mcu的案例
安全MCU真的安全嗎？剖析了這幾家MCU大廠的產品，我算是明白了~
在嵌入式設計中實現安全功能似乎是一項艱巨的任務，專門提供安全功能的微控制器 (MCU) 因此應運而生，它們能夠在嵌入式設計之初實現安全功能。這是一件好事，因為毫無疑問，需要一種新型的嵌入式解決方案來保護物聯網 (IoT) 應用。
ABI Research的一項研究估計，去年售出的物聯網設備中不到4%具有嵌入式安全功能。同時，這家市場研究公司預測，到2020年，近25%的網絡攻擊將針對物聯網設備，從而使安全MCU成為熱門話題。
但什么是安全MCU？許多MCU聲稱提供安全功能，但仔細研究卻發現只是吹噓。本文將深入探討定義安全MCU的特征，并詳細介紹具體的特性和功能，以便于將安全MCU與僅宣稱具有保護功能的MCU區分開來。
首先，MCU供應商尋求以額外的安全保護層來補充其基于硬件的安全解決方案，從而增強對軟件漏洞和網絡攻擊的防御能力。
兩個安全MCU實例
隨著在網絡邊緣運行的端點設備的出現，人們需要安全的空中下載 (OTA) 固件更新。
展開 車規級MCU芯片介紹
第一部分：MCU是智能汽車的核心零部件
MCU廣泛應用于各行各業
微控制器（Micro-controller Unit，簡稱MCU）是指把中央處理器的規格與規格做適當縮減，并將內存、計數器、模數轉換器（A/D轉換）、異步收發傳輸器（UART）、可編程邏輯控制器（PLC）以及各種輸入輸出結構等整合在單一芯片上，形成芯片級的計算機，被廣泛地應用在消費電子、計算機和通信、工業、汽車電子、物聯網等領域。
圖1 MCU產品示意圖
常用的車用半導體芯片主要分為控制類半導體、功率類半導體和傳感器，MCU一般是用于汽車控制的核心芯片。IC Insight數據顯示，2019年車規級MCU銷售額占MCU總銷售額的39%，預計車規級MCU的需求和用量也將進一步提升。
對于智能汽車來講，車規級MCU的應用范圍將更為廣泛，無論是簡單的駕車操作，比如發動機控制、雨刷器、車窗控制、電動座椅、空調等控制單元，還是到復雜且智能的車載功能，比如車身動力、行車控制、信息娛樂、輔助駕駛等，每一個功能的實現都需要復雜的芯片組和穩定的算法作為支撐。
圖2 汽車MCU分布廣泛
MCU將是"汽車大腦"的重要組成
MCU作為汽車智能大腦，扮演核心的思考、運算、控制的功能，隨著汽車的電子電器架構向集中式演進，MCU不僅需要繼續承擔色彩信息、空間信息等高維數據的采集、轉換和傳送功能，還需要承擔智能決策控制的核心角色，隨著自動駕駛等級的逐步提高，MCU市場有望加速增長。
以自動駕駛車輛的電子控制系統為例。
展開 展望國產MCU的生態崛起
這其中集成度的提升將會是MCU發展的主旋律，我們認為這會是國產MCU彎道超車的主要著力點。集成度的提升意味著和應用的深度結合。從需求挖掘和產品定義來說，本土MCU廠商最靠近市場和真實應用，占據了絕對的優勢。
時間追溯至2020年的4月份，距上海泰矽微首次公開提出“MCU+”的發展思路已經過去整整一年的時間。一年前半導體行業因受到疫情影響尚未走出陰霾，也固然不存在缺貨現象。但產業發展的趨勢不容改變，后疫情又恰恰起到了促進作用，進一步加速了“MCU+”這一趨勢的形成。
前文中提到的眾多MCU以外的廠商介入MCU業務，大多也是基于集成的需求，比如，電源類芯片需要加協議、加快充；電池管理需要加算法；物聯網類無線通信類芯片需要加應用相關的控制和處理；存儲芯片需要集成智能化算法等等。
總之，目前看到的集中轉向MCU的現象并非當下缺貨潮所致，而是市場在需求側變化的推動下產品形態的自然演繹。這波缺貨潮終將過去，當潮水退去的那一刻，產品競爭力是取決于價格還是產品自身？
