作者:丰宁
MCU,全称为微控制器单元,是一种集成度极高的芯片,广泛应用于各种电子设备中。
MCU芯片的架构主要包括三个部分:CPU、存储器和外围功能电路。其中,CPU是MCU芯片的核心部分,负责执行指令和处理数据。
存储器用于存储程序和数据;外围功能电路是MCU芯片中除CPU和存储器之外的其他电路部分,主要包括数字I/O接口、内部电路等,主要功能包括与外部设备进行交互等。MCU有8位、16位和32位可供选择。其中8位、32位MCU应用最为广泛,16位则处于二者之间,目前只有部分经典产品拥有存量空间。
01、8位、32位MCU,有哪些区别?
在处理能力上,8 位 MCU 一次处理 8 位数据,运算速度较慢且寻址空间小;32 位 MCU 一次处理 32 位数据,速度快、寻址空间大。
在存储容量中,8 位 MCU 的程序存储器和数据存储器容量都较小,而 32 位 MCU 则拥有更大的存储容量,可满足复杂程序运行需求。
在应用场景中,8 位 MCU 适用于简单控制场景。比如家电产品中的遥控器、微波炉、电风扇等功能相对单一的小型家电,以及一些简单的工业控制设备,如小型传感器、执行器的控制器等。32 位 MCU 则主要用于高端消费电子产品、汽车电子、工业自动化和医疗设备等复杂场景。
在指令集和编程复杂度方面,8 位 MCU 指令集简单,编程相对繁琐;32 位 MCU 指令集丰富复杂,编程相对灵活但要求开发者具备更高技能。
在成本上,8 位 MCU 芯片本身成本和开发成本通常较低;32 位 MCU 成本相对较高,但开发效率可能更高。
综上所述,8位MCU和32位MCU的选择应该根据具体应用场景来决定。如果需要高性能、大存储容量和高运算能力,那么32位MCU是更好的选择;如果应用场景要求不高,那么8位MCU可以是更经济的选择。
不过,如今随着物联网、汽车电子等应用的迅猛发展,下游市场对 32 位 MCU 的需求持续提升。比如:汽车电子已成为MCU的最大应用领域之一,汽车向智能化、电动化、网联化发展,对 MCU 需求增长迅猛。一辆传统汽车约需 70 个 MCU,智能汽车至少需 300 个,且新能源汽车和自动驾驶技术兴起,对高性能、高可靠性的 32 位 MCU 需求更高,如动力系统、辅助驾驶等功能控制需 32 位 MCU。此外,32 位 MCU 的制造成本也在不断下探,因此为提高竞争力和市场份额,众多厂商加大了对 32 位 MCU 的研发和生产投入。
02、32位MCU的具体应用
MCU技术广泛应用于各个领域之中,以下是其中几个典型的应用场景:
在消费电子领域,32 位 MCU 可用于智能手机、平板电脑、笔记本电脑等产品的电源管理、触摸控制、传感器数据处理等,有助于提高设备的性能和续航能力,比如优化手机的电量消耗,使其在同等电量下使用时间更长。
在智能家居领域,32位MCU可为智能家居网关、智能插座、智能门锁、智能窗帘等设备,实现设备之间的通信、联动控制以及远程监控。例如,通过手机 APP 远程控制家中灯光的开关与亮度调节,或者根据设定的场景模式自动控制窗帘的开合。
在汽车电子领域,32位MCU在车身控制系统中,用于控制车窗、雨刮器、车灯、车门锁等车身部件的工作;在动力系统中,实现对发动机的喷油、点火、气门控制以及变速器的换挡逻辑控制等;在安全系统中,可应用于安全气囊控制、制动系统(如 ABS、ESP 等)、胎压监测系统等;在车载娱乐系统,负责音频、视频播放,导航系统的运行以及与外部设备(如手机)的连接和交互;在辅助驾驶系统中,32 位 MCU 负责收集并处理来自各种传感器(如摄像头、雷达等)的实时数据,通过先进的算法进行数据分析和决策,为车辆提供精确的辅助驾驶控制,从而显著提升驾驶的安全性和便利性。
