企业专利信息推送 | 可穿戴健康医疗设备专利信息推送（第七期）- 大数跨境

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微控制器MCU简介

微控制器（Microcontroller Unit；MCU），即微控制单元，又称单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）或者单片机，是把中央处理器（Central Process Unit；CPU）的频率与规格做适当缩减，并将内存（Memory）、计数器（Timer）、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。也有由微处理器发展的微控制器。比如，Intel的386EX就是很成功的80386微处理器的微控制器版本。它与嵌入式应用的微处理器一样,也称为嵌入式微处理器。嵌入式处理器的高端产品有：Advanced RISC Machines公司的ARM、Silicon Graphics公司的MIPS、IBM和Motorola的Power PC 、Intel的X86和i960芯片、AMD的Am386EM、Hitachi的SH RISC芯片。微控制器扮演着各种系统控制核心的角色，协调各系统和显示、键盘、传感器、电机等周边器件的操作。1975年，摩托罗拉公司推出全球第一块MCU。现在，它已广泛应用于消费类电子、汽车电子、信息、工控、通信、航天和军工等诸多领域，并渗透到我们日常生活的各个角落，广阔的应用领域及相关应用终端的繁荣将成为MCU产业稳步上升的支撑力。

图1 智能穿戴设备产业链

可穿戴主芯片分为MCU和AP(应用处理器)两种，手环多采用MCU，手表多数采用AP，少数采用高性能MCU。MCU按性能从低到高分有 Cortex-M0到Cortex-M4，且ARM后续还推出较Cortex-M0更低功耗更高性能的Cortex-M0+。AP多延用手机芯片，如高通骁龙芯片及MTK6532等，但也有针对可穿戴终端定制的芯片，如君正的JZ4775、MTK的Aster SoC等。常见可穿

戴终端所使用的主芯片如下所示：

Silicon Labs IoT MCU和无线产品市场总监Mendy Ouzillou表示，在可穿戴产品设计中，工程师必须考虑三个关键因素：各种操作模式下的功耗(节能)、从匹配电路到天线之间的适当RF设计、以及设计中器件的集成度。MCU是任何嵌入式设计中的一个关键器件，对于可穿戴应用来说，选择低功耗、性能卓越的微控制器是关键。32位ARM处理器在可穿戴设备中非常受欢迎，因为其能够提供最佳性能与高能效。PSoC等现代控制器利用ARM架构的功能优势在单个芯片中集成了高级模拟和可编程数字功能，同时还采用ARM cortex-M内核等。

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全球微控制器MCU专利概况

现在绝大多数的微控制单元都是基于冯·诺伊曼结构的，这种结构清楚地定义了嵌入式系统所必需的四个基本部分：一个中央处理器核心，程序存储器（只读存储器或者闪存）、数据存储器（随机存储器）、一个或者更多的定时/计数器，还有用来与外围设备以及扩展资源进行通信的输入/输出端口——所有这些都被集成在单个集成电路芯片上。

早在 1958 年，SYLVANIA（喜万年）电子公司申请了题为“Data Processing System”的专利，专利号为US3210733（专利获得授权的授权专利号），它提出了控制器、输入/输出系统、总线、存储器、转换器集成的体系结构，微处理器的架构初见雏形。但由于各独立的器件仍未实现集成在同一芯片上，因此这还不能称得上是一台真正的微处理器。1971 年 8 月 31 日，美国德克萨斯仪器公司（简称TI）研制了具有重要意义的微处理器第一件专利，其专利申请号为US176668。

图2 申请号为US176668专利体系结构图

这颗微处理器的结构如图所示，该系统集成了运算单元、控制器、寄存器、总线四大部件。将半导体芯片划分为四个区域，运算单元、存储器、控制器和总线。其中算术逻辑运算单元，包括第一数据存储和算术逻辑部件，实现了数据的并行运算；存储器包括多元化的寄存器；控制器控制同步算术逻辑单元；并行总线保证了算术逻辑单元、存储器、控制器的数据交互。该专利将中央处理单元、外部存储器、外围设备、控制设备集成在同一块芯片上，真正意义上实现了微处理器的设计。这是可考证的第一台微处理器专利，从此微机的发展迈上了一个新的台阶，微机时代真正开始。