上海泰矽微設立之初就直接定位于”MCU+”的發展思路，站在應用角度，基于MCU來定義適合于各垂直市場的高性能專用MCU+／SoC芯片。在這過程中并沒有因為通用MCU暫時的缺貨和爆炒動搖過產品方向的決心。
經過一段時間的封閉開發，多個“MCU+”系列芯片逐漸從開發到流片再到工程，進入量產。產品涉及信號鏈、電源管理、電池管理、無線通信等技術領域。覆蓋消費類、工業及汽車等相關應用。
展開 “潛力股”MCU芯片的深度解析
03
MCU的分類
按用途分類
通用型：將可開發的資源（ROM、RAM、I/O、 EPROM）等全部提供給用戶。
專用型：其硬件及指令是按照某種特定用途而設計，例如錄音機機芯控制器、打印機控制器、電機控制器等。
按其基本操作處理的數據位數分類
根據總線或數據暫存器的寬度，單片機又分為1位、4位、8位、16位、32位甚至64位單片機。
8位MCU工作頻率在16~50MHz之間，強調簡單效能、低成本應用，在目前MCU市場總值仍有一定地位，而不少MCU業者也持續為8bit MCU開發頻率調節的節能設計，以因應綠色時代的產品開發需求。
16位MCU則以16位運算、16/24位尋址能力及頻率在24~100MHz為主流規格，部分16bit MCU額外提供32位加/減/乘/除的特殊指令。由于32bit MCU出現并持續降價及8bit MCU簡單耐用又便宜的低價優勢下，夾在中間的16bit MCU市場不斷被擠壓，成為出貨比例中最低的產品。
32位MCU可說是MCU市場主流，工作頻率大多在100~350MHz之間，執行效能更佳，應用類型也相當多元。但32位MCU會因為操作數與內存長度的增加，相同功能的程序代碼長度較8/16bit MCU增加30~40%，這導致內嵌OTP/FlashROM內存容量不能太小，而芯片對外腳位數量暴增，進一步局限32bit MCU的成本縮減能力。
展開 
MCU芯片國產替代之路還有多長？
▲MCU信號鏈
MCU由Intel率先提出，經過4位、8位、16位、32位乃至64位MCU迭代更新，已廣泛應用于多種場景。目前市場上以8位和32位MCU為主，未來隨著產品性能要求的不斷提高，32位MCU的市場規模將進一步擴大。而在國內，現階段8位、32位MCU企業居多，未來企業加大研發投入，將進一步實現MCU的國產替代。
目前市場的MCU以8位和32位為主。其中8位MCU憑借超低成本、設計簡單等優勢，活躍于市場，特別是中國市場。
由于32位MCU出現并持續降價及8位MCU簡單耐用又便宜的低價優勢下，夾在中間的16位MCU市場不斷被擠壓，成為出貨比例中最低的產品。
▲MCU位數及其應用場景
目前市場上主流的MCU中央處理器，包括由Intel開發MCS-51內核、由英國公司ARMHoldinds開發的ARM Cortex-M內核、由Motorola開發的6800內核、由MIPSTechnologies, Inc.開發的MIPS內核、由Atmel公司開發的AVR內核、由MicrochipTechnologies公司開發PIC內核、由加利福尼亞大學伯克利分校開發的RISC-V內核。
▲MCU常見中央處理器
據2020中國通用微控制器市場簡報：市場上MCU，32位占比54%、8位占比43%；RISC指令集的MCU占比76%，CISC指令集的MCU占比24%；通用型MCU為主，占比73%；市場上MCU內核類型以ARM Cortex、8051和RISC-V為主，分別占比52%、22%和2%。
02.