在工业控制领域,32位MCU可在自动化生产线中用于 PLC(可编程逻辑控制器)、工业机器人、数控机床等设备,实现对生产过程的精确控制、逻辑运算和运动控制;在电机驱动与控制中,广泛应用于各类电机的驱动和调速控制,如工业电机、伺服电机、步进电机等,实现对电机的位置、速度、转矩等参数的精确控制;在仪器仪表中,实现对信号的采集、处理和分析。
在通信领域,32 位 MCU 在基站设备中用于控制和管理基站的各种功能模块,如射频模块、基带处理模块等,实现信号的收发、处理和传输;在路由器、交换机、防火墙等网络设备中,负责设备的配置管理、数据转发控制、网络安全等功能,确保网络的稳定运行和数据传输的安全性。
在医疗健康领域,32 位 MCU 负责监护仪、心电图机、血糖仪、血压计等医疗设备的数据采集、处理和分析;还有助于便携式医疗设备的小型化、低功耗设计等。
03、这些厂商,推出一系列优质产品
在当今的半导体领域,国产 32 位 MCU正逐渐崭露头角,展现出强大的发展潜力和竞争力。如今,在这一领域中,已经涌现出多款产品,它们具备与ST(意法半导体)的热门产品相抗衡的实力,为国内电子产业的发展注入了新的活力。
兆易创新GD32F103
兆易创新的GD32MCU作为中国最大的Arm MCU家族,已成功推出中国首个基于ArmCortex-M3、Cortex-M4、Cortex-M23、Cortex-M33及Cortex-M7内核的通用MCU产品系列,并在全球范围内率先推出RISC-V内核通用32位MCU产品系列,已成为32位通用MCU市场的首选品牌。GD32F103作为GD系列的早期产品,其在多个方面展现出强大的实力,使其能够有效替代意法半导体的同类产品。
首先,从性能方面来看,GD32F103 拥有出色的处理能力。它采用高性能的 32 位 ARM Cortex-M3 内核,主频可达较高水平,能够快速响应各种指令和处理复杂的任务。与 ST 的同类产品相比,在运算速度上毫不逊色,无论是在智能家居设备中的实时控制,还是在工业自动化领域的高速数据处理,GD32F103 都能稳定高效地完成工作。例如,在智能家居的智能照明系统中,GD32F103 可以迅速处理来自光照传感器、人体红外传感器等的信号,实现根据环境光线和人员活动自动调节灯光亮度和颜色,为用户提供舒适的照明环境。
在工业控制的小型自动化设备中,它能够精确控制电机的转速和位置,确保设备的高精度操作,提高生产效率和产品质量。其次,在功能丰富度上,GD32F103 也表现突出。它具备丰富的外设接口,如多个通用定时器、ADC(模数转换器)、DAC(数模转换器)、SPI(串行外设接口)、I2C(集成电路总线)等。这些接口使得 GD32F103 能够方便地与各种外部设备进行连接和通信,满足不同应用场景的需求。例如,在智能家电的控制板中,GD32F103 可以通过 SPI 接口与显示屏进行通信,实时显示家电的运行状态和参数;通过 I2C 接口连接温度传感器,实现对家电内部温度的监测和控制。与 ST 的产品相比,GD32F103 的外设资源更加丰富灵活,为开发者提供了更多的选择和可能性。
再者,在可靠性方面,兆易创新对 GD32F103 进行了严格的质量控制。它具备较高的抗干扰能力,能够在复杂的电磁环境下稳定工作。在汽车电子领域,GD32F103 可以应用于车身控制系统,如车窗控制、雨刮控制等模块。它能够抵抗汽车电气系统中的各种干扰源,确保控制信号的准确传输和执行,提高汽车的安全性和可靠性。
同时,GD32F103 还具有良好的温度适应范围,能够在较宽的温度范围内正常工作,满足各种不同环境条件下的应用需求。此外,在开发支持方面,兆易创新为 GD32F103 提供了完善的开发工具和软件库。开发者可以使用官方提供的开发环境,轻松进行程序开发、调试和下载。同时,丰富的软件库和示例代码也为开发者节省了大量的开发时间和精力,提高了开发效率。
与 ST 的开发工具相比,GD32F103 的开发环境更加简洁易用,且不断更新和完善,为开发者提供更好的开发体验。据悉,云米的扫拖机器人3C系列就使用了兆易创新的GD32F103VCT6系列主控MCU。科沃斯DG710则和云米一样采用了兆易创新GD32F103VxT6系列。
