MCU

MCU


MCU, Microcontroller Unit, also known as Single Chip Microcomputer(单片机), is to reduce the frequency and specifications of the Central Processing Unit (CPU) appropriately and reduce the memory, Counter (Timer), USB, A/D conversion, UART, PLC, DMA and other peripheral interfaces, and even the LCD driver circuit are integrated on a single chip to form a chip-level computer for different combinations of control for different applications.

MCU微控制单元,又叫单片微型计算机或单片机,是进行嵌入式开发的核心部件。小到智能手环、大到智能手机,都可以称为嵌入式开发系统。物联网节点就是一种嵌入式系统。

美国Intel公司在1971年推出了4位单片机4004;1972年推出了8位单片机8008。特别是在1976年推出MCS-48单片机以后,其发展速度大约每三四年更新一代、集成度增加一倍、功能翻一番。以8位单片机的推出为起点,单片机的发展大致可分为4个阶段。

1.单片机初级阶段(1976年—1978年):这个阶段以Intel公司MCS-48(The MCS-48 Family ,Micro-control system,Intel是1974年开始开发)为代表,单片机内部集成了8位CPU、I/O接口、8位定时器/计数器,寻址范围不大于4KB,有简单的中断功能,但无串行接口。

2.单片机完善阶段(1978年—1982年):这个阶段的单片机普遍带有串行I/O接口、有多级中断处理系统、16位定时器/计数器,片内集成的RAM、ROM容量加大,寻址范围可达64KB。单片机片内还集成了A/D(模-数)转换接口。典型代表有Intel公司的MCS-51、Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等。

3.单片机发展阶段(1982年—1992年):许多半导体公司和生产厂以MCS-51的8051为内核,推出了满足各种嵌入式应用的多种类型和型号的单片机。这个阶段的单片机普遍集成了ADC(模-数转换器)、PWM(脉冲宽度调制)、WDT(把关定时器,俗称“看门狗”)、EPROM(可擦可编程只读存储器)、EEPROM(电可擦可编程只读存储器)、串行接口等。一些公司面向更高层次的应用,推出了16位的单片机,比较典型的有Intel公司的MCS-96系列单片机。

4.单片机百花齐放阶段(1992年至今):这个阶段单片机发展的显著显著特点是通过更先进的技术创新来提高单片机的综合品质,如提高I/O口的驱动能力、增加抗静电和抗干扰措施、宽(低)电压低功耗等。同时,面对不同的应用对象,不断推出适合不同领域要求的单片机系列,如开发更多的专用型单片机,以满足低成本、资源利用率高、系统外围电路少、可靠性高等需求。


兼容Intel 8051指令系统的单片机称为51单片机。该类单片机诞生于20世纪末期,在2000年以前用的最多的单片机就是Intel 8051系列单片机,此后51单片机几乎是每个电子类专业大学生的必修课程。该类单片机的内核时8位的处理器。


教材 |


CPU、MCU、DSP

CPU主要包括两个部分:控制器和运算器,其中还包括高速缓冲存储器及实现它们之间联系的数据、控制的总线。MCU把CPU的频率和规格做适当缩减,并将内存、计数器、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口,甚至LCD驱动电路整合在单一芯片上。

CPU(Central Processing Unit,中央处理器)发展出来三个分支:1、DSP(Digital Signal Processing/Processor,数字信号处理);2、MCU(Micro Control Unit,微控制器单元);3、MPU(Micro Processor Unit,微处理器单元)。MCU集成了外围器件;MPU不带外围器件,是高度集成的通用结构的处理器,是去除了集成外设的MCU;DSP运算能力强。MCU适合不同信息源的多种数据的处理诊断和运算,侧重于控制,速度不如DSP。DSP与MCU的结合是DSC,它最终将取代这两种芯片

MCU分类

存储器结构:可分为哈佛结构和普林斯顿结构(冯·若依曼结构)。绝大多数单片机都是冯·诺伊曼结构。

存储器类型:可分为无片内ROM型带片内ROM型两种。无片内ROM型的芯片,必须外接EPROM才能应用(典型:8031);带片内ROM型的芯片又分为片内EPROM型(87C51)、MASK片内掩膜ROM型(8051)、片内FLASH型(89C51)等类型。(EPROM,可擦除可编程只读存储器 外文名 Erasable Programmable Read-Only Memory,有一个紫外光插除窗口)

