微控制器（MCU）正在變得越來(lái)越復(fù)雜，越來(lái)越強(qiáng)大，因而越來(lái)越有用。但是這些進(jìn)步都是都代價(jià)的。

開發(fā)帶高級(jí)電源管理功能的多核MCU硬件并不太難，由于存儲(chǔ)器的限制，開發(fā)出適合多核MCU的軟件則難得多。CPU系統(tǒng)可以用SRAM片上存儲(chǔ)器，或者外部的DRAM。不過(guò)對(duì)MCU系統(tǒng)而言，所有的存儲(chǔ)器都在片上。所以CPU系統(tǒng)可以跑大型的Linux或Windows操作系統(tǒng)，MCU則只能跑相對(duì)簡(jiǎn)單的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

“以視頻市場(chǎng)為例，你可以開發(fā)基于MCU的應(yīng)用，也可以開發(fā)基于CPU的應(yīng)用，甚至可以開發(fā)兩種系統(tǒng)都能跑的應(yīng)用，”Cadence IP事業(yè)部CTO Chris Rowen說(shuō)，“使用MCU的視頻分辨率更低，不論是CPU方案還是MCU方案，多樣化的視頻接口都會(huì)讓設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。用CPU系統(tǒng)開發(fā)要求相對(duì)沒(méi)那么嚴(yán)，例如你可以把整個(gè)緩沖區(qū)（buffer）寫滿，在MCU就不太可能這么干。用MCU開發(fā)，數(shù)據(jù)的交換更需要技巧，所以產(chǎn)生故障（bug）的可能性也增加了?！?/p>

更難的是利用MCU來(lái)分擔(dān)CPU的負(fù)擔(dān)，例如作為協(xié)處理器去加速某種計(jì)算，或者作為低功耗應(yīng)用時(shí)的備用處理器。

“考驗(yàn)MCU的程序員的問(wèn)題是如何滿足處理速度的要求，” Rowen說(shuō)，“自動(dòng)車庫(kù)門開啟或者關(guān)閉花費(fèi)幾百毫秒都可以接受，但要滿足高速數(shù)據(jù)流的處理需求，則須采用并行處理。所以當(dāng)把MCU設(shè)計(jì)成另一個(gè)次級(jí)計(jì)算引擎（sub-engine）時(shí)，你需要處理器有能力進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，這就要求編程風(fēng)格非常嚴(yán)謹(jǐn)。在高速數(shù)據(jù)處理場(chǎng)景下使用MCU，非常非常難?！?/p>

雖然有諸多困擾，MCU的應(yīng)用場(chǎng)景不斷拓展，使用方法也屢屢突破常規(guī)，如今在復(fù)雜的系統(tǒng)及芯片（SoC）中內(nèi)建MCU已經(jīng)很常見。在SoC這種復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景中，MCU的功能一般都只做特定的任務(wù)，例如喚醒CPU，但無(wú)論從設(shè)計(jì)、驗(yàn)證還是一致性的角度來(lái)看，在SoC中讓多個(gè)MCU協(xié)同工作都非常難。

“在同一顆SoC中集成Cortex A（CPU）與Cortex M（MCU）的趨勢(shì)呈現(xiàn)加速狀態(tài)，”Mentor Graphics嵌入式產(chǎn)品高級(jí)產(chǎn)品線經(jīng)理Andrew Caples說(shuō)，“以高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）這個(gè)嵌入式應(yīng)用最精華的代表為例，可以用多個(gè)處理單元--微控制器（MCU）、微處理器（MPU）、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）--來(lái)實(shí)現(xiàn)ADAS，SoC意味著更低的故障率、更低的成本以及更低的散熱需求，但增加了軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。開發(fā)人員要在SoC集成的MCU、MPU與DSP上開發(fā)多個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，并在這一顆芯片上開發(fā)和調(diào)試。這就需要開發(fā)人員的方案能夠適應(yīng)不同的平臺(tái)（MCU、MPU、DSP），這給半導(dǎo)體公司增加了很多壓力，為了幫助客戶真正利用起SoC中的所有器件，它們需要提供給開發(fā)者足夠的庫(kù)文件和解決方案參考?！?/p>

Caples表示只要多核SoC的應(yīng)用有操作系統(tǒng)，就一定會(huì)遇到一堆同步問(wèn)題，因?yàn)椴煌酥g靠等待來(lái)協(xié)同工作?！拔覀冋跒檫@個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)工具，”他說(shuō)，“對(duì)于硬件工程師來(lái)說(shuō)，過(guò)去這些年摩爾定律一直很有效，硬件的性能在提升，成本在下降。但是軟件開發(fā)卻是另外一回事，隨著系統(tǒng)復(fù)雜度越來(lái)越高，軟件開發(fā)的成本不斷攀升，而且現(xiàn)在看不到任何可以改善的跡象?！?/p>