展開 八位MCU會被干掉嗎？
根據市調機構的分析數據指出，近年來盡管32位MCU異軍突起，然而8位MCU每年依然占有全球MCU市場的35％以上市占率。在知名電子產品分銷商Mouser的網站上，可供選擇的8位MCU數量幾乎可與32位MCU相比擬。可見在32位MCU當道之下，8位MCU不僅沒有銷聲匿跡，反而占有另一片天。目前包括了NXP、Microchip、ST、Silicon Labs、ADI、瑞薩、TI等半導體公司，都提供市場大量的8位MCU選擇。
8位MCU比起32位MCU，具有超過30年的領先優勢，并且在現今的嵌入式系統中依然占據主導地位，對于8位MCU來說，其控制能力比起處理能力更受到市場的關注。盡管過去仍有16位MCU，然而在8位和32位MCU的競爭下，16位MCU不論在規格、功能和優勢等方面都受到擠壓。
1 8位和32位的抉擇
在許多嵌入式設計上，8位MCU比32位擁有更容易設計的優勢，依循8位架構的軟件和硬件比起32位將更為簡易。
回顧多年前，由于價格下降加上性能提升，使得32位MCU開始受到市場關注。
展開 深度揭秘MCU芯片：汽車電子王者，缺芯潮的主角！
▲MCU結構
在MCU應用中，真實世界的各種物理量，通過傳感器轉換為電信號，經信號調理，再通過放大器進行放大，然后通過ADC把模擬信號轉化為數字信號，在MCU或CPU或DSP等處理后，再經由DAC還原為模擬信號，最后通過功率驅動器實現輸出。
▲MCU信號鏈
MCU由Intel率先提出，經過4位、8位、16位、32位乃至64位MCU迭代更新，已廣泛應用于多種場景。目前市場上以8位和32位MCU為主，未來隨著產品性能要求的不斷提高，32位MCU的市場規模將進一步擴大。而在國內，現階段8位、32位MCU企業居多，未來企業加大研發投入，將進一步實現MCU的國產替代。
目前市場的MCU以8位和32位為主。其中8位MCU憑借超低成本、設計簡單等優勢，活躍于市場，特別是中國市場。
由于32位MCU出現并持續降價及8位MCU簡單耐用又便宜的低價優勢下，夾在中間的16位MCU市場不斷被擠壓，成為出貨比例中最低的產品。
▲MCU位數及其應用場景
目前市場上主流的MCU中央處理器，包括由Intel開發MCS-51內核、由英國公司ARMHoldinds開發的ARM Cortex-M內核、由Motorola開發的6800內核、由MIPSTechnologies, Inc.開發的MIPS內核、由Atmel公司開發的AVR內核、由MicrochipTechnologies公司開發PIC內核、由加利福尼亞大學伯克利分校開發的RISC-V內核。
展開 不同電平信號的MCU之間怎么通信？
1、分析數據傳輸方向MCU1→MCU2：
圖4
1）MCU1 TX發送高電平(5V)，MCU2 RX配置為串口接收引腳，此時2N7002的S、D引腳(對應圖4中的2、3引腳)截止，2N7002里面的二極管3→2方向不通。那么MCU2 RX被VCC2上拉為3.3V。
2）MCU1 TX發送低電平(0V)，此時2N7002的S、D引腳依然截止，但是2N7002里面的二極管2→3方向通，即VCC2、R2、2N7002里的二極管、MCU1 TX組成一個回路。2N7002的2引腳被拉低，此時MCU2 RX為0V。該電路從MCU1到MCU2方向，數據傳輸，達到了電平轉換的效果。
2、分析數據傳輸方向MCU2→MCU1：
圖5
1）MCU2 TX發送高電平(3.3V)，此時Vgs(圖5中1、2引腳電壓差)電壓差約等于0，2N7002截止，2N7002里面的二極管3→2方向不通，此時MCU1 RX引腳被VCC1上拉為5V。
2）MCU2 TX發送低電平(0V)，此時Vgs(圖5中1、2引腳電壓差)電壓差約等于3.3V，2N7002導通，2N7002里面的二極管3→2方向不通，VCC1、R1、2N7002里的二極管、MCU2 TX組成一個回路。2N7002的3引腳被拉低，此時MCU1 RX為0V。
該電路從MCU2到MCU1方向，數據傳輸，達到了電平轉換的效果。
展開 關于8位MCU的十個誤解，你中了幾個？
近年來，隨著工藝與IP的逐漸成熟，32位的MCU增長迅速，風頭之勁乃至16位的MCU基本上被跳過了。現在說嵌入式MCU，要么就是8位，要么就是32位，16位的MCU產品型號屈指可數。
那么8位的MCU的情形又如何，很多嵌入式工程師都有一些誤解，下面來簡單分析下。
誤解 1
