IC Insights最新的研究数据显示，全球MCU市场保持着持续稳定的增长，MCU的出货量从2015年的220亿颗增长至2020年的360亿颗，市场规模也从159亿美元增长至207亿美元，2021年全球MCU市场规模将达到223亿美元。同比增长超7%，其中与物联网相关的工控、医疗和消费电子领域的贡献约为36%，可见物联网已经成了MCU市场的一个重要支点。

面对如此诱人的市场蛋糕，MCU厂商自然不敢怠慢，过去十多年间伴随着物联网行业的兴起，一直在研发满足物联网市场所需的MCU产品。

物联网MCU应该什么样？

经过多年的技术探索，目前人们对于这类MCU应该具备什么样的特征，已经了然于心了。具体来讲，打造一颗物联网所需的MCU，应该从以下几个方面进行考量：

1、足够的算力

虽然在物联网MCU的选型时，高性能的算力不是“万能的”，但是没有足够的算力则是“万万不能的”。随着物联网产品的功能日益复杂，特别是边缘计算概念的兴起，主控、通信协议、HMI……需要算力的地方越来越多，有些应用还需要有专门的内部DSP和浮点单元（FPU），再有开发者还要考虑为安全功能留有算力裕量，因此水涨船高，算力也就成了一道越来越高的“门槛”。为了获得更高的性能，除了在自身的设计和工艺上挖潜，采用最新的处理器内核，也是MCU厂家普遍的技术升级路径，所以我们看到今天越来越多的主流物联网MCU正在从以前的Arm-Cortex M0 / M0+ / M3 / M4架构转向更新的Cortex M23 / M33架构。

2、低功耗

由于相当多的物联网设备是电池供电的，因此如何降低功耗、延长电池续航时间也就成了MCU这个能耗大户需要认真面对的问题。为此，一种普遍的做法是为MCU设置多种能耗模式，对应MCU中不同功能模块的工作和休眠状态，按需切换，只让必须激活的功能电路开启，最大限度地实现节能。其次，集成和采用各类高性能和低功耗的外围电路、片上非易失性存储器等，也是降低系统能耗的好方法。再有，新的Cortex M23 / M33处理器内核，也具有更为出色的能效表现，可以为MCU实现整体的低能耗加分。

3、安全性

物联网的安全性如何强调都不过分，安全性的保障来源于物理性安全（硬件安全，例如防止黑客侵入保护数据安全）以及软件安全（用户认证、身份管理、安全网络接入等）。可以看到，越来越多的物联网MCU将硬件加密、真随机数生成、身份认证等安全功能作为自身的标配，成为一个“安全”MCU。同时，Cortex M23 / M33通过引入TrustZone的安全机制，也从底层架构对安全的和不安全的代码进行隔离，尽可能打造一个缜密的安全防线。

4、高集成度

除了处理器内核和片上存储器，物联网MCU也要考虑将越来越丰富的外设功能集成进来，包括模拟、接口、安全单元、时钟管理、定时器、电源管理等。通过集成度的提升，无论是从芯片层面还是系统层面，对于成本和小型化方面的优化都是显著的。

5、可扩展性

由于物联网市场具有“碎片化”的特性，MCU产品在设计时除了要满足当下的应用场景，还要考虑更长远的可扩展性要求，以满足不断发展的应用需求。一方面，MCU要基于一个统一的产品平台开发出丰富的硬件产品组合；另一方面，也需要在软件工具链以及整个生态系统和开发社区的营建上下功夫，以便可以为不断变化的市场需求提供针对性的系统化解决方案。

达到了上面这五方面的要求，MCU产品就算是拿到进入物联网市场的“入场券”了。但最终是否能够在这个市场中安身立命、扬名立万，还要看MCU厂商能否依托自己的实力和经验，打磨出经得住市场考验的产品。

一颗为物联网而生的MCU

Silicon Labs最新推出的EFM32PG22 32位 MCU可以说就是一款符合上述标准，“为物联网而生”的精品。这款低成本、高性能的解决方案，拥有业界领先的低功耗、性能及安全性，同时基于易于使用且高精度的模拟功能。EFM32PG22非常适合于那些尺寸受限、对低功耗运行有严苛要求的消费和工业应用。

在性能方面，EFM32PG22基于主频76.8MHz的高性能32位 Arm Cortex-M33处理器内核，自带DSP指令和浮点单元，可实现高效的信号处理，同时集成有高达512kB的闪存程序存储器和高达32kB RAM数据存储器，对于常见的物联网应用应该是游刃有余。

