1.1.1 單片機發展史簡述

單片機中的“位”是衡量單片機及其內核技術性能的一個重要指標。“位”是指“字長”，即單片機內CPU每次處理的二進制數的位數，有4位、8位、16位、32位及64位等。

位數越多，數據有效數越多，精確度越高，運算誤差越小。在運算速度一樣的情況下，位數越多，處理速度越快。

下面將以“位”為脈絡，梳理單片機的發展史，從時間維度簡述單片機技術的飛速發展進程。

一、單片機起源與早期發展（4位單片機時代）

1971年，英特爾公司的特德·霍夫在與日本商業通信公司合作研制臺式計算機時，將原始方案的十幾個芯片壓縮成了3個集成電路芯片，其中的兩個芯片分別用于存儲程序和數據，另一個芯片集成了運算器和控制器及一些寄存器，這就是4位微處理器Intel 4004，它的出現標志著第一代微處理器問世。

二、8位單片機時代

1972年，霍夫等人研制出首個8位微處理器Intel 8008。由于Intel 8008采用的是P溝道金屬氧化物半導體（Metal-Oxide-Semiconductor，MOS）微處理器，因此它仍屬于第一代微處理器。

1973年，霍夫等人研制出8位微處理器Intel 8080，以N溝道MOS電路取代了P溝道MOS電路，第二代微處理器就此誕生。Intel 8080芯片主頻為2MHz，運算速度比Intel 8008快10倍，可存取64KB存儲器，使用了基于6μm技術的6000個晶體管，處理速度為0.64MIPS。

1975年，德州儀器公司首次推出4位單片機TMS-1000，標志著單片機正式誕生。隨后，各家半導體設計公司競相推出自己的4位單片機，如美國國家半導體公司的COP4XX系列、日本電氣公司的PD75XX系列、日本東芝公司的TMP47XXX系列等。

1976年，英特爾公司研制出了MCS-48系列8位單片機，這是現代單片機的雛形，通常稱其為第一代單片機。它首次將處理器與內存集成到一塊芯片中，該系列芯片迅速成為行業標準，1984年，英特爾公司將其作為產品代表在美國國家歷史博物館中進行展覽。

20世紀70年代后期，許多半導體公司看到單片機的巨大市場前景，不斷加入該領域的研發。1978年，摩托羅拉公司推出M6800系列單片機，齊洛格公司推出Z80系列單片機；1979年，日本電氣公司推出μPD78XX系列。

1980年，MCS-51系列8位單片機問世，這是由英特爾公司在MCS-48系列單片機的基礎上研發成功的。MCS-51系列是完全按照嵌入式應用而設計的單片機，與MCS-48系列相比性能有明顯提升，在片內增加了串行I/O接口、16位定時器/計數器，片內ROM和RAM的存儲容量都相應增大，尋址范圍可達64KB，片內ROM容量為4～8KB，并且有多級中斷處理功能。

MCS-51系列是偉大的、劃時代的產品。該系列單片機因其性能可靠、簡單實用、性價比高而深受歡迎，代表產品有8031、8051、80C51系列等。

20世紀80年代中后期，英特爾公司集中精力在CPU的研發上，逐漸放棄了單片機的生產，故以專利或技術交換的形式把80C51內核技術轉讓給其他集成電路廠商，如飛利浦、日本電氣、Atmel、亞德諾、華邦等。這些公司在保持與80C51單片機兼容的基礎上，進行了一些功能擴充。這樣，80C51就變成受眾多廠商支持、有上百個品種的大家族。一般習慣把兼容機等衍生產品統稱為80C51系列，這是單片機應用的主流產品，功能和市場競爭力強，直到現在仍在廣泛使用。

從此，單片機開始迅速發展，應用領域不斷擴大，成為微型計算機的重要分支。

三、16位單片機崛起

1983年，英特爾公司推出了高性能的16位MCS-96系列單片機，采用當時最新的制造工藝，芯片集成度高達12萬只晶體管/片。它同樣具有劃時代意義。它的各項性能都有所提高，然而因其性價比不理想而未得到廣泛的應用，只能算中間產品。

與8位單片機相比，16位單片機具有更大的數據寬度、更高的主頻、更高的集成度、更多的RAM和ROM，以及更多的中斷源和模數轉換通道。這些特點使得16位單片機能夠更好地滿足更復雜的控制系統的需求。

隨著技術的發展，世界各大半導體公司相繼開發了功能更為強大的16位單片機，進一步推動了16位單片機的普及和應用。例如，Microchip公司發布的PIC系列單片機以其精簡指令集和低功耗等特點吸引了大量用戶，進一步推動了16位單片機的市場應用。

四、32位單片機時代的到來

1990年，英特爾公司推出了80960超級32位計算機，引起了計算機界的轟動，成為單片機發展史上的又一重要里程碑。在同時期，摩托羅拉以及早被收購的齊洛格公司也研發出了頗具影響力的單片機。