而微控制器的发明即基于微处理器的架构体系发展衍生而来。随着集成电路和微处理器技术的不断发展，出现了包括 CPU、一些内存以及 I/O 接口的一个计算机系统集成在一块集成电路上的微处理器专利，即微控制器专利。

通过对 1958 年“Data Processing System”之后一系列处理器专利的分析，结合第一件微处理器的引证专利分析，直到 1974 年 TI 提出的申请，才真正实现了外围和CPU集成在同一块芯片上的设计。这件专利虽然被放弃，但 TI 公司提交了此件专利的继续申请。TI 的 Gary Boone 和 Michael J. Cochran 于 1977 年以微计算器的名称继续申请专利号为US4074351 的微控制器专利，于 1978 年被授予专利权。

图3 申请号为US4074351 的微控制器专利体系结构图

如上图所示，该发明包括一个程序计数器、一个指令寄存器、控制解码器、跳转条件电路、时钟发生器、定时发生器以及扫描仪中的键盘和显示器的输入/输出设备。除了提供基本的计算功能外，只读存储器可进行编程，该系统作为一个单片集成的半导体系统第一次实现了金属绝缘体的微控制器技术。第一次实现了将外围设备和 CPU 集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成到复杂的控制设备中。而此项发明也作为第一件名义上的微控制器专利，也定义了微控制器的涵盖范围与概念，截止至今，已共有49件专利进行了引用。

图4微控制器MCU全球专利申请趋势

从1974年由TI公司申请的第一件完全意义上的微控制器MCU专利，截止至2016年8月30日，全球微控制器MCU相关专利申请数量达到37,270项。如上图所见，微控制器MCU的专利申请趋势较为明朗，在2000年前年申请量增幅较为平稳，年申请量增幅均在50件左右。进入新世纪，随着全球消费电子、信息家电、工业控制、汽车电子等行业的发展，对微控制器MCU的需求猛增，带动微控制器的专利申请量节节攀升。以2000年为节点，2000年之前为产业萌芽期，全球微控制器技术发展平稳，微控制器处于SCM (Single Chip Microcomputer；单片微型计算机)阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构，此阶段代表产品有Intel公司出品的MCS-48、MCS-51系列8位单片机；2000年后微控制器产业进入产业爆发期，微控制器进入实际意义上MCU (Micro Controller Unit；微控制器)阶段并向SoC (System on Chip；片上系统)阶段过渡，由于该阶段需要技术含量猛增，产品类型、应用范围不断扩展、满足嵌入式应用，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家肩上。所以这一阶段的专利申请量剧增。2000年后，微控制器相关专利申请年增幅约100-150件，在2015年，单年更是达到了3381件专利申请，相比2014年申请量2527件，就增长了超过800件专利申请。

图5 市场&热度地图

在全球市场分布中，中国、美国和德国是全球微控制器MCU市场集中度最高的国家，前者为全球电子消费产品制造大国，是对微控制器MCU需求量最大的国家，后两者是微控制器MCU技术领先和应用广泛的国家，拥有多家微控制器行业顶尖研发制造公司，如美国的英特尔与Microchip技术公司，德国的罗伯特博世公司。其次，微控制器技术领域在日本、韩国、俄罗斯与欧洲各国都有广阔的市场需求。韩国的三星电子作为全球排名前三的电子领域制造与研发巨头，其旗下有多家研究中心开发新型微控制器架构与性能，微控制器消耗量约占韩国国内微控制器消耗量的二分之一。日本的电子产业发达，产生出松下电子、富士通等行业领先的电子巨头，其微控制器的发明量与消耗量也不容小觑。

而从专利流向来看，微控制器MCU的基础专利都集中于美国，美国作为首次专利申请国，其申请流向国除了美国本土外，还向其他国家/地区进行申请，即美国的专利申请中存在较多数量的多边申请。美国对中国、欧洲、日本的输出量较大，美国对这些国家/地区的专利输出量在一定程度上反映了微控制器MCU技术在这些国家/地区的市场活跃程度。与美国全球布局不同，首次申请国为中国的申请大多为单边申请且集中在中国，由于中国的微控制器专利申请单位大部分仍为国内顶尖的研究机构或高校，专利学术目的性较高，对市场热度的把握远远不足，所以涉外申请专利保护数量占比很少。中国处在明显的专利逆差地位。