按照用途分类(通用型、专用型)、按照字长分类(4位、8位、16位、32位等)。



ARM处理器,是英国ARM公司设计的低功耗成本的第一款RISC微处理器,全称Advanced RISC Machine (百度来源)。下图有从ARM官网下载的产品截图,我们可以看到第一个产品是处理器授权,Processor IP。因为ARM公司不生产不销售芯片,它只出售芯片技术授权(IP)。

ARM公司的历史:1978年12月5日,物理学家赫尔曼·豪泽(Hermann Hauser)和工程师Chris Curry在英国剑桥创办了CPU(Cambridge Processing Unit)公司,主要业务是给当地市场供应电子设备。1979年,CPU公司改名为Acorn公司。起初公司的电子设备打算使用摩托罗拉的16位芯片,但是发现这种芯片太慢太贵,“一台售价500英镑的机器,不可能使用价格100英镑的CPU!” 后来他们想用Intel的芯片80286的资料,遭到了拒绝。于是,公司决定自己研发。1985年,Roger Wilson和Steve Furber设计了第一代的32位、6M Hz的处理器,用它做了一台RISC指令集的计算机,简称ARM(Acorn RISC Machine)。RISC(Reduced Instruction Set Computer),即“精简指令集计算机”,它支持的指令简单,所以功耗小、价格便宜,特别适用于移动设备。 1990年,Acorn公司改组位ARM计算机公司。苹果公司出资150万英镑,芯片厂商VLSI出资25万英镑,Acorn本身则以150万英镑的知识产权和12名工程师入股。公司的办公地点非常简陋,就在一个谷仓里面。到了20世纪90年代,ARM 32位嵌入式RISC处理器占据了全世界低功耗、低成本、高性能的嵌入式系统应用领域的领先地位。2011年,微软宣布下一版的Windows将正式支持ARM处理器。

ARM: CPU(1978)—— Acorn(1979)—— Acorn RISC Machine (1985)—— ARM(1990)—— 软银收购310亿美元(2016)—— 英伟达收购400亿美元(2020)

进入Processor IP产品中的CPUs和NPUs部分的页面,可以看到ARM的该类产品家族(Processor Family,ARM11后的产品系列):
Cortex-A: Supreme performance at optimal power
Cortex-M: Powering the most energy-efficient embedded devices
Cortex-R: Robust real-time performance
Ethos - NPUs: Highest performance for machine learning inference
Mali Graphics Processors: Higher graphics performance combined with power efficiency
Mali Camera: Advanced automotive vision system image processor
Neoverse: Scalable and flexible for cloud to edge infrastructure
SecurCore: Powerful solutions for physical security applications

2005年,ARM公司推出Cortex-M3芯片。该芯片拥有更高的处理能力,价格也比51单片机还低。
4位单片机。目前已经不常见。但是例如吉利剃须刀,家电中用的东芝4位CPU,都还有4位机的身影;
8位单片机。目前最常见,比如51系列,还有AVR、pic、飞思卡尔8位系列、NEC等公司产品,国内的有SST、STC(宏晶科技)等;
16位单片机。MSP430(德州仪器)、飞思卡尔的16位系列;
32位单片机。STM32(意法半导体)。

如果单片机过时,可能代替品:

(1)高级微处理器。比如ARM-A系列,这也是现在手机中比较常用的。ARM严格来说是一种架构,然后厂家可以使用这种架构生产自己的产品。ARM在ARM11之后分为三个系列:

A系列:面向尖端的基于虚拟内存的操作系统和用户应用,现在很多手机、智能手持设备在使用;
R系列:针对实时系统;
M系列:对微控制器也就是单片机,台湾新唐公司在出售基于m0的32位单片机,STM32是基于m3的32位单片机。

(2)DSP数字信号处理;
(3)FPGA可编程的逻辑门电路;
(4)SoC系统级芯片。
(5)PC机


台湾新唐单片机产品,分为单片机(Microcontrollers,MCUs)和微处理器(Microprocessors,MPUs)

ST合称为微处理器(Microcontrollers & Microprocessors),包括了MCU和MPU。

意法半导体(ST)集团于1987年成立,是由意大利的SGS微电子公司和法国Thomson半导体公司合并而成。
1998年5月,SGS-THOMSON Microelectronics将公司名称改为意法半导体有限公司。
意法半导体是世界最大的半导体公司之一(第五大)。





