议。它还使用两个信号来实现：SDAT（串行数据输入和输出）和SCLK（串行时钟）。最大的好处是可以在这条总线上挂接多个设备，并且可以通过地址来识别和访问它们；I2C总线最大的优点之一就是通过IO口使用软件实现非常方便，其传输的数据速率完全由SCLK控制。为了控制，它可以快也可以慢，不像 UART 接口，它有严格的速率要求。

5 、看门狗：看门狗是大部分单片机的基本配置，只能让程序复位不能关闭（有些是在程序烧录时设置的，比如Microchip PIC 系列单片机），而有些单片机是由一个特定的方法，无论它是否打开。比如三星的KS57系列，只要程序访问Watchdog寄存器，就会自动开启，不能再次关闭。一般来说，看门狗的复位时间可以通过程序来设置。Watchdog最基本的应用是为MCU因意外故障而死机提供自恢复能力。

任何MCU的基本原理和功能都是相似的。唯一不同的是其外围功能模块和指令系统的配置和数量。

对于指令系统来说，虽然形式上看似不同，但只是符号不同，其所代表的意义、要完成的功能、寻址方式都大同小异。

了解一个单片机，首先要知道的是它的ROM空间、RAM空间、IO口数量、定时器数量和计时方式、提供的外围功能模块（Peripheral Circuit）、中断源、工作电压、电源消费等

了解了这些 MCU 的特性后，下一步就是将所选 MCU 的功能与实际项目开发所需的功能进行对比，明确哪些资源目前需要，哪些没有在本项目中使用。

对于项目中需要用到但所选单片机没有提供的功能，需要仔细了解单片机的相关信息，采用间接的方法来实现。比如开发的项目需要和PC的COM口通信，如果选择的MCU没有提供UART口，可以通过外部中断来实现。

对于项目开发所需的资源，您需要仔细理解和阅读Manua*，而对于不需要的功能模块，您可以忽略或浏览。对于单片机学习来说，应用是关键，也是主要目的。

对于第一次使用这款单片机的初学者或设计人员来说，可能会遇到很多关于单片机功能的模棱两可的描述。对于这类问题，有两种解决方法，一种是编写专门的验证程序，理解数据中描述的功能；其他的暂时可以忽略。调试时留待修改完善。前一种方法适合时间比较松散的项目和初学者，后一种方法适合有一定单片机开发经验或者项目进度比较紧迫的人。

不要特别花时间学习指挥系统。指令系统只是一个逻辑描述符号。编程时，只能根据程序的逻辑要求查看相关指令。随着您的编程技能提高，您将更加精通指令系统。

• 计算性能更强：MCU主频迈向500Mhz，MPU增加更多处理器内核；
• 附加无线连接功能：集成了更多射频模块。
• 低功耗，高能效比：集成模拟芯片，低功耗模拟外设
• 继续支持硬件加速器：算法和工具的高度集成
• 安全：提高抗干扰能力和安全性
• 高性价比：降低成本

MCU和 PC的编程有很大不同。尽管基于 C 语言的 MCU 开发工具越来越流行，但对于高效程序代码和喜欢使用汇编的设计人员来说，汇编语言仍然是最简洁、最高效的编程语言。

构建您自己的微控制器编程器的电路图

MCU编程的基本框架大致相同，分为初始化部分（MCU编程和 PC 编程最大的区别）、主程序循环体、中断处理程序。如下所示：

1.初始化：所有单片机程序设计中最基本也是最重要的一步就是初始化，一般包括以下几个部分：

• 屏蔽所有中断并将堆栈指针设置为 通常，初始化部分不希望发生任何中断。
• 清空系统内存并显示内存：虽然并不总是需要，但为了可靠性和一致性，建议养成良好的编程习惯，尤其是避免意外错误。
• IO口初始化：根据项目的应用需求设置相关IO口的输入输出方式。设置输入端口的上拉或下拉电阻，以及输出端口的初始电阻。
• 中断设置：为项目需要的所有中断源启用和设置中断触发条件，关闭不需要的不使用的中断。
• 其他功能模块的初始化：对于所有需要使用的MCU外围功能模块，必须根据项目的应用需求进行相应的设置。例如，UART 通信需要设置波特率、数据长度、验证模式和停止位长度，Programmer Timer 需要设置时钟源。频率和重新加载数据等。
• 参数初始化：在完成MCU硬件和资源的初始化之后，下面是程序中用到的一些变量和数据的初始化。这部分初始化需要根据具体项目和程序的整体安排进行设计。对于一些使用EEPROM存储预制件数量的应用，建议在初始化时将相关数据复制到MCU的RAM中，以提高数据访问速度，降低系统功耗（原则上，访问外部 EEPROM 会增加电源的功耗）。

2.主程序循环体：

• 大多数单片机都是长时间连续运行的，所以它们的主程序体基本上都是循环设计的。对于具有多种工作模式的应用程序，可能有多个循环体通过状态标志相互转换。对于主程序体，一般安排以下模块：
• 计算程序：计算程序一般比较耗时，因此强烈反对在任何中断中进行处理，尤其是乘法和除法运算。
• 处理实时性要求低或无实时性要求的程序；
• 显示传输程序：主要针对外接 LED 和 LCD Driver 的应用。