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全球微控制器重点专利权人

图6 全球微控制器MCU专利权人排名

通过对微控制器专利进行分类排序，考察该领域专利申请量最多的企业，一般认为这些企业就是行业的知识产权领先者。由图所示，将全球申请微控制器专利权人按数量从大到小排列，可见拥有最多专利数量的是美国的微芯电子，其在微控制器技术领域拥有431项专利。排在后面的2至3名专利数量差距很小，分别为罗伯特博世公司（339项）、三星电子（316项），老牌电子巨头飞利浦公司在微控制器技术领域申请了219项专利位列第四名。

在微控制器专利数量前30位专利权人，欧美公司居多，英特尔、西门子电子、Atmel和IBM公司均是IC集成电路的传统巨头企业。在专利权人排名榜上，来自韩国的企业也令人瞩目，韩国的三星电子作为全球电子消费领域营业额前三制造商，其在微控制器领域投入的研发力度不容小觑，拥有专利量排名第二。此外，来自韩国的LG电子、SK海力士也是全球微控制器产业的顶级研发与供应商。中兴通讯、华为的专利申请在国内企业当中排名靠前。

研究专利数据分析，经过多年的技术积累和专利积累，国内企业已经初步具备了和国际企业竞争合作的技术基础和知识产权基础，最近几年，国内企业从专利数量上来说已逐步赶上了国外老牌企业，但在专利质量与专利布局数量上仍有一定差距，我国有一大部分微控制器发明专利的专利权人为高校或研究机构，由于具有一定的市场独立性，这些专利进入市场往往集成度不高，未能进入市场形成效益。

Microchip Technology Inc.

Microchip Technology公司又称微芯科技公司（下文以微芯公司作介绍），微芯公司成立于1989年，自成立以来，就密切关注嵌入式控制半导体产品市场。为了占领市场，集中了所有的技术、设计、生产、销售等各方面资源发展了两大拳头产品：微控制器MCU和高品质的串行EEPROM。到目前为止，微芯公司已是全球领先的单片机和模拟半导体供应商，也是市场份额增长最快的微控制器制造商。其产品主要面对消费领域开发商，低风险的产品开发、更低的系统总成本和更快的产品上市时间是微芯公司的产品特点。

微芯公司目前已推出微控制器外围设备、模拟产品、RFID智能卡、KEELOQ保安产品，可设计出更全面、更具价值的嵌入控制系统方案，以满足用户日益增长的需求。微芯公司的主要产品是16C系列8位单片机，CPU采用RISC结构，仅33条指令，运行速度快，且以低价位著称，一般微控制器价格都在一美元以下。微芯公司微控制器没有掩膜产品，全都是OTP器件(近年已推出FLASH型单片机)。微芯公司强调节约成本的最优化设计，使用量大、档次低、价格敏感的产品。其生产PIC单片机产品，突出的特点是体积小，功耗低，精简指令集，抗干扰性好，可靠性高，有较强的模拟接口，代码保密性好，大部分芯片有其兼容的FLASH程序存储器的芯片。目前，微芯公司的主要产品类别包含从8位到32位的微控制器，应用范围包括：高级图形化、CAN、编解码器接口、数字信号处理、以太网、超低功耗、LCD、电机控制与电源转换、传感器、SMPS与数字电源转换、USB等。

在2016年1月，微芯公司以35.6亿美元收购了半导体业内的老牌制造商Atmel公司，Atmel公司的微控制器MCU产品销售收入占总营收70%以上，而微芯公司的微控制器MCU产品收入占总营收65%左右，两家公司拥有极高的资源互补性，Atmel有的产品微芯公司大多都有，无论是8位/16位/32位单片机，还是存储器产品，双方重合度非常高。除了双方的自有架构MCU，32位嵌入式处理器方面，Atmel取得了ARM授权，而微芯取得了MIPS授权，在收购Atmel公司之后微芯公司将成为同时获得ARM与MIPS授权的厂商。