歡迎來(lái)到MCU時(shí)代

雖然存在上述挑戰(zhàn)，但隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，物與物之間的通信越來(lái)越多，因此開發(fā)人員希望MCU在復(fù)雜系統(tǒng)中發(fā)揮越來(lái)越重要的的作用。相比CPU，M的功耗更低，價(jià)格也更便宜。一方面，8位MCU在一些簡(jiǎn)單任務(wù)處理中仍然不可或缺；另一方面，32位甚至64位多核MCU已能應(yīng)對(duì)很多復(fù)雜應(yīng)用。所有這些MCU都可以與CPU或GPU集成在同一顆SoC里面，這樣CPU或GPU可以在多數(shù)時(shí)間里面處于休眠狀態(tài)。

“MCU越來(lái)越復(fù)雜，”ARM建模技術(shù)總監(jiān) Bill Neifert說(shuō)，“引入32位微控制器以后，人們開始問(wèn)可以用這些MCU做什么?！?/p>

MCU當(dāng)然不只用在汽車的安全領(lǐng)域，從工業(yè)設(shè)備到智能拖鞋這種消費(fèi)類產(chǎn)品都可以用到MCU。以監(jiān)控人是否滑倒的智能拖鞋為例，低成本、低功耗的嵌入式處理器（MCU）就非常適合，因?yàn)槠淇梢詾槟撤N應(yīng)用定制。

“每個(gè)人都想要最有效的解決方案，定制化的MCU在成本和功耗上都優(yōu)于通用產(chǎn)品，”Neifert說(shuō)，“特別是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，很多都是電池供電，因此對(duì)與功耗非常敏感。用戶希望能找到專用產(chǎn)品幫助他們快速開發(fā)，尤其是消費(fèi)電子領(lǐng)域的客戶。定制化MCU也需要建模，但復(fù)雜度比CPU或GPU低多了。”

復(fù)雜度是相對(duì)的。“我們打算用64位的MCU開發(fā)真正智能的設(shè)備，”Vista Ventures 經(jīng)營(yíng)合伙人 Jim Hogan說(shuō)，“但這些MCU的代碼堆棧相當(dāng)有限?！?/p>

在這種趨勢(shì)下，MCU也開始介入到計(jì)算當(dāng)中--特別是物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用?！安皇莻鹘y(tǒng)的計(jì)算，” ARM 物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)副總裁Zach Shelby說(shuō)，“在MEMS應(yīng)用中，利用32位和64位MCU來(lái)計(jì)算已經(jīng)很常見。關(guān)鍵在于我們?nèi)绾螌④浖O(shè)計(jì)成大量重復(fù)任務(wù)的類型。FPGA不適合低功耗應(yīng)用，如果在一顆混合芯片芯片上實(shí)現(xiàn)視頻檢測(cè)算法，就必須用到微控制器，不過(guò)MCU還是用來(lái)完成不斷重復(fù)的任務(wù)?！?/p>

MCU的片上存儲(chǔ)容量較少，常常為MCU與CPU或者其他MCU協(xié)調(diào)工作帶來(lái)麻煩。特別是在視頻流媒體處理與圖像識(shí)別應(yīng)用方面，越來(lái)越多的數(shù)據(jù)處理是系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要解決的大問(wèn)題。從系統(tǒng)上層來(lái)看，有兩種方法可以解決這一問(wèn)題，第一種方法是采用更快的處理器更多的存儲(chǔ)容量，第二種方法是采用更多的處理器以提高處理效率。雖然每個(gè)處理單元的速度比較慢，但多個(gè)處理單元合作可以將數(shù)據(jù)處理任務(wù)在限定時(shí)間內(nèi)完成， 當(dāng)處理任務(wù)繁忙時(shí)，這些MCU也可以進(jìn)入空閑狀態(tài)。

“人們需要這種靈活性，因?yàn)槟銜?huì)有很多的異質(zhì)應(yīng)用（heterogeneous application）要處理，你又不愿意采用同質(zhì)模型（homogenous model，CPU或者GPU這種所擅長(zhǎng)的計(jì)算方式）來(lái)實(shí)現(xiàn)，”NetSpeed Systems CEO與聯(lián)合創(chuàng)始人Sundari Mitra說(shuō)，“微控制器的優(yōu)點(diǎn)是其有一套可編程的微代碼引擎（microcode engine），用戶可以根據(jù)應(yīng)用環(huán)境選擇合適的架構(gòu)，因此比處理器硬核靈活性更高。微處理器可以給用戶一些靈活性--雖然不太多，但畢竟多了些靈活性。這讓用戶在架構(gòu)方面具備了更多的靈活性。CPU在浮點(diǎn)計(jì)算方面更具優(yōu)勢(shì)，GPU在視頻處理方面更具優(yōu)勢(shì)，MCU則處于兩者之間。MCU可用于可穿戴等物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備，也可用于汽車引擎的控制。MCU的架構(gòu)要有足夠的靈活性和自適性，以適應(yīng)不同的應(yīng)用。如果開發(fā)人員清楚應(yīng)用的工作流程，并對(duì)此進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，使用MCU能為你的計(jì)算引擎帶來(lái)一些多樣性。”

