从Intel最早的4位4004开始算，MCU现在已经50岁了，以数据位宽来区分，4位，8位，16位，32位，还有最新的64位MCU，成千上万种MCU工作在不同的应用场景，哪怕是古老的4位 MCU仍然在包括儿童玩具、体重秤在内的市场上有一席之地。
MPU是更为强劲的MCU
如果从性能的角度来看，当今高性能的MCU产品已经远远超过了20多年的CPU，很多SoC可以承担运行操作系统这样的重任。同时，在一些并不需要如此高性能的场合，比如电动剃须刀、电动牙刷这样的应用场景中，并不需要一个能够运行操作系统的MCU。因此很多厂商为了区分高性能处理应用的场景，推出了MPU（Micro Processor Unit）这样的概念，从名称上与传统MCU区分开。
意法半导体是这样解释MPU的：由于 STM32微处理器（MPU）及其结合了Arm® Cortex®-A 和 Cortex®-M内核的异构架构带来的额外优势，嵌入式系统工程师获得了新的设计可能性和访问开源Linux和Android平台的途径。这种 灵活的架构允许将先进的数字和模拟外设分配到任意一个核心，同时根据处理和实时执行需求实现 最佳功率效率。
“如今的MCU具有足够强大的计算能力时，加上附加的各种高速外部存储，比如DDR内存，让它看起来其实更像一颗处理器，其实如果用20年前的标准来衡量，这就是一颗CPU。”一位业内人士表示。
所以MPU并非一个严格意义的定义，不同厂商对MPU的定位也不同。而随着MCU在性能制造工艺上的进步，MCU与MPU之间的界限也逐渐模糊起来。
32位 MCU占据统治地位
根据统计机构的数据，2020年，在市场上占据主导地位的MCU是32位的产品，占据了超过5成的市场，而令人称奇的是，8位MCU仍然持有4成左右的市场份额，目前Microchip在8位MCU市场占据了主导地位。剩下的16位和4位 MCU则只有各位数市场份额，并且正被8位MCU或者32位MCU取代。
除了数据位宽，另一项区分MCU的规格就是指令集，主要分为CISC指令集和RISC指令集两打大类，其中RISC指令集的MCU占比超过四分之三。在RISC指令集产品中，目前ARM的RISC指令集MCU占据了绝对优势市场地位。
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指令集名称 |
类型架构及所有者 |
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ARM |
RISC指令集，常见有Cortex “A”，“R“，“M”，ARM公司所有 |
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MIPS |
RISC指令集，现为Imagination公司所有 |
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RISC-V |
源于加州伯克利分校2010年的RISC指令集项目，现由RISC-V基金会推广 |
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8051 |
CISC指令集，来自Intel的MCS-51，仍然被广泛使用 |
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PIC |
CISC指令集，哈佛架构，由Microchip公司开发提供 |
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AVR |
CISC指令集，来自Atmel，现为Microchip所有 |
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6800 |
CISC指令集，来自Motorola |
如今MCU的平均价格已经跌至1美元以下，这大幅降低了包括物联网、人工智能、可穿戴式设备的准入门槛。廉价的MCU和简单易用性能的强大的开发工具，为不同门槛的准入者提供了实现创新的机会。尽管平均单价正在下降，但是整个MCU市场营收却保持了快速增长，市场营收预计在2023年近190亿美元。
这其中超过8成的市场份额被前十大供应商垄断，包括Microchip，STMicroelectronics，NXP，Renesas，TI、Infineon，Toshiba，Silicon Labs等公司。
总体来看，汽车仍然占据MCU市场的最大份额，加上工业/医疗市场，这三部分加起来接近6成，消费和计算约占了3成。因产能紧张出现的车市缺芯，其中很大一部分也是因为缺少了MCU而影响到了产能。
制造方面，除了自有工厂的IDM公司，目前台积电占据接近6成的市场份额。智能穿戴以及TWS无线耳机的需求正在不断抢食其他产品的产能。