华大半导体HC32F460
华大半导体面向家电、工业、汽车、物联网等领域,专注于核心智能控制芯片的设计,为客户提供通用控制MCU、电机控制MCU、汽车电子MCU、超低功耗MCU四大产品线。其中, HC32F460 具有多方面优势,在一些应用场景下可以替代ST的相关产品。HC32F460系列是华大半导体第一颗高性能ARM Cortex-M4F内核通用MCU, 全温域下主频可达 200MHz,具备较高的处理能力,可快速处理数据和任务。
内置 512KB EFlash 和 192KB SRAM,有 2 个 12-bit 2.0Msps ADC 单元、3 个高速 COMP、1 个 PGA,具备丰富的 timer 资源,高效 cache 和 prefetch 保证 CPU 0-wait 执行,能满足复杂运算和控制需求。
HC32F460还具有丰富的通信接口,支持 4 路 U(S)ART、4 路 SPI、1 路 QSPI、1 路 CAN2.0B、1 个 USB2.0 等通信外设,且所有串口通信端口可自由映射。这种丰富的接口配置使其能够灵活地与各种外部设备进行通信,适应不同的应用场景和系统架构需求,具有业界领先的抗 ESD、抗 latchup、低 EMI、5V 耐压 I/O 等性能。
此外,HC32F460还具备多种低功耗模式、高性能模拟特性、灵活的引脚功能、全面的数据安全机制等。在工业控制领域,HC32F460可用于空调外机双电机控制、变频器、伺服驱动、PLC、工业伺服编码器、步进电机驱动等;在消费电子领域,HC32F460可广泛应用于无人机云台、指纹模块以及众多量大且杂的大众市场,如智能家电(智能空调、智能洗衣机、智能冰箱、智能厨电、智能清洁电器等)。在汽车电子领域,HC32F460系列已有多款车规级 MCU 通过 AEC-Q100 品质认证,已实现汽车前装市场批量商用,可应用于车身控制、汽车电源与电机、汽车照明和智能座舱等场景。此外,HC32F460还可以在医疗设备等领域得到应用。作为国产芯片,在成本上可能具有一定优势,这对于追求高性价比的应用场景来说是一个重要的考虑因素。相比ST的产品,HC32F460 能够在满足性能和功能需求的前提下,为客户提供更具竞争力的价格,帮助客户降低产品成本,提高市场竞争力。在某些特定的应用场景中,ST的产品可能具有其独特的优势,而 HC32F460 则在其他方面表现出色。
除了上述几款产品,雅特力的AT32F403A/F407/ F413/ F415/F421系列,也可批量替换STM32的F030、F303、F103、F107、F072、F401和F411等系列,其产品硬件引脚与STM32 P2P兼容,软件高度兼容,由于内核、SRAM、外设等性能相比STM32大幅度提升,AT32可一颗取代多颗STM32,另外还独有安全性&二次开发功能: security Lib,更宽的工作温度:-40~105度。
中科芯的32位MCU产品可批量替换STM32的F103、F030、F031和F051等系列。基于ARM架构覆盖Cortex-M0、M3、M4内核八大系列产品,硬件引脚与STM32 P2P兼容,软件采用寄存器级兼容设计,对于已经使用ST系列MCU开发完成的程序,HEX文件可直接烧录到中科芯对应型号的MCU中即可运行。
中微半导体的高性能低功耗高集成全领域的MCU,可批量替换STM32F030/031系列、STM32G030/031系列和STM32L031/051系列。
极海半导体的通用MCU APM32系列是基于ARM Cortex M3系列 CPU 设计出的拥有自主设计的 32 位 CPU 的产品。APM32F030、APM32F103、APM32F072可直接替换STM32对应型号。