嵌入式系统顶级微控制器

简介

微控制器，简称MCU，如今可以在大多数电子嵌入式系统中找到。从洗衣机、数字音频处理器、飞行控制系统，到更多其他设备。MCU是非常灵活的处理器，通常可以用C/C++编程，它们与非易失性存储器（FLASH）和易失性存储器（RAM）以及一系列外设和I/O打包在一起。有时这些MCU可能还具有无线能力（例如，蓝牙或WiFi）。

在电子领域初出茅庐，需要在自定义硬件设计中添加微控制器时，海量的选择初看起来可能会让人感到不知所措。有许多不同的供应商（例如德州仪器、ST、Microchip等），每个供应商都有更多选择的微控制器 - 更不用说即使在特定微控制器家族内也有变化。例如，使用Octopart进行的关于功能强大的STM32H7系列微控制器的快速通用搜索就产生了近250个不同的结果！

当然，具体选择哪款微控制器取决于正在设计的系统。在这里，需要考虑许多方面，如可用内存、所需外设（如UART、SPI等）、成本、封装类型、可用性、软件环境、文档质量等。

在本文中，我们将探索当今行业中一些非常常见的微控制器。希望这至少能在一定程度上缩小您下一个项目的选择范围，并让您了解到许多现代嵌入式系统中常见的流行MCU。

意法半导体STM32

截至撰写本文时，意法半导体（ST）是迄今为止最受欢迎和最知名的微控制器制造商之一。这是有充分理由的，因为他们的MCU价格合理，提供多种不同配置和性能等级，并且可以使用例如ST的免费STM32CubeIDE开发环境进行调试和编程。他们的STM32系列MCU基于ARM Cortex处理器核心。

此外，ST还提供许多预编写的驱动程序，以及他们部件的硬件抽象层（HAL）。这些都集成在STM32CubeIDE中。尽管HAL可能偶尔存在缺陷，但这些驱动程序大大缩短了上市时间，并为固件开发提供了一个极好的起点。

在部件选择方面，ST提供众多不同的微控制器家族。从简单的STM32F0 MCU（可能用于简单的“胶水逻辑”），到能够运行实时数字信号处理算法的非常强大的STM32H7 MCU，以及介于两者之间的任何东西。此外，ST还提供具有无线能力的MCU，例如STM32WL和STM32WB系列，分别用于WiFi和蓝牙连接。

图1 意法半导体MCU家族（来源：意法半导体）

我个人最喜欢的ST微控制器是F4和H7系列，我在音频的数字信号处理应用中广泛使用过它们。一定要查看这个完整的基于STM32的硬件设计教程，使用Altium Designer，看看将微控制器添加到你自己的项目中有多容易！

Nordic Semiconductor nRF

如果你正在市场上寻找具有无线功能的微控制器，例如支持蓝牙或WiFi的微控制器，一定要看看Nordic Semiconductor的nRF系列微控制器。这些都是非常有能力的设备，特别是如果你有低功耗的需求。

个人来说，我是他们的nRF54系列蓝牙LE（低能耗）设备的粉丝，并且已经在各种超低功耗产品中使用过它们。不过请记住，这些部件的封装通常会变得非常小，可能会增加你的PCB制造和组装成本，尽管它们也提供了“更易获取”的QFN封装类型。当然，这些微小的封装尺寸对于例如微型和可穿戴产品来说可以非常有益。

图2 nRF54蓝牙LE微控制器（来源：Nordic Semiconductor）

Espressif ESP32

作为nRF的一个替代品，Espressif提供了他们的ESP32系列微控制器（或者更确切地说，是RFSoC），这些微控制器价格非常实惠，而且功能强大。它们通常提供双核微控制器、WiFi和蓝牙功能，以及合理的外设数量。此外，ESP32的在线社区和用户基础非常庞大，所以如果你需要帮助，你肯定能找到帮助你的项目。

如果你想学习如何使用Altium Designer将ESP32微控制器整合到你自己的硬件设计中，请一定要查看这个教程视频！

图3 ESP32-C3微控制器（来源：Mouser）

这两家制造商和第三方制造商还提供预认证的系统模块，这些模块集成了天线（或用于板外天线的连接器），这可以大大简化认证过程，以防你想要商业化销售你的设计。

图 4 ESP32 预认证模块（来源：Mouser）

Raspberry Pi RP2040

Raspberry Pi 最著名的是他们的单板计算机，而 RP2040 是一个相对较新的微控制器。这款微控制器配备了双核 ARM Cortex-M0+ 处理器、众多外设，以及一个非常有趣的称为可编程 I/O部分。RP2040 的大卖点是其低价格（低量时不到 1 美元）、灵活性和可获得性。

图 5 Raspberry Pi RP2040（来源：Raspberry Pi）

Microchip、NXP 和 Texas Instruments

与 STM32 系列微控制器类似，其他制造商，如 Microchip、NXP 和 Texas Instruments 也提供各种系列的 MCU。这些制造商的部件能力通常相当相似，因此熟悉某个公司、喜欢他们的文档或仅仅是部件的可获得性可能是卖点。

从 8 位到 32 位，到具有 DSP 能力的，以及具有无线能力的 MCU，Microchip 以其 PIC 微控制器而闻名。NXP 提供通用、i.MX 实时和面向汽车的微控制器。最后，Texas Instruments 也有相当大的微控制器产品组合 - 然而，根据个人经验，与其他制造商相比，我在商业设计中并不经常看到这些。

这些制造商的一些旗舰组件包括：

• Microchip：他们的产品包括 PIC 微控制器和从 Atmel 收购的极受欢迎的 ATMega 产品线
• Texas Instruments：MSP430 系列是他们最受欢迎的微控制器系列，还有集成 WiFi 的 SimpleLink 系列
• NXP Semiconductor：i.MX 可能是他们最受欢迎的产品线，还有在许多工业级系统中出现的 LPC 产品线

结语

我们探讨了一些顶级微控制器制造商及其设备，但请记住，这绝不是一个全面的列表，而且相当通用。还有许多其他提供出色微控制器的制造商在这里没有提到 - 以及一些旧的 MCU，如 ATmega 变体，今天仍然被世界各地的许多设计师使用。

确保访问 Octopart 来帮助您为下一个设计选择合适的微控制器。当您选择了一个MCU时，一定要使用强大的ECAD工具，比如 Altium Designer，来将您的设计提升到新的水平。