在低功耗方面，这一直是EFM32系列32位 MCU的强项，EFM32PG22也不例外。从图1中可以看出，EFM32PG22具有细分的五个功率模式，分别对应着不同功能模块的开启和关闭，由此开发者可以灵活地控制MCU的功率水平，最大限度地降低功耗。

• 在EM0活动模式下（38.4MHz活动模式），运行功耗为26μA/MHz；

• 在EM2深度睡眠模式下（保留8kB RAM，RTC从LFRCO中运行），电流为1.10μA；

• 在EM3深度睡眠模式下（保留8kB RAM，RTC从ULFRCO中运行），电流为0.95μA；

• 在EM4完全关断的模式下，电流仅有0.17μA。

在安全性方面，采用Arm Cortex-M33处理器内核的EFM32PG22，也同时获得了Arm TrustZone的安全特性，这与上一代的MCU相比，是安全性上的一大进步。同时，EFM32PG22可通过信任根和安全加载程序 (RTSL) 进行的安全启动，集成了硬件加密加速（适用于AES128/256、SHA-1、SHA-2（高达256位）、ECC（高达256位）、ECDSA和 ECDH）和真随机数生成器 (TRNG)功能，还支持使用锁定/解锁功能进行安全调试，与其他同一级别的MCU相比，在安全功能的配置上是相当全面了。

在集成度上，EFM32PG22的表现也不俗。在QFN40或QFN32小巧的封装中，集成了丰富的MCU外围设备，从下面这个外围资源清单中可以看出，主流物联网应用所需基本都可满足。高集成度也进一步带来了成本上的优化——批量价格可以低于1美元，这已经非常接近8位MCU的价格。

EFM32PG22外围资源

• 模数转换器 (ADC)：12位，1Msps或16位，76.9ksps

• 高达26个带有输出状态保持和异步中断功能的GPIO引脚

• 8信道DMA控制器

• 12信道外围设备反射系统 (PRS)

• 4个16位定时器/计数器(3个比较/捕获/PWM通道)

• 1个32位定时器/计数器(3个比较/捕获/PWM 通道)

• 32位实时计数器

• 24位低能耗定时器，用于波形生成

• 1个监视器定时器

• 2个通用同步/异步接收器/传输器 (UART / SPI / SmartCard (ISO 7816) /IrDA / I2S)

• 1个增强型通用异步接收器/传输器(EUART)

• 2个I2C接口，带SMBus支持

• 数字麦克风接口 (PDM)

• 单点校准后具有+/-1.5˚C精度的芯片温度传感器

在可扩展性上，EFM32PG22依托屡获殊荣的xG22平台，与同一平台的EFR32xG22无线 SoC（如BG22、MG22和FG22）保持引脚及软件兼容，使设计人员可以利用可扩展的嵌入式平台来简化产品开发，提高成本效益。凭借与xG22 SoC完全一致的外形尺寸和代码，以及应用程序共享，EFM32PG22的开发人员可以即插即用的方式升级产品来支持低功耗蓝牙（BLE）、Zigbee或专有2.4GHz无线连接。

正是由于上述这些优异的特性，EFM32PG22一经推出，Silicon Labs就将其放在了同类MCU列表中的“C位”，加以特别推荐。

高性价比的开发套件

为了让开发者能够快速探索和体验EFM32PG22这款新品，Silicon Labs还配套推出了一款基于EFM32PG22的小型化、高性价比、功能丰富的原型设计和开发套件。

该开发板中包括四种不同的环境传感器（相对湿度和温度传感器、环境光传感器、霍尔效应传感器、6轴惯性传感器），以及立体声PDM麦克风。此外，该开发板还嵌入了一个8Mb串行闪存、用户LED和按键、SEGGER J-Link板载调试器、20引脚2.54mm分支焊盘、Mini Simplicity连接器等，为调试和功能扩展提供了便利。该开发套件的推出，也进一步完善了EFM32PG22的设计生态，让开发者上手更便捷。

总之，物联网应用的不断扩展，也为MCU产品的发展提供了新赛道。一个能够在这一赛道中领跑的MCU，必须在算力、功耗、安全性、集成度、可扩展性等方面都有全面而均衡的实力。EFM32PG22就是在这场竞逐中脱颖而出的一员新秀。

作者：张国斌

1971年，当英特尔公司发明第一款4位微处理器intel 4004的时候，很多人想将其应用到小家电领域，但是，由于成本太高同时应用时还需要其他电路配合，这个设想最终被否定掉。