8位MCU正在被淘汰
這是最常見的誤解。先說事實，根據最新的Gartner的市場報告，8位的市場營收額和增長額跟32位的相比都僅僅差幾個百分點。
考慮到8位的單個芯片比32位芯片要便宜很多的事實，8位的出貨量其實遠高于32位的。
打個直觀的比方，現在我們有了高鐵，是不是所有傳統的普快、特快火車都要立即淘汰呢？
顯然事實并非如此，至于原因就太多了。現實情況就是8位MCU曾經的應用領域并不能立即用32位的MCU直接替代。
誤解 2
8位MCU缺乏創新
不少人會認為既然現在市場的寵兒是32位的MCU，廠商們是不是都沒有投入研發資源在8位產品上了。這么想的人可能一想到8位的MCU，腦海中會浮現40DIP的“經典8051”的形象。
事實上芯片廠商們并沒有停止創新。比如CIP-51內核因為采用了一個時鐘周期等同于一個指令周期的設計，瞬間將同頻率的8051性能提高了12倍。
展開 現在的MCU就是MPU嗎？不再有區別了嗎？
MPU將支持豐富的OS，如Linux和相關的軟件堆棧，而MCU通常將專注于裸機和RTOS。在決定哪種硬件平臺、MCU或MPU最有效之前，由軟件開發人員決定哪個軟件環境和生態系統最適合他們的應用。
“隨著現在MCU已經過渡到32位，我們還看到了性能的急劇提高，這有助于縮小MCU和MPU之間的差距。例如：許多基于Arm Cortex-M7的MCU可提供100多個Dhrystone MIPS，或在CoreMark中提供2,000多個點。這些設備中的許多設備還具有非常大的內置存儲器，或者提供快速接口來連接外部存儲器。這確保了性能和內存不再是MCU的瓶頸，并使它們更接近低端MPU。”
小結
如今MPU與MCU之間是否有明確的界限真的重要嗎？可能不重要了。因為無論我們將其稱之為什么，應用程序都有附帶要求，這些要求將決定使用哪個設備。
展開 需求大還缺貨，國產MCU為何仍受投資界“冷落”？
微控制器（MCU），國人更喜歡稱為單片機，是今天電子產品的心臟，被廣泛地應用到消費和工業電子產品中。小到體溫計、無線充電器和智能手環，大到數控機床、機器人和汽車，都有MCU的身影。目前，MCU行業產值已經達到數百億美元。隨著物聯網和新能源汽車的高速發展，未來MCU的市場需求將有爆炸性的增長，前景看好。
市場需求持續擴大
2017年MCU市場十分活躍，市場增長很快，尤其是消費電子市場。據市場研究機構IHS數據，2017年中國MCU出貨量達到46億美元，同比增加17.6%。據意法半導體（ST）在STM32峰會上的報道，ST有61%的收入來自亞太區，通用MCU的收入超4成來自亞太區。從2007年STM32問世到至今，ST MCU在中國年復合增長率為27%。
另外一個方面，2017年下半年，MCU嚴重缺貨，幾家MCU大廠紛紛將供貨周期調至14—16周，8位MCU的供貨周期還要更長。導致嚴重缺貨的原因有多個方面：比如8位MCU缺貨是因為MCU企業將這部分產能轉移到高利潤的產品和應用上，還有中低端MCU生產的原材料短缺。市場研究機構預測，這種缺貨情況將持續到2018年。
國產MCU亟待多端突破
最近業內有資深人士在互聯網上發表一篇題為“MCU市場研究報告”的文章，文章列出了國內現有的40余家MCU企業，其中，就有大家熟悉的兆易創新、中穎電子、華大半導體、靈動微電子和東軟載波（原海爾集成電路）等等。除此之外，還有一些很少被聽說的企業，而一些從事MCU業務的企業并不在這個名單中。報告透露，接近半數企業獲得了ARM Cortex-M內核的授權，也就是說，這些企業具備開發和生產當今市場主流MCU的能力。
40余家企業中，并沒有多少主營MCU的上市公司。目前，能夠看到的有兆易創新、中穎電子和東軟載波三家。
展開 
智能MCU漸成主流
根據上述的場景，我們認為需要執行本地機器學習推理計算的MCU主要會運行在如下場景中：
-智能生產，需要快速反應且重視數據的安全性，如根據聲音識別機器故障等；
-小型機器人，沒有人會希望機器人一旦斷網就無法工作，如無人機，掃地機器人等；
-智能家電，如智能空調根據人的位置智能送風等；
-智能可穿戴設備，如根據人體的生理信號給出相應提示等。
隨著上述在終端部署執行機器學習推理計算的需求，一些原來只負責執行基本程序的MCU也必須要有能力能跑動機器學習推理計算。這對于MCU的挑戰在于算力，因為在這一波人工智能的浪潮中，訓練好的模型所需要的計算量通常是數十萬次計算到數億次計算不等，如果需要實時執行這些運算則MCU需要的算力將會比原來的MCU強幾個數量級。