3.中断处理程序：

中断程序主要用于处理实时性要求较高的任务和事件，如外部突发信号的检测、按键的检测与处理、定时计数、LED显示屏扫描等。

一般情况下，中断程序应尽量保持代码简洁。对于不需要实时处理的功能，可以在中断中设置触发标志，然后主程序执行具体的事务——这一点非常重要，尤其是对于低功耗、低速的MCU，有必要确保及时响应所有中断。

4. 各种任务体有多种MCU处理方式。

比如对于低速、低功耗的MCU（Fosc=32768Hz）应用，考虑到此类项目是手持设备，使用普通LCD，对按键的响应和显示响应的实时性要求很高，所以一般定时中断是用于处理按钮动作和数据显示；对于高速MCU，如Fosc>1MHz的应用，由于此时MCU有足够的时间执行主程序循环体，只能在相应的程序中设置各种触发标志时中断，所有任务在主程序体中执行。

5、在单片机编程中要特别注意：

避免在中断和主体中访问或设置相同的变量或数据的情况。有效的预防方法是将此类数据的处理安排在一个模块中，通过判断触发标志来决定是否执行数据的相关操作；在其他主体（主要是中断）中，仅在需要处理数据的地方设置了触发标志。这确保了数据执行是可预测的和唯一的。

1. 要养成总结的好习惯，总结不仅是对自己学习的总结，也是对学习过程的回顾和深化，也是为了避免出现二次错误。
2. 在编写程序之前，我们应该对项目有一个扎实的了解，这样我们才能从一个扎实的想法和一个通用的框架开始。考虑布局和最有意义的是至关重要的。确定应该先完成哪个模块，模块的具体步骤，每个函数如何命名，与其他模块的关系。拿一张纸，写下重大进展。
3. 对于C语言模块化编程，我们应该先划分每个模块，一个模块编程，确定一个顺序，然后在前一个模块成功的基础上再编写下一个模块。说到头文件，在你写完模块之后再写模块的头文件。
4. 不要忽视这样一个事实，即程序必须不合理地理解其起源并找到解决方案。在寻找来源时，应该是中肯的；您可以在网上搜索相关资料或向他人咨询。例如，另一个项目的主要功能被纳入该项目。一些函数被多次命名。逐步分析原因，也根据实验现象。定义端口时，选择了错误的接口。当您无法解决问题时，有时休息一下是件好事。事情可能会出错，无论它们看起来多么简单

代码利用效率、抗干扰、MCU可靠性等问题继续困扰着MCU应用开发。

综上所述，单片机已经成为计算机开发应用的一个重要方面。

过去必须通过模拟电路或数字电路才能实现的大部分功能，现在可以通过使用单片机的软件方式来实现。这种以软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是对传统控制技术的一次革命。

另外，在开发应用的过程中，一定要掌握技巧，提高效率，以利于其更广泛的应用。

单片机晶体振荡器

• PCB接线错误；
• 微控制器质量问题；
• 晶振质量问题；
• 负载电容或匹配电容与晶振不匹配或电容质量不正确；
• PCB板受潮，导致阻抗不匹配，无法振动；
• 晶振电路过长；
• 水晶脚之间有一条线；
• 外围电路的影响。

建议您逐一排除故障，具体如下：

芯片的操作主要是对芯片中寄存器的操作。芯片中的寄存器都有自己唯一的地址映射到内存上，也就是对应地址的操作。学习芯片，首先看时序图，然后了解对应的寄存器，了解如何操作，定义需要的端口（程序可以识别），编写和读取操作程序。

芯片操作的横截面视图

数据如何写入芯片，如何读出，以及通过哪个端口输入或读取。

通过总线连接芯片时，首先要了解总线的协议。与I2c总线相连的芯片由总线控制。

微控制器是一种压缩的微型计算机 ，用于控制办公机器、机器人、家用电器、机动车辆和许多其他小工具中的嵌入式系统的功能。微控制器由内存、外围设备和最重要的处理器等组件组成。

8 位微控制器的示例是 Intel 8031/8051、PIC1x 和 Motorola MC68HC11 系列。与 8 位相比，16 位微控制器具有更高的精度和性能。

因此，单片机还必须满足 输入、计算、存储、输出、控制五个基本要素。这些被称为微控制器的五个元素。

如果您需要访问大量非常快的内存，那么 微处理器 可能是您的最佳选择。微控制器已经嵌入了存储器，因此存储器的选择比微处理器少。大多数微控制器可用的最大闪存容量通常约为 2MB。

BIOS 是启动计算机的程序，CMOS 是 BIOS 存储启动计算机所需的日期、时间和系统配置详细信息的位置 。... CMOS 是一种内存技术，但大多数人使用该术语来指代存储用于启动的可变数据的芯片。

RAM 和 ROM 是产品，但互补金属氧化物半导体 (CMOS) 是它们内置的工艺。CMOS 使用两种不同类型的晶体管来实现更低的整体功耗。

实时时钟( RTC) 电池为内部时钟/日历和维护系统配置设置供电。当机器长时间关闭（大约一到四个月）时，可能会发生此错误，这是由于 RTC 电池耗尽的结果。