STM32F429ZIT6

STM32F103RET6
STM32F103CET6
ATMEGA64A
ATMEGA16A


STM32F429ZIT6
ST M32 F429 ZIFree
带DSP和FPU的高性能高级系列ARM Cortex-M4 MCU,具有2 MB Flash、180 MHz CPU、ART加速器、Chrom-ART加速器、TFT、带SDRAM的FMC和TFT。

封装:LQFP 144 20×20x1.4,WLCSP 143, BALLS DIE 419, P 0.4MM;

内核:Arm Cortex-M4;

WLCSP,晶圆片级芯片规模封装,Wafer Level Chip Scale Packaging,即晶圆级芯片封装方式。

电压(Supply Voltage V):1.8|3.6;电流(Supply Current μA):1.7|208;作业温度范围(Operating Temp. °C):-40|105。



APU -- Accelerated Processing Unit, 加速处理器,AMD公司推出加速图像处理芯片产品。
BPU -- Brain Processing Unit, 地平线公司主导的嵌入式处理器架构。
CPU -- Central Processing Unit 中央处理器, 目前PC core的主流产品。
DPU -- Deep learning Processing Unit, 深度学习处理器,最早由国内深鉴科技提出;另说有Dataflow Processing Unit 数据流处理器, Wave Computing 公司提出的AI架构;Data storage Processing Unit,深圳大普微的智能固态硬盘处理器。
FPU -- Floating Processing Unit 浮点计算单元,通用处理器中的浮点运算模块。
GPU -- Graphics Processing Unit, 图形处理器,采用多线程SIMD架构,为图形处理而生。
HPU -- Holographics Processing Unit 全息图像处理器, 微软出品的全息计算芯片与设备。
IPU -- Intelligence Processing Unit, Deep Mind投资的Graphcore公司出品的AI处理器产品。
MPU/MCU -- Microprocessor/Micro controller Unit, 微处理器/微控制器,一般用于低计算应用的RISC计算机体系架构产品,如ARM-M系列处理器。
NPU -- Neural Network Processing Unit,神经网络处理器,是基于神经网络算法与加速的新型处理器总称,如中科院计算所/寒武纪公司出品的diannao系列。
RPU -- Radio Processing Unit, 无线电处理器, Imagination Technologies 公司推出的集合集Wifi/蓝牙/FM/处理器为单片的处理器。
TPU -- Tensor Processing Unit 张量处理器, Google 公司推出的加速人工智能算法的专用处理器。目前一代TPU面向Inference,二代面向训练。
VPU -- Vector Processing Unit 矢量处理器,Intel收购的Movidius公司推出的图像处理与人工智能的专用芯片的加速计算核心。
WPU -- Wearable Processing Unit, 可穿戴处理器,Ineda Systems公司推出的可穿戴片上系统产品,包含GPU/MIPS CPU等IP。
XPU -- 百度与Xilinx公司在2017年Hotchips大会上发布的FPGA智能云加速,含256核。
ZPU -- Zylin Processing Unit, 由挪威Zylin 公司推出的一款32位开源处理器

PCB,Printed Circuit Board,印刷电路板,印刷线路板,印制线路板,印制板。印制线路板由绝缘底板、连接导线、装配焊接电子元件的焊盘组成,具有导电线路和绝缘底板的双重作用。印制板的品种:单面板、双面板、多层板、挠性板(FPC,Flexible PCB,柔性印刷电路板,兴森科技)。

覆铜板,覆铜箔层压板,Copper Clad Laminate,CCL,是将电子玻纤布或其他增强材料浸以树脂,一面或双面覆以铜箔并经热压而制成的一种板状材料。经过在覆铜板上进行加工、蚀刻、钻孔、镀铜等工序制成PCB。覆铜板起到:通导、绝缘、支撑的作用。中国电子材料行业协会覆铜板材料分会

玻纤布,又名玻纤土工布,按照含碱高低分为高碱布、中碱布、无碱布。含碱量越低抗折抗拉力越好。按照导电能力区分,高碱布是导体,可以当电线用,光纤材料玻璃纤维;中碱布是半导体,适用于凌镁水泥建材;无碱布是绝缘体,适用于电路线板。


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什么是MCU?单片机要过时了?
MCU和CPU的区别
TI DSP
初识STM32
世界主要MCUs厂商对比




20201021





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