定義MCU

通常來(lái)說(shuō)，MCU是CPU與GPU的瘦身版，計(jì)算能力相對(duì)弱，跑的時(shí)鐘速度也比較低。在存儲(chǔ)架構(gòu)上MCU與CPU和GPU的區(qū)別更明顯，特別是8位與16位MCU，通常只有片上存儲(chǔ)。因?yàn)槌杀镜?、功耗更低，所以很受歡迎。但高級(jí)的32位MCU與低端CPU的區(qū)別已經(jīng)不明顯，64位多核MCU的出現(xiàn)更讓人困惑。

“從大的方面來(lái)說(shuō)，根據(jù)工作負(fù)荷的不同，CPU通常會(huì)為單線程或多線程性能優(yōu)化，”Mitra說(shuō)，“如果考慮實(shí)時(shí)性的要求--物聯(lián)網(wǎng)中有很多實(shí)時(shí)性應(yīng)用--系統(tǒng)需要做出實(shí)時(shí)響應(yīng)，CPU通常不會(huì)對(duì)實(shí)時(shí)性任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化。假設(shè)有這樣一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，CPU需要監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境狀況，當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)做出相應(yīng)的決策，這時(shí)不大可能用CPU來(lái)反復(fù)的檢測(cè)某一點(diǎn)，這就是MCU的用武之地。那么使用MCU到底有什么不同呢？CPU與GPU都很容易理解，但MCU不是這樣。應(yīng)用MCU要面臨可用信息更少、設(shè)計(jì)參數(shù)常常變更的狀況，所以開發(fā)人員要適應(yīng)?！?/p>

同樣，由于MCU應(yīng)用的多樣性，很難清楚的定義MCU的市場(chǎng)，也不容易用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)來(lái)預(yù)測(cè)MCU市場(chǎng)的走勢(shì)。在2016年5月份的報(bào)告中，Brisk Insights預(yù)測(cè)，到2022年MCU市場(chǎng)將保持15.8%的年復(fù)合增長(zhǎng)率，Brisk Insights認(rèn)為在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的推動(dòng)下，32位MCU將是增長(zhǎng)最快的市場(chǎng)。Databeans的數(shù)據(jù)則比Brisk Insights保守很多，其預(yù)測(cè)年復(fù)合增長(zhǎng)率為6%，MCU市場(chǎng)最大的推手是工業(yè)需求。

Gartner則給出了MCU 領(lǐng)域的排名前列的廠商，它們是瑞薩、恩智浦（NXP）、意法半導(dǎo)體、Microchip、德州儀器和英飛凌。

但MCU不斷出現(xiàn)在新的應(yīng)用場(chǎng)景中，這使得MCU的市場(chǎng)越來(lái)碎片化，以致難以追蹤。

“每種非常復(fù)雜的芯片，幾乎都包含了MCU，” Arteris 市場(chǎng)副總裁Kurt Shuler說(shuō)道，“在汽車?yán)锩?，到處可以見到?dú)立工作的MCU，大型芯片往往也有MCU在后臺(tái)運(yùn)行，MCU在無(wú)線數(shù)字基帶應(yīng)用中也很廣泛。”

使用MCU的設(shè)備通常將程序優(yōu)化以提高電源效率，現(xiàn)在開發(fā)人員仍在通過(guò)延長(zhǎng)喚醒時(shí)間等方式來(lái)進(jìn)一步降低功耗。開發(fā)人員所面臨的挑戰(zhàn)更多不是來(lái)自于MCU硬件能力方面，而在于如何在系統(tǒng)中更高的發(fā)揮這些硬件能力。

結(jié)論

MCU產(chǎn)業(yè)正在大步前進(jìn)，雖然MCU的定義在改變，但方向是明確的。在未來(lái)幾年，物聯(lián)網(wǎng)的大發(fā)展將使很多終端設(shè)備將接到網(wǎng)絡(luò)，甚至直接與其他的處理器進(jìn)行通信，MCU將在這些設(shè)備中大放異彩。

MCU的潛力到底有多大，仍有很多值得討論的空間。Mentor的Caples表示，將MCU中的某些功能應(yīng)用起來(lái)，可能需要一名軟件工程師一年的時(shí)間?！皼](méi)有人有時(shí)間這樣做?！敝辽佻F(xiàn)在沒(méi)有人這樣嘗試。