32位MCU因其兼具控制，信号，以及一定逻辑处理能力，同时在功耗方面的不错表现，成为物联网市场的首选，整个物联网、穿戴式MCU的市场增长快过了平均值，根据IC Insights数据，目前32位MCU占据了物联网市场75%以上的份额，随着边缘计算，机器学习，AI技术的引入，在物联网领域中的MCU是排名靠前的供应商们争夺的一个重点领域。
根據 Arm 最新統計，Arm 的矽晶圓合作夥伴在 2020 年的最後一個季度，共出貨史上最高的 73 億片 Arm 架構晶片（年增 22%），相當於每秒出貨超過 900 片晶片、或每日 7,000 萬片晶片。總計 Arm 的合作夥伴在 2020 年出貨量高達 250 億片 Arm 架構的晶片（年增 13%），累計總數已超過 1,900 億。
ARM架构的统治地位依然稳固，但是也并非没有竞争者，比如近几年的热点RISC-V，下面我们就简单梳理一下这两个RISC架构。
Arm，A，R，M系列从高性能到基本控制全覆盖
为了便于客户选择产品，在ARM11系列之后，ARM将核心统一以Cortex命名，分别用A，R，M来区隔不同性能和应用场景的MCU产品。
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系列名称 |
已发布型号（性能从高至低） |
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A系列 |
Cortex-A （X2，710，510， 77，76，76AE，75，73，72，65AE，65，57，55，53，35，34，32，17，15，9，7） 其中AE表示汽车用 |
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R系列 |
Cortex-R (52+，52，8，7，5，4)，其中R52+和52均为针对包含ECU控制在内的车用实时系统，采用ARMv8指令集，有别于前代ARMv7指令集 |
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M系列 |
Cortex-M （55，35P，33，23，7，4，3，1，0+，0）这系列更接近传统MCU |
Arm 推出 Cortex-A、Cortex-R 與 Cortex-M 系列的 CPU，就是針對市場應用不同做出的規劃。Cortex-A 系列以運行複雜系統為主，可以執行 Linux 等 Rich OS。Cortex-R系列主要针对实时系统应用，性能并不低，与Cortex-A系列最大的差异在于内存管理单元部分，Cortex-A使用MMU（memorymanagement unit），Cortex-R使用MPU（memoryprotection unit），Cortex-A内存管理单元提供虚拟内存支持，而Cortex-R只能运作在内存保护模式。Cortex-M 則多為嵌入式應用為主，他的面積小、功耗非常低，適合做為 MCU 的主要 CPU。
2021年3月，ARM正式推出了最新的ISA架构--Armv9。这是继2011年发布Armv8架构之后，ARM ISA一次重大的升级。
ARM 首席执行官 Simon Segars 表示：“当我们展望由人工智能定义的未来时，我们必须奠定一个领先的计算基础，为应对未来的独特挑战做好准备。armv9 就是答案，它将会成为下个 3000 亿台 ARM 芯片的最前沿，其驱动力是建立在通用计算的经济性、设计自由度和可获得性基础上的普遍的专业化、安全和强大的处理需求”。
全新 Armv9 架构主要有三项侧重点：AI、矢量， DSP 性能改进，安全性。
Arm与富士通合作开发了可伸缩矢量扩展（Scalable Vector Extension, SVE）技术，并在此基础上开发了SVE2，在更广泛的应用中实现增强的机器学习和数字信号处理能力，以便应对无处不在的AI需求。
安全性方面，Armv9架构路线图引入了Arm机密计算架构（Confidential Compute Architecture, CCA）。机密计算通过打造基于硬件的安全运行环境来执行计算，保护部分代码和数据，免于被存取或修改，甚至不受特权软件的影响。
Armv9架构系列 图片来源:arm.com
Arm Cortex-A710 是首款基于与 Cortex-A78 相比，能效提升 30% ，性能提升 10%。Arm Cortex-A510 是 Arm 过去四年来推出的首款高效率小核，其性能提升 35%，机器学习性能提升超过三倍。它所带来的性能水平已经接近几年前推出的上一代大核，适用于智能手机、家用设备和可穿戴设备。
使用ARMv9架构的最初产品将于2022年面世。
RISC-V—plan B
简约是复杂的最终形式。------ Leonardo da Vinci
RISC-V，由美国加州大学伯克利分校电子工程和计算机科学系的计算机科学分支创建，最初是一个为了支持计算机体系结构研究和教育目的而设计的新型指令集架构。现在正在成为很多公司的“Plan B“。