图1 TI的TMS 1000系列MCU

后来，TI工程师的Gary Boone和Michael Cochran发明了全球第一颗微控制器（MCU）--TMS 1000系列（上图），他们把一些外围器件如存储器、时钟以及其他一些功能集成到一颗芯片上，这就是最早的MCU，一个IC新品类诞生了！之后，日本电子厂商开始生产汽车用微控制器，包括用于车内娱乐、自动雨刷、电子锁和仪表盘的4位MCU，以及用于发动机控制的8位MCU。

后来，英特尔开发了一种针对控制应用进行优化的MCU--这款芯片最终会应用到超过10亿个PC键盘上。再后来，更多厂商进入MCU领域不断丰富MCU的外设和功能，MCU终于成为半导体IC领域的生力军。

最早的MCU采用EPROM来存储程序代码通过紫外线实现程序擦除，这样很不方便，后来，EEPROM存储器的引入使微控制器实现了快速原型开发和系统内编程，但早期EPROM成本较高难以让MCU普及。

20世纪的90年代初，挪威理工大学的两个研究生Alf-Egil Bogen和Vegard Wolla因不满于当时主流的冯·诺依曼架构在计算性能和数据处理速度方面的局限性，开拓性的基于哈佛结构发明了一套Flash存储器的RISC控制器架构，接下来的几年里， Alf和Vegard不断完善设计，成就了后来赫赫有名的AVR单片机。

图2 Alf和Vegard共同定义的AVR架构珍贵手稿

图片来源：网络

后来，Atmel认可了Alf和Vegard的MCU创新架构。1997年首款以Alf和Vegard首字母命名的基于RISC指令架构的AVR单片机1890S1200成功上市并大获成功！

AVR面世10年后的2007年，Atmel的AVR单片机年出货量已经高达3亿片，一举跃入8位MCU全球前五行列，并在2010年进入全球前三，Atmel因此获得了巨大的商业成功。其实我们回顾MCU发展历史就可以知道让Atmel大获成功的主要因素就是针对MCU应用解决了工程师开发痛点。

这是因为MCU自出生起就打上了和CPU明显不同的烙印--它是为应用而生的，有明确的应用场景，如今，50年过去了，MCU也步入了中年，经过不断演进，MCU的应用越来越广泛，功能日益复杂，但它似乎却忘掉了初心。

这个初心就是MCU是为应用而生，传统上，MCU的应用领域明确而庞大，如玩具市场、工业控制、汽车电子、白家电等，但是在物联网以及智能化浪潮来临以后，传统的MCU面临却越来越多的挑战，它必须做出改变，去适应应用需求的变化，MCU该如何与时俱进呢？

专用SoC是未来？

图3  上海泰矽微电子创始人兼CEO熊海峰

“近几年物联网爆发式的增长以及传统产品的智能化改造对MCU提出了新需求。传统MCU需要添加越来越多的外围器件才能满足这些新需求。例如传感器的普遍使用对MCU的片上运放、PGA和ADC都提出了更高的精度要求，而且要针对物联网应用定制更低功耗的架构和各类外设以实现长时间电池续航，催生了带AFE的SoC；无线应用的普及需要将无线无缝的融入应用系统，催生了Wireless SoC的产生……”上海泰矽微电子创始人兼CEO熊海峰在接受电子创新网独家专访时指出，“我们看到，越来越多的垂直领域MCU呈现专用SOC化的趋势，就是“MCU+更多特定功能”。我认为高性能专用SoC更符合物联网的应用需求。”

图4  通用MCU需要增加功能适应物联网应用

他进一步解释说，专用SoC采用多芯片融合，提升了集成度，减少客户BOM成本，另外也提高技术门槛，避开价格厮杀和竞争同质化，还有物联网垂直市场众多，且单个市场体量巨大，在产品开发方面，通过在各垂直方向系列化，可以共用基础平台，降低开发边际成本，缩短开发周期，这些策略都可以让专用SoC快速适应物联网的需求。

作为一名MCU“老兵”，熊海峰曾在Atmel工作9年，担任过亚太区MCU事业部负责人，在Atmel工作期间，他深度参与了Alf与Vegard领导下的AVR产品从战略制定、产品定义、开发到生态构建及产品商业化的全过程，可以说，他MCU充满了热爱，也同时对MCU的发展有敏锐的洞察。