五、單片機內核百花齊放的時代

隨著集成電路技術的發展，單片機在集成度、功能、速度、可靠性、應用領域等各個方面向更高的水平發展。MCU內核除了前文介紹過的80C51外，還出現了AVR、MIPS、自研內核等，以及對當下影響重大的ARM Cortex-M內核、RISC-V內核。

1997年，Atmel公司研發出增強型內置FLASH存儲器的高速8位單片機，簡稱AVR。AVR具有創新的系統架構、更高的集成度，同時采用Atmel自有的FLASH存儲器工藝，在性能和功耗上相較于之前的馮·諾依曼架構產品均有較好表現。該類型單片機電路簡單、故障率低、可靠性高、成本低。

與此同時，各家廠商積極開發自有架構及內核，成立于2003年的瑞薩電子公司采用自有的瑞薩內核，此外還有飛思卡爾公司的HC05/HC08系列、摩托羅拉公司的MC68HC系列、德州儀器公司的MSP430系列等。

2002年，MIPS公司推出了M4K內核，這是一款專為MCU和小尺寸嵌入式控制器設計的高性能綜合性處理器內核。Microchip公司的32位PIC系列MCU產品部分使用了M4K內核。

2004年開始，ARM公司推出一系列32位Cortex-M內核，意法半導體公司率先成功使用，32位單片機迅速取代了16位單片機，占據主流市場地位。

2010年，開源指令集RISC-V項目始于加州大學伯克利分校。

六、ARM內核單片機的出現，造就32位單片機的崛起

隨著ARM公司推出的ARM內核單片機在市場上取得的巨大成功，32位單片機迅速取代了16位單片機。ARM內核單片機具有高性能、低功耗、低成本等特點，因此在許多領域得到了廣泛應用。在智能家居、智能汽車等領域，ARM內核單片機成為控制核心。

由于ARM內核單片機是從ARM內核發展出來的一個分支，所以，下面先介紹ARM內核的發展史，再介紹ARM內核單片機的發展史。

（1）ARM內核的發展史。

ARM是Advanced RISC Machines的縮寫。ARM架構是一個32位精簡指令集（Reduced Instruction Set Computer，RISC）處理器架構，其廣泛地應用于嵌入式系統設計。

1985年，ARMv1架構誕生，該版架構只在原型機ARM1上出現過，且只有26位的尋址空間（即64MB），沒有用于商業產品。1986年，ARMv2架構誕生，開始商用；此后，ARM公司一直推陳出新，ARMv3、ARMv4、ARMv5、ARMv6相繼誕生。

2004年，ARMv7架構誕生，從這時開始，ARM以Cortex來重新命名處理器，Cortex-M3/4/7、Cortex-R4/5/6/7、Cortex-A8/9/5/7/15/17都基于該架構。

2007年，在ARMv6基礎上衍生出了ARMv6-M架構，該架構專門為低成本、高性能設備而設計，向由8位設備占主導地位的市場提供32位功能強大的解決方案。Cortex-M0/1/0+即采用該架構。

2011年，ARMv8架構誕生，Cortex-A32/35/53/57/72/73采用的是該架構，這是ARM公司首款支持64位指令集的處理器架構。

2015年，在ARMv6-M基礎上衍生出了ARMv8-M baseline，在ARMv7-M基礎上衍生出了ARMv8-M mainline，Cortex-M23采用的是ARMv8-M baseline架構，Cortex-M33采用的是ARMv8-M mainline架構。這兩款處理器加入了TrustZone支持，面向物聯網（Internet of Things，IoT）市場。

（2）ARM內核單片機的發展史。

2004年，ARM公司推出了Cortex-M3內核。但是飛利浦等半導體廠商認為ARM7處理器賣得很好，所以并沒有多少動力基于Cortex-M3內核開發新產品。而ARM公司眼看開發出的Cortex-M系列內核無人問津，干脆自己投資成立了Luminary Micro（流明諾瑞）。

2006年3月，流明諾瑞率先推出了第一款基于ARM Cortex-M3處理器的Stellaris LM3S系列MCU。但是因為采用的是新內核，熟悉Cortex-M3的工程師比較少，所以當時反響寥寥。

隨著時間的推移，其他半導體廠商也加入了開發Cortex-M3處理器的行列。

2007年6月，意法半導體公司同樣推出基于該內核的STM32 F1系列MCU，才使該內核大放光芒。

2009年3月，恩智浦半導體公司率先推出了第一款基于ARM Cortex-M0處理器的LPC1100系列MCU。

2021年開始，武漢芯源半導體有限公司在總結前人積累的經驗的基礎上，推出了一系列基于ARM Cortex-M0+內核的CW32單片機。CW32芯片具有后發者優勢，生態完善友好，具有高性能、低功耗、高可靠性、低成本等顯著優點，迅速在市場上得到推廣，在工業控制、電機控制、電力控制等領域應用廣泛。