图7 微芯公司微控制器领域专利申请趋势

截止至2016年8月30日，微芯公司在微控制器MCU技术领域的专利申请量达431项。从图5-12可以看出，微芯公司在微控制器MCU领域的专利申请趋势可分为3个阶段：萌芽期（1992年-1994年）、第一快速发展期（1995年-2000年）、调整期（2001年-2007年）与第二快速发展期（2008年至今）。微芯公司成立于1989年，在成立后第三年即1992年单年申请量便达到6件，可见其对微控制器MCU领域的重视程度。与三星公司在MCU领域专利申请的趋势相近，微芯公司在1995年到2000年在微控制器领域的专利年申请量大增，专利申请量快速增长，并在1997年达到顶峰单年微控制器申请量达40件。依托嵌入式系统的热潮，微芯公司投入巨额资金在微控制器架构与结构改进上进行了研发，并取得了卓越的成果，其研发的使用哈佛结构精简指令集控制的PIC微控制器产品仍是现如今8位微控制器的市场引导者。在2001年至2007年，微控制器在传统工业如汽车工业、印刷制造等下游领域的发展已趋饱和，而新型产业如互联网、新消费电子产业仍处于萌芽发展阶段，微芯公司在微处理器研发进入了调整期。进入2008年，全球刮起新一轮“工业革命风暴”，以互联网为代表，物联网概念的提出与消费电子、医疗电子等领域的崛起，扩宽了微控制器的下游玩家，全球市场对微控制器的需求与要求暴增，促成了微芯公司对微控制器MCU领域研发的第二快速发展期。

图8 微芯公司专利技术领域分类

通过分析微芯公司的专利可分类专利所属技术领域，如上图，微芯公司在微控制器MCU领域申请专利关键词最多使用频率的为“中央处理单元”，其分类下包括处理单元结构设计、微控制器架构设计与优化等，共计86项专利。“机器指令优化”涉及编译语言、内部IP核设计等领域，在此领域微芯公司共计56项专利。“控制器操作”涉及微控制器应用领域，共计27项专利。而“复位装置”、“节能装置”、“总线结构设计”等均属于微控制器结构优化与设计。可见，微芯公司在微控制器领域较为专注架构与结构设计和优化、微控制器软件系统优化与微控制器应用领域。

图12 利用微芯公司PIC16系列微控制器产品芯片组

上图为某可穿戴健康医疗设备集成芯片制造厂商的可穿戴设备芯片产品方案，该方案使用微芯公司的PIC16LF1518微控制器作为核心处理芯片，并加载MEMS重力传感器、电池与传输模块等，形成一块具有传感能力与智能控制处理能力的可穿戴微型芯片。该方案特色有：

1. 超低功耗

2. 包含计步器算法

3. 可实现蓝牙或Hi-Jack通讯接口

图13 PIC16LF1518微控制器芯片

芯片模组主要目标应用市场为智能手表、计步器等。微芯公司的PIC微控制器芯片在8位机产品线繁杂，且性能稳定，性价比高，是全球微控制器8位机市场的霸主，出货量在全球排名第一；16位机产品线主打低功耗、高性能与性价比亮点，其DSPIC产品偏向工业控制类，电机控制是微芯公司16位机的特长。

PIC16LF1518微控制器芯片是微芯公司8位机的一款热销产品，其具体参数如下：

微芯公司目前在消费类、工控车载都有一定市场地位，公司MCU营收中有7成为8bit产品的贡献，且在8bitMCU市占率为全球第一。全球MCU主要供货商仍以国外制造商为主，美商如微芯公司、飞思卡尔、德州仪器约囊括4成以上市占，另外以瑞萨为首的日系厂商、如英飞凌、NXP等的欧系企业，则各有2-3成市场占有率。

在物联网的世界，除了侦测环境的感测(Sensing)、传递数据的联网(Connectivity)，还需要运算(Computing)单元处理所收集的数据，而微控制器(MCU)即为这些电子装置上执行运算的组件，需求也随着物联网应用的发展水涨船高。依据研调机构IHS，2014-2019年整体MCU市场的年复合增长率为4%，但应用于IoT的MCU产值则有11%的增长，预估至2019年IOT相关应用的MCU市场可达28亿美元。

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