图5  2019MCU国内市场对比

“在传统MCU市场，国内市场约400亿民币，但国产化率只有6%左右，高可靠性市场仍为欧美日韩品牌垄断，国内品牌集中在同质化严重的低端市场，而通用MCU的高端市场又存在切入门槛高，周期长的特点，本土公司要打破这个局面难度很大。”他指出，“而我们看到，近几年物联网市场复合增长率约28%，远超通用MCU的4%，此外，物联网应用价格敏感度高，需持续降低产品BOM，而且物联网应用主要集成通信、算法、电池和各类传感器等，基于现有MCU的方案需增加外围电路 ，而鉴于通用MCU与需求之间的鸿沟比较大，所以越来越多大客户选择定制SoC，这就是力推专用SoC的原因。” 

“当然，另外一个重要的原因和优势是目前泰矽微的核心团队来自于成建制的Atmel MCU团队，我所负责的团队中有一支专注于垂直市场应用的方案团队。在那里，我们积累了大量的各类应用方案。”他补充说。

图6图7  泰矽微获得芯师爷两项大奖

借助物联网中传感器的典型应用对通用MCU和泰矽微带AFE的专用SOC进行了比较。凭借着举例中的这款AFE的SOC，泰矽微也刚刚荣获了由芯师爷主办，慕尼黑电子展协办的“2020年度硬核中国芯”评选中获得“最佳国产MCU”和“最具潜力IC设计企业“两项大奖。以及在2020年上海进博会上获得由毕马威举办的”芯科技“新锐企业50评选中获得殊荣。

他进一步举例说明传统MCU在实现物联网系统应用的短板---芯片复杂、面积大、成本高！而如果采用泰矽微高性能专用SoC，则可以实现简单、小面积和低成本的方案！下两图是对比。

图8  通用MCU功能框图

图9  泰矽微专用AFE SoC框图

最早的物联网市场呈现碎片化的特点，单品类应用难以起量，但是现在，随着物联网市场爆发，细分的单品类应用开始起量，采用定制专SoC成为可能---所谓专用SoC就是在原先采用MCU的赛道上识别出比较大的垂直市场机会，然后用定制的方式整合原先通用MCU的功能，以及之前MCU没有的功能。

对于开发者来说，他可以继续以MCU的思路和开发专用SoC，只要把增加的部分作为外设来对待就可以。“泰矽微专用SoC将通用MCU架构与专用模拟电路、通信、电源硬件加速器等融合来满足特定应用的SoC芯片。我们这个AFE SoC方案的特色是单芯片无缝对接传感器，成本降低50%以上！”他强调，“我们的方案基于专利技术Tinywork®，在传感器应用中可实现uA级工作电流，是基于常规MCU功耗的1/5，此外我们有高精度信号链，支持24bitADC，内置低噪声运放，内置参考电压、参考电流，此外还免外部时钟源和退耦电容解决方案。”

熊海峰表示泰矽微专注于数字+高性能模拟／射频混合的专用SoC芯片市场，对标是德州仪器（TI）；Microchip等国外巨头。他已经制定了5年发展计划：

1、2020年定制打造低功耗、低成本、高可靠性的SoC芯片平台；

2、2020-2021年基于定制SoC平台开发数个专用SoC芯片

3、2021-2022打造一套通用软件框架和工具链

4、基于平台持续拓展专用SoC，内部开发+外部合作

图10 几个主要器件市场规模

“泰矽微的策略是消费电子、行业和工业并举，聚焦信号链、电源和射频三大领域，与MCU进行融合，这些领域的规模远超过MCU领域。”他指出。

据他透露，目前泰矽微精心打造的两款SoC已经流片成功，一颗集成各种信号链组件，高性能AFE SoC覆盖绝大部分传感器应用。还有一颗集成射频和无线通信协议，电表无线通信专用SoC，支持国际和国内主流标准。此外，泰矽微还在联合其他应用领域的头部厂商，开出了多个规格的产品，多个产品在开发过程中，其中不乏和头部消费类产品厂商共同定义的潜在爆款产品。目前，泰矽微已与多家行业头部厂商签署了战略合作协议或意向订单。这意味着泰矽微的专用SoC已经获得了市场的认可。

熊海峰表示泰矽微近日也开始启动A轮融资，本轮计划融资5000万人民币，用于更多专用SoC芯片研发投入，构建SoC平台级芯片公司。据悉 ，泰矽微拥有成熟的芯片研发团队、强大的渠道能力和丰富的客户资源。创始团队均来自于国际知名芯片厂商Atmel、TI、Marvell、海思等，平均积累了20多年芯片销售资源和产品研发经验，有几十次成功流片经验，也有数亿片量级芯片产品的量产和运营经验。

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