关键人物David Patterson：
RISC-V 基金会董事会副主席 David Patterson
David Patterson 在UC Berkeley担任计算机科学教授 40 年后于 2016 年退休，随后加入 Google 担任杰出工程师（distinguished engineer，Google 的职位）。他还担任了 RISC-V 基金会董事会副主席。过去，他曾被任命为伯克利计算机科学部（Computer Science Division）主席，并当选为计算机研究协会（Computing ResearchAssociation）主席和计算机协会（ACM，Association for Computing Machinery）主席。在 20 世纪80 年代，他领导了四代精简指令集计算机（RISC，Reduced Instruction Set Computer）项目，伯克利最新的 RISC 因此得名“RISC Five”。他和 Andrew Waterman 都是 RISCV 四位架构师中的一员。
RISC-V（“RISC five”）的目标是成为一个通用的指令集架构（ISA），他的特别之处不仅在于诞生于最近10年，而目前市场上的ISA架构（比如X86架构）大都诞生于上世纪70到80年代，同时它还是一个开源的指令集架构，由RISC-V基金会维护推广。
RISC-V标识，图片来源:riscv.org
RISC-V的设计初衷，致力于简化日趋冗长的指令集系统。以x86为例，1978年x86诞生之初只有80条指令，而2015年增长到了1338条指令，这种超长超多指令集可以在特定计算应用中发挥效力，但仍然在某些情况下损失大量处理器周期。
“RISC-V提供的是菜单，而不是一顿应有尽有的自助餐。主厨只需要烹饪顾客需要的东西（而不是每次都做出一顿盛宴），顾客只需要按他们的订单付费。RISC-V无需仅仅为了市场吸引力而添加指令。RISC-V基金会会决定什么时候在菜单里添加新的选项，而他们只会出于技术原因这样做，而且要在由软硬件专家组成的委员会进行专门的公开讨论以后才会添加。即使那些新选择出现在了菜单上，它们仍是可选的”------引自《RISC-V手册》，作者David Patterosn，Andrew Waterman。
目前的RISC-V架构的基础指令集（ISA）只有40多条，加上模块化的扩展指令几十条，与1978年诞生的x86相仿，兼顾效率和灵活性。
risc-v白金会员 图片来源：riscv.org
包括Google，huawei，ZTE，Western Digital在内的14家公司是RISC-V基金会的白金会员。同时，诸如IBM、Cadence，CEVA，Samsung，Xilinx，以及MCU供应商Lattice、Microchip、ST意法也是RISC-V基金会成员，此外还有明尼苏达大学，东京大学在内的一批学术机构也在致力于RISC-V的研究。
而受中美两国贸易摩擦的影响，有了华为被“卡脖子“的惨痛教训，RISC-V在中国变得备受追捧。
中国的学界和企业界对RISC-V敞开了大门，中国工程院院士倪光南公开表示，要想在芯片领域不再受制于人，发展RISC-V开源芯片架构是个很好的机会，中国希望把RISC-V扶植到能与ARM、X86架构并立的位置上。企业方面，无论是华为、阿里巴巴、全志科技、易兆创新都在全力投入RISC-V相关产品的研发。制造出了黄山处理器（华米），香山处理器（中科院，采用台积电28nm工艺，下一代产品采用中芯国际14nm技术），兆易创新GD32VF103，乐鑫科技ESP32-C3 MCU，全志科技D1应用处理器的，此外还有，深圳中微、泰凌、中科昊芯等公司推出一系列产品。
根据RISC-V基金会公布的数据，2020年，RISC-V的会员数量猛涨133%，其中大量来自中国的新老半导体公司，总体会员数量达到了1500个。到2025年，RISC-V IP和工具市场将会成长到10.7亿美元，目前正在研发或者已经出厂的SoC数量达到了94个，整个市场年复合增长率达到54.1%
从生态系统层面来说，RISC-V现在还无法与ARM正面抗衡，对很多大企业来说RISC-V架构就像“Plan B“，是现有MCU内核技术的另一个选项，有些正在静静地等待他的成熟，而对中国来说，RISC-V，可能就是未来的”Plan A“。
北京君正发布的最新AIoT，视频处理SoC，T40，图片来源 : ingenic.com.cn
小结：
如今的MCU不仅集成了CPU、片上存储、各种I/O接口，伴随新市场新技术的发展，更是将AI、ML（Machine Learning）、安全加密等功能增加进来。MCU在工业、医疗、计算、汽车、消费等领域发挥着巨大作用，不断改变人们的生活。无处不在的MCU，其实说明了智能化技术的演进无处不在。
参考资料：《RISC-V手册》，作者David Patterosn，Andrew Waterman
