雖然不論是PC、手機，還是數(shù)字電視，人們關(guān)注的往往是其核心處理器，例如Intel、AMD的中央處理器（CPU），TI的MPU微處理器OMAP等。但是，若以出貨量看，微控制器（Micro Controller Unit，MCU）才是市場上無所不在的控制核心，單單是8051架構(gòu)的8位MCU，全球一年的出貨量就可達33億顆。

微控制器是一種用途相當廣泛的嵌入式控制芯片，俗稱單片機。MCU可以說是最早的系統(tǒng)芯片（SoC），它將CPU、RAM、ROM、定時計數(shù)器、多種I/O接口和外圍電路整合在單一芯片上。除了在PC中以CPU為核心外，一般非PC的嵌入式系統(tǒng)往往依賴MCU對顯示器、鍵盤、傳感器等外圍設(shè)備進行控制。

美國半導體產(chǎn)業(yè)協(xié)會（SIA）預估，MCU市場2007年將達151億美元。由于市場大，應用廣泛，任何廠商只要能推出具市場基礎(chǔ)的產(chǎn)品，就有機會贏得一席之地。目前，MCU主要業(yè)者有Freescale、Microchip、Intel、NEC、NS、Renesas、ST、Atmel、NXP、Infineon、Cypress、EPSON、MAXIM/Dallas、Zilog、Silicon Labs，以及臺灣的凌陽科技（Sunplus）、義隆電子（ELAN）、盛群半導體（HOLTEK）、華邦電子（Winbond）等。

目前，市場上使用的MCU主要有8位、16位、32位，以及強化擴充型產(chǎn)品DSC等。其中，8位MCU仍會強勢持續(xù)，且同時持續(xù)用設(shè)計彈性與價格來爭取應用設(shè)計者從4位換用8位；32位MCU已經(jīng)形成了以ARM為主的MCU/MPU陣容，并有不少芯片業(yè)者實行ARM架構(gòu)，在開發(fā)工具、范例程序、協(xié)力業(yè)者等各項支持、資源方面都達穩(wěn)定。16位MCU由于缺乏如8051、ARM一樣的明顯主流架構(gòu)，另一方面在價格、效能上都難以凸顯其價值，對設(shè)計者而言，價格取向的控制應用會偏好實行8位MCU，而效能取向的應用則會傾向32位MCU/MPU，加上16位還有MPU、DSP、DSC等選擇，市場不容樂觀。

1、8位MCU及其革新

8位MCU應用最廣泛，是所有MCU廠商市場爭奪的焦點。除了傳統(tǒng)的8051外，常見的8位MCU架構(gòu)有Atmel的AVR系列，Infineon的XC800族系與C500/C800族系，Microchip的PIC10/12/16/18系列，F(xiàn)reescale的68HC05/08/11系列，NS的COP8系列，Renesas的740族系，ST的uPSD/ST5/ST6/ST7/ST9系列，以及Zilog的Z8、eZ80等。

在單芯片中，以8051最為經(jīng)典，20年來至今未有衰退的跡象。然而，今日的8051 MCU已經(jīng)與過去的8051大不相同，雖然主軸架構(gòu)大致維持（如腳位排列兼容、指令集兼容等），但隨著半導體工藝的進步，許多業(yè)者都運用自己的技術(shù)為8051兼容芯片進行更多的強化，如此的強化不僅在外圍I/O層面，也包括核心的處理器、內(nèi)存層面。

（1）運作頻率提高   

8051剛推出時的標準運作頻率為12MHz，若有使用內(nèi)建的UART外圍功能則需改用11.059MHz。不過，更先進的半導體制程大幅加速了8051兼容MCU的運作頻率，例如Atmel的多款8051兼容MCU都有16/24/33/40MHz的頻率，其中最高更達60MHz，是過往的5倍速率。

另外，Intel也有高速型的MCS 51（即8051），頻率可達33MHz，或者鼓勵替換成MCS 251（即80251，更早前還有80151），MCS 251能兼容執(zhí)行8051程序指令，且比標準8051快上5倍，若能夠以80251的新指令改寫則快15倍。

（2）機器周期的縮短

標準8051是以每12個頻率周期（Clock Cycle）為1個機器周期（Machine Cycle），且8051所有的機制運作皆以1個機器周期作為基礎(chǔ)循環(huán)，多數(shù)的8051指令會在1或2個機器周期內(nèi)執(zhí)行完畢，少數(shù)會用及3個機器周期。同樣的，“每12個頻率周期為1個機器周期”是80年代的設(shè)計，今日的邏輯技術(shù)早已能超越此規(guī)限，例如NXP的8051兼容芯片LPC700族系將機器周期縮成6個頻率周期，這意味著在相同運作頻率下能夠比傳統(tǒng)標準8051快一倍。目前，多數(shù)8051相容MCU的頻率早已突破12MHz，如此兩種加速方式產(chǎn)生加乘效益，效能變成倍速提升。

