1.1.1 单片机发展史简述

单片机中的“位”是衡量单片机及其内核技术性能的一个重要指标。“位”是指“字长”，即单片机内CPU每次处理的二进制数的位数，有4位、8位、16位、32位及64位等。

位数越多，数据有效数越多，精确度越高，运算误差越小。在运算速度一样的情况下，位数越多，处理速度越快。

下面将以“位”为脉络，梳理单片机的发展史，从时间维度简述单片机技术的飞速发展进程。

一、单片机起源与早期发展（4位单片机时代）

1971年，英特尔公司的特德·霍夫在与日本商业通信公司合作研制台式计算机时，将原始方案的十几个芯片压缩成了3个集成电路芯片，其中的两个芯片分别用于存储程序和数据，另一个芯片集成了运算器和控制器及一些寄存器，这就是4位微处理器Intel 4004，它的出现标志着第一代微处理器问世。

二、8位单片机时代

1972年，霍夫等人研制出首个8位微处理器Intel 8008。由于Intel 8008采用的是P沟道金属氧化物半导体（Metal-Oxide-Semiconductor，MOS）微处理器，因此它仍属于第一代微处理器。

1973年，霍夫等人研制出8位微处理器Intel 8080，以N沟道MOS电路取代了P沟道MOS电路，第二代微处理器就此诞生。Intel 8080芯片主频为2MHz，运算速度比Intel 8008快10倍，可存取64KB存储器，使用了基于6μm技术的6000个晶体管，处理速度为0.64MIPS。

1975年，德州仪器公司首次推出4位单片机TMS-1000，标志着单片机正式诞生。随后，各家半导体设计公司竞相推出自己的4位单片机，如美国国家半导体公司的COP4XX系列、日本电气公司的PD75XX系列、日本东芝公司的TMP47XXX系列等。

1976年，英特尔公司研制出了MCS-48系列8位单片机，这是现代单片机的雏形，通常称其为第一代单片机。它首次将处理器与内存集成到一块芯片中，该系列芯片迅速成为行业标准，1984年，英特尔公司将其作为产品代表在美国国家历史博物馆中进行展览。

20世纪70年代后期，许多半导体公司看到单片机的巨大市场前景，不断加入该领域的研发。1978年，摩托罗拉公司推出M6800系列单片机，齐洛格公司推出Z80系列单片机；1979年，日本电气公司推出μPD78XX系列。

1980年，MCS-51系列8位单片机问世，这是由英特尔公司在MCS-48系列单片机的基础上研发成功的。MCS-51系列是完全按照嵌入式应用而设计的单片机，与MCS-48系列相比性能有明显提升，在片内增加了串行I/O接口、16位定时器/计数器，片内ROM和RAM的存储容量都相应增大，寻址范围可达64KB，片内ROM容量为4～8KB，并且有多级中断处理功能。

MCS-51系列是伟大的、划时代的产品。该系列单片机因其性能可靠、简单实用、性价比高而深受欢迎，代表产品有8031、8051、80C51系列等。

20世纪80年代中后期，英特尔公司集中精力在CPU的研发上，逐渐放弃了单片机的生产，故以专利或技术交换的形式把80C51内核技术转让给其他集成电路厂商，如飞利浦、日本电气、Atmel、亚德诺、华邦等。这些公司在保持与80C51单片机兼容的基础上，进行了一些功能扩充。这样，80C51就变成受众多厂商支持、有上百个品种的大家族。一般习惯把兼容机等衍生产品统称为80C51系列，这是单片机应用的主流产品，功能和市场竞争力强，直到现在仍在广泛使用。

从此，单片机开始迅速发展，应用领域不断扩大，成为微型计算机的重要分支。

三、16位单片机崛起

1983年，英特尔公司推出了高性能的16位MCS-96系列单片机，采用当时最新的制造工艺，芯片集成度高达12万只晶体管/片。它同样具有划时代意义。它的各项性能都有所提高，然而因其性价比不理想而未得到广泛的应用，只能算中间产品。

与8位单片机相比，16位单片机具有更大的数据宽度、更高的主频、更高的集成度、更多的RAM和ROM，以及更多的中断源和模数转换通道。这些特点使得16位单片机能够更好地满足更复杂的控制系统的需求。

随着技术的发展，世界各大半导体公司相继开发了功能更为强大的16位单片机，进一步推动了16位单片机的普及和应用。例如，Microchip公司发布的PIC系列单片机以其精简指令集和低功耗等特点吸引了大量用户，进一步推动了16位单片机的市场应用。

四、32位单片机时代的到来

1990年，英特尔公司推出了80960超级32位计算机，引起了计算机界的轰动，成为单片机发展史上的又一重要里程碑。在同时期，摩托罗拉以及早被收购的齐洛格公司也研发出了颇具影响力的单片机。