另外，智能MCU對功耗和實時性也有很高要求，這就需要MCU設計能有相應改變。目前，MCU正處于8位更新換代到32位的過程中，我們預計在32位MCU的基礎上，智能化會成為下一個MCU的演進方向。
智能化技術路徑一：整合加速器IP
目前MCU領域，ARM占據了領導者的地位，其IP占據了大量的市場份額。對于智能化MCU的興起，ARM自然也不會袖手旁觀，而是起到了推動者的作用，幫助MCU實現智能化。
ARM的Cortex系列架構占據著32位MCU的主導位置，所以ARM推進智能MCU的方法需要兼顧其Cortex架構，不能為了推智能化MCU結果把自己的命給革了。
展開 關注 | 八位MCU為何能堅挺三十年？
由于ADC需要多次擷取累積平均，開發者大多數還是會用16 bit來存放擷取資料，一般的MCU ADC有效位數（effective number of bits；ENOB）介于9.5~10.5 bit，國外大廠的ADC有效范圍也許高些。所以假設開發者舍棄最后兩個最低有效位（Least Significant Bit；LSB），以10 bit資料來作處理。16 bit的資料范圍還是可以讓ADC累加運算有相當大的累加空間。除非是使用高精度的delta sigma ADC，否則鮮少應用需要用到32 bit來處理ADC運算。
觀察2020年MCU市場規模，32bit MCU占了55%，8 bit MCU市占率仍有43%，可見得32bit/8bit的選擇不屬于「是非題」，還是要視應用端而定。一般來說，控制型或大量需要位元（bit）運算的應用仍然會選擇8bit MCU，而32bit數值運算與DSP/floating需求的應用，才會選擇32bit MCU（如掃地機器人與四軸無人機）。
此外，8bit MCU有些架構上的特點，如可較節省程式空間與降低中斷延遲，以下表列出8 bit MCU的幾項優勢，并搭配國外進行的實驗，從中比較可看出8 bit MCU 在某些運行效能較32 bit MCU來得更有優勢。
現今的消費型應用日益復雜，PCBA也隨著元件增加而造成更多的雜訊產生，例如有線傳輸就有可能遇到雜訊的干擾而出錯，為此采取在MCU當中加上硬件CRC，以確保傳輸資料的正確性。
觀察8 bit MCU能夠在市場上歷久不衰，其最大的原因是在某些應用方面有不可取代性。
展開 MCU的內存如何影響區域和域控架構
內存需求的變化
首先，與傳統分布式架構中使用的MCU相比，域和區域架構需要提供更高計算能力的 MCU。當前域架構中需要主頻為400MHz的多核實時MCU。符合這種條件的MCU有的具有多達6個Arm Cortex-R52 內核或者Tricore內核，其中多達 4 個內核以鎖步配置運行，以執行實時錯誤檢查。
盡管 MCU 內核和工作頻率是系統架構師常用的參考規格，但非易失性存儲器 (NVM) 也對整體系統性能和成本產生重大影響。盡管如此，NVM的規格是最容易被忽視的。例如，兩個具有相同內核和工作頻率的 MCU 在計算性能、功耗以及可靠性方面可能會因其使用的NVM類型和讀寫速度而存在顯著差異。NVM類型和NVM讀寫速度也會影響 MCU 的固件升級能力。
新架構中的NVM限制
通常在計算系統中，NVM用于存儲代碼和數據。大多數通用 MCU使用的是Flash，其類型通常是浮柵或某種CT(charge-trap) NOR Flash。這些NVM中的大多數的讀寫速度都非常慢，甚至支持的最大頻率低于20 MHz。
對于 400MHz的CPU搭配25MHz的NVM，內存需要大約 15 個等待狀態。因此，即使 CPU 以 400 MHz 運行，在 CPU 執行指令之前，需要 15 個周期才能從內存中獲取指令。MCU 使用緩存來最小化這些等待狀態，但是緩存也是通過一套算法來預測下一條執行的指令，當預測失效時，還是需要臨時從內存中獲取，這種等待還是在所難免。
雖然隨著技術的創新，NOR Flash的讀寫速度有明顯提高，在技術工藝上，當前普遍是40nm，也有一些28nm，但是由于在非常復雜的high-k金屬柵極前端技術中集成這些存儲單元的困難，成本顯著增加。
展開 資訊 | 傳又一家國產MCU企業奔赴IPO?
對此，盤點了其中5家已公布2020年營收數據的國產MCU企業，請見下表。
不難看出，就5家已公布2020年營收數據的國產MCU企業來看，2020年MCU行業景氣度高漲，企業營收漲勢喜人。