（3）指令時間的縮短

除了提升頻率、縮短每機器周期的頻率數(shù)之外，業(yè)者也從“縮短指令執(zhí)行的時間”著手，將原本要耗用2個機器周期的指令縮短成1個，或?qū)?個機器周期縮短成2個，甚至于1個，最理想是將8051的111個指令在1個機器周期內(nèi)完成。也因為縮短了指令的執(zhí)行時間，使以前以簡單整數(shù)倍換算的加乘加速效益不再完全適用，進而以“百萬次指令（MIPS）”作為補充，有時會搭配運作頻率一起表示，如5 MIPS @ 40MHz，或如40 MIPS @ 80MHz。

（4）增加內(nèi)存資源

傳統(tǒng)8051的程序內(nèi)存（Program Memory，泛指ROM）有4KB，而傳統(tǒng)8052（8051推出后的強化版）則有8KB。另外數(shù)據(jù)存儲器（Data Memory，泛指RAM）方面8051有128B，而8052一樣加倍到256B�？梢�，無論是4KB或8KB，也無論是128B或256B，容量都是相當有限的，因此業(yè)者積極強化8051的數(shù)據(jù)存儲器資源。首先是Intel提出了具有Expanded RAM的8xC51RA/RB/RC，RA具有8KB程序內(nèi)存，RB有16KB，RC則是32KB，比過去擴增了2~4倍容量，同時三者都有512B的數(shù)據(jù)存儲器，也比過去再增一倍。接著是Atmel，Atmel的AT83C51RD2、TS83C51RD2等在程序內(nèi)存上達8051尋址的滿檔極限64KB，并具有1024B的數(shù)據(jù)存儲器，此外也有多款8051兼容MCU在數(shù)據(jù)存儲器上大幅擴充，如AT89C51AC2可至1280B （1KB＋256B），AT89C51ED2可至2048B，AT89C51AC3更可至2304B（2KB＋256B）。SiLabs的C8051F12x在ROM部分達到128KB，RAM達到8448B（8KB＋256B），其它如NXP、Winbond的兼容8051 MCU也有所擴增。

（5）內(nèi)建EEPROM

標準8051本身并沒有內(nèi)建EEPROM，但由于大多數(shù)的控制應用都需要儲存一些組態(tài)數(shù)據(jù)，且在斷電后仍要持留。如果只是少許的組態(tài)數(shù)據(jù)還可以用指撥關(guān)開（DIP Switch）解決，但數(shù)據(jù)多時就需要用上EEPROM。所以，8051經(jīng)常會再以外連方式來擴增EEPROM的儲存資源，如此不僅要耗占8051的GPIO接腳，而且也要編寫額外程序才能與EEPROM進行存取、操控。既然8051（或說8位MCU）的控制應用會經(jīng)常用到EEPROM，也因此有業(yè)者改采內(nèi)建方式提供，不僅內(nèi)建，甚至也讓存取更加方便，只要運用一般的8051指令即可擦寫EEPROM，并且在寫入完成后發(fā)出中斷通知，讓控制程序師省去不少心力。至于ROM內(nèi)存的本質(zhì)方面，過去標準8051用的是Mask ROM（8051）或EPROM（8751），如今Mask ROM依舊存在，但愈來愈多應用是改采OTP ROM（只可燒寫一次的EPROM），以求取量產(chǎn)成本及修改彈性的均衡，此外也用Flash Memory（此時當稱Flash ROM）的8951取代EPROM的8751，并追加在線燒錄（In-System Programming；ISP）機制，如此不僅設(shè)計開發(fā)時更加方便，且應用產(chǎn)品出貨后仍可修補、更新程序，尤其ISP可讓產(chǎn)品不需后送搬運，而是在應用現(xiàn)場直接更新。

2、16位MCU

雖然16位MCU的生存空間正受到8位MCU和32位MCU的不斷擠壓。但16位MCU仍有其存在的空間，尤其是結(jié)合DSP與MCU功能的數(shù)字信號控制器（Digital Signal Controller, DSC），特別適合需要兼顧高性能和實時功能的工業(yè)應用，包括電機控制、向量驅(qū)動器和逆變器、功率轉(zhuǎn)換器、定位系統(tǒng)、電梯控制器、工廠自動化、斷路器、電動汽車等應用。