五、单片机内核百花齐放的时代

随着集成电路技术的发展，单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等各个方面向更高的水平发展。MCU内核除了前文介绍过的80C51外，还出现了AVR、MIPS、自研内核等，以及对当下影响重大的ARM Cortex-M内核、RISC-V内核。

1997年，Atmel公司研发出增强型内置FLASH存储器的高速8位单片机，简称AVR。AVR具有创新的系统架构、更高的集成度，同时采用Atmel自有的FLASH存储器工艺，在性能和功耗上相较于之前的冯·诺依曼架构产品均有较好表现。该类型单片机电路简单、故障率低、可靠性高、成本低。

与此同时，各家厂商积极开发自有架构及内核，成立于2003年的瑞萨电子公司采用自有的瑞萨内核，此外还有飞思卡尔公司的HC05/HC08系列、摩托罗拉公司的MC68HC系列、德州仪器公司的MSP430系列等。

2002年，MIPS公司推出了M4K内核，这是一款专为MCU和小尺寸嵌入式控制器设计的高性能综合性处理器内核。Microchip公司的32位PIC系列MCU产品部分使用了M4K内核。

2004年开始，ARM公司推出一系列32位Cortex-M内核，意法半导体公司率先成功使用，32位单片机迅速取代了16位单片机，占据主流市场地位。

2010年，开源指令集RISC-V项目始于加州大学伯克利分校。

六、ARM内核单片机的出现，造就32位单片机的崛起

随着ARM公司推出的ARM内核单片机在市场上取得的巨大成功，32位单片机迅速取代了16位单片机。ARM内核单片机具有高性能、低功耗、低成本等特点，因此在许多领域得到了广泛应用。在智能家居、智能汽车等领域，ARM内核单片机成为控制核心。

由于ARM内核单片机是从ARM内核发展出来的一个分支，所以，下面先介绍ARM内核的发展史，再介绍ARM内核单片机的发展史。

（1）ARM内核的发展史。

ARM是Advanced RISC Machines的缩写。ARM架构是一个32位精简指令集（Reduced Instruction Set Computer，RISC）处理器架构，其广泛地应用于嵌入式系统设计。

1985年，ARMv1架构诞生，该版架构只在原型机ARM1上出现过，且只有26位的寻址空间（即64MB），没有用于商业产品。1986年，ARMv2架构诞生，开始商用；此后，ARM公司一直推陈出新，ARMv3、ARMv4、ARMv5、ARMv6相继诞生。

2004年，ARMv7架构诞生，从这时开始，ARM以Cortex来重新命名处理器，Cortex-M3/4/7、Cortex-R4/5/6/7、Cortex-A8/9/5/7/15/17都基于该架构。

2007年，在ARMv6基础上衍生出了ARMv6-M架构，该架构专门为低成本、高性能设备而设计，向由8位设备占主导地位的市场提供32位功能强大的解决方案。Cortex-M0/1/0+即采用该架构。

2011年，ARMv8架构诞生，Cortex-A32/35/53/57/72/73采用的是该架构，这是ARM公司首款支持64位指令集的处理器架构。

2015年，在ARMv6-M基础上衍生出了ARMv8-M baseline，在ARMv7-M基础上衍生出了ARMv8-M mainline，Cortex-M23采用的是ARMv8-M baseline架构，Cortex-M33采用的是ARMv8-M mainline架构。这两款处理器加入了TrustZone支持，面向物联网（Internet of Things，IoT）市场。

（2）ARM内核单片机的发展史。

2004年，ARM公司推出了Cortex-M3内核。但是飞利浦等半导体厂商认为ARM7处理器卖得很好，所以并没有多少动力基于Cortex-M3内核开发新产品。而ARM公司眼看开发出的Cortex-M系列内核无人问津，干脆自己投资成立了Luminary Micro（流明诺瑞）。

2006年3月，流明诺瑞率先推出了第一款基于ARM Cortex-M3处理器的Stellaris LM3S系列MCU。但是因为采用的是新内核，熟悉Cortex-M3的工程师比较少，所以当时反响寥寥。

随着时间的推移，其他半导体厂商也加入了开发Cortex-M3处理器的行列。

2007年6月，意法半导体公司同样推出基于该内核的STM32 F1系列MCU，才使该内核大放光芒。

2009年3月，恩智浦半导体公司率先推出了第一款基于ARM Cortex-M0处理器的LPC1100系列MCU。

2021年开始，武汉芯源半导体有限公司在总结前人积累的经验的基础上，推出了一系列基于ARM Cortex-M0+内核的CW32单片机。CW32芯片具有后发者优势，生态完善友好，具有高性能、低功耗、高可靠性、低成本等显著优点，迅速在市场上得到推广，在工业控制、电机控制、电力控制等领域应用广泛。