16位MCU產(chǎn)品主要有Infineon的XC166族系與C166族系，TI的MSP430系列，F(xiàn)reescale的68HC12系列、68HCS12系列，Microchip的PIC24系列，NXP的XA系列，NS的CompactRISC（簡稱CR16）系列與CP3000族系，MAXIM的MAXQ系列，Renesas的H8系列，Intel的80251系列、8096/80196/80296系列、ST的ST9/ST10/Super10系列等。

3、32位MCU

根據(jù)Gartner Dataquest公司統(tǒng)計，在過去10年間，32位MCU在整個MCU市場的營業(yè)額從零開始增加到了近25％，目前增長率高于8位或16位系統(tǒng)。應用方面，32位MCU具有充沛運算力及硬件資源，應用層面與類型特別多，小至PDA、PMP，大至電信機房的交換機、晶圓廠的制程設(shè)備都有運用，此外醫(yī)療儀器、軍用設(shè)施也都有使用。

32位MCU、MPU幾乎沒有什么區(qū)別了，凡是面向嵌入式應用的32位 MPU/CPU多能算是32位MCU。因此，即便只論32位MCU/MPU的架構(gòu)選擇都相當多樣，例如以桌上型運算延伸的x86（IA-32）、POWER/PowerPC、MIPS、SPARC，加上SuperH（簡稱SH）、i960、ARM等有6、7種架構(gòu)，在此還未算業(yè)者的筑專有架構(gòu)，如FR族系（Fujitsu）、TriCore族系（Infineon）等。

以Freescale為例，針對32位市場共推出了ColdFire、PowerPC和ARM等產(chǎn)品系列，主攻不同的應用領(lǐng)域。ColdFire系列定位于低功耗的應用，很適合MP3等便攜式設(shè)備；PowerPC則是高速的MCU，可提供100MIPS以上的運算速度，適合網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的應用，或汽車的高級功能，如點火或視聽娛樂等。此外，ARM核心的32位產(chǎn)品又可滿足普遍性的應用需求。ARM的RISC核心已成為32位市場的產(chǎn)業(yè)標準之一。估計在32位嵌入式RISC MCU的市場中，ARM就占了四分之三的市場。

NEC在高端的32位MCU市場中，已經(jīng)完全是Flash制程。ALL Flash代表的是一項領(lǐng)導技術(shù)，其價格幾乎與MASK制程一樣，對客戶來說，等于是用低成本買高質(zhì)量的產(chǎn)品，尤其是NEC的0.15µm制程，不僅更省電，也降低成本、加快速度，這些優(yōu)勢使NEC在MCU市場上如魚得水。

4、強化擴充型MCU

（1）數(shù)字信號控制器（Digital Signal Controller，DSC）

由于純MCU架構(gòu)不易勝任部分控制運算（如視頻編碼譯碼、無線信號收發(fā)等），但為此而將原有熟悉的MCU完全棄舍，并改用DSP或更高層次的芯片方案，則必須付出更多的研發(fā)精力及成本，這樣一來，將MCU與DSP共混的執(zhí)行架構(gòu)便成了DSC。DSC是一種新趨，目前原有的MCU、DSP重量級業(yè)者都推出了DSC，如Microchip的dsPIC系列，TI的TMS320系列，F(xiàn)reescale的56800/56800E，ST的Super10等。

（2）MPU＋DSP

DSC是MCU＋DSP，那么也就可以有MPU＋DSP，而且也已盛行多年，最知名的莫過于TI的OMAP（Open Multimedia Application Platform）平臺與ADI的Blackfin處理器。OMAP是將TI原有擅長的DSP與ARM架構(gòu)的MPU進行結(jié)合，而Blackfin也是ADI與Intel合作，將Intel專精的MPU與ADI拿手的DSP加以融合。類似的，Intel的PXA800F以XScale為MPU核心，但又加了Wireless MMX的SIMD技術(shù)及MSA（Micro Signal Architecture）的DSP核心，也屬MPU＋DSP的一種，其它如Infineon的S-GOLDlite使用ARM926核心，但也內(nèi)嵌ParthusCeva的TEAKlite。只是PXA800F與S-GOLDlite等都幾乎依賴于多媒體手機應用，而不是通用。但是，多媒體手機的全球需量極高，在幾乎不需顧慮量產(chǎn)回收規(guī)模的情況下，為滿足效能及質(zhì)量而特別打造MPU＋DSP架構(gòu)仍然值得。