本篇目标：

梳理需求、终端产品、ARM IP 授权、SoC、意法半导体、MCU、STM32 选型、产品主板与供应链之间的关系。
tags: ARM, STM32, MCU, SoC, 意法半导体, 供应链
 

前言：

日常使用的台式机和笔记本，大多采用 x86 架构的 CPU。进入嵌入式世界以后，处理器对功耗、成本、体积和实时性的要求发生变化，于是出现了 51、ARM、PPC、MIPS、Xtensa、RISC-V 等多种架构。

在这些架构中，ARM 应用非常广泛。从价格很低的微控制器，到手机处理器、智能手表、汽车电子和服务器，都能看到 ARM 的身影。因此，理解嵌入式产业生态，必须理解 ARM 为什么发展起来、它怎样与芯片公司合作，以及 STM32 在这条产业链中的位置。

一. 发展生态问题

芯片是用户很难直接感知的产品。它必须依附于手机、电脑、汽车、家电和工业设备等终端产品，才能形成大量需求。英特尔芯片与个人电脑、ARM 芯片与手机的关系，都说明终端产品是芯片产业扩张的重要基础。

1. 需求拉动产量

1.1. 英特尔芯片与个人电脑

20 世纪 50 年代末，芯片主要服务于军方等少量高价值场景。仙童半导体早期曾向 IBM 的军用项目提供晶体管。这类产品价格高，但数量有限。

为了进入民用市场，芯片厂商不断改进工艺并降低价格。20 世纪 60 年代中期，芯片逐渐进入计算器、助听器等产品，开始接触普通人的生活。

1968 年，罗伯特·诺伊斯和戈登·摩尔离开仙童半导体，创办英特尔。1981 年，IBM 选择英特尔 8088 作为 IBM PC 的处理器，并采用微软 MS-DOS 操作系统。随着 IBM PC 兼容机普及，英特尔芯片与微软操作系统形成了后来被称为“Wintel”的组合。

此后，个人电脑市场不断变化：

- 20 世纪 80 年代，台式机进入办公室，个人电脑从计算工具逐渐发展为通用生产工具。
- 20 世纪 90 年代，笔记本电脑发展，处理器除了性能，还必须考虑功耗。
- 21 世纪初，个人电脑进入大规模存量市场。
- 2010 年以后，个人电脑继续分化为轻薄本、游戏本和工作站等形态。

终端产品数量增加，推动芯片产量提升；芯片产量提升又使成本下降、性能提高，进一步促进个人电脑普及。

1.2. ARM 芯片与手机

20 世纪 90 年代，ARM 早期依附的终端产品包括苹果 Newton PDA 和诺基亚功能手机。与个人电脑相比，这些设备最大的特点是可以装进口袋，需要依靠有限电池长时间运行，因此低功耗成为关键要求。

进入 21 世纪后，功能手机出货量快速增长。ARM 采用授权模式，高通、联发科、德州仪器等公司都可以基于 ARM 核心开发芯片。课件提到，到 2005 年，全球绝大多数手机都采用了 ARM 相关芯片。

2007 年 iPhone 发布，智能手机时代开启。触摸屏、应用商店和移动互联网创造了比功能手机更大的计算需求。智能手机出货量增长，也推动 ARM 芯片数量快速增长。

智能手机市场逐渐成熟后，ARM 又进入智能手表、无线耳机、智能音箱、智能电视和汽车座舱等领域。它不再只服务手机，而是成为大量低功耗计算设备的基础。

核心结论：

时代发展产生新的需求，新的需求诞生新的设备，新的设备让芯片需求激增。

2. ARM 发展史

1983 年，英国 Acorn 公司在没有获得英特尔 x86 授权的情况下，开始自行研发低功耗 RISC 芯片，这为 ARM 的诞生埋下基础。

1990 年 ARM 公司成立。由于资金有限，ARM 没有采用英特尔那种自己设计、自己制造芯片的 IDM 模式，而是选择只设计 CPU 核心，不直接制造实体 CPU。ARM 通过 IP 授权和版权费用盈利。

1997 年，诺基亚功能手机采用 ARM 芯片，ARM 获得了重要的大规模终端市场。2004 年，Cortex-M 系列发布，ARM 开始深入 MCU 领域。2007 年后，智能手机发展进一步扩大了 ARM 的影响力。

ARM 的商业模式可以概括为：

1. ARM 设计 CPU 核心。
2. 芯片公司购买 ARM 的 IP 授权。
3. 芯片公司把 ARM 核心与自己的模块集成，形成 MCU 或 SoC。
4. 终端公司购买这些芯片，设计手机、汽车、工业设备和物联网产品。

这种模式使 ARM 不需要承担所有芯片的制造和销售任务，同时给客户保留了较大研发空间。苹果、高通、三星、联发科、意法半导体等企业，可以根据自己的市场方向开发不同芯片。

ARM 发展过程中的产业背景：ARM 成立初期的股东中包括苹果；后来苹果因经营问题出售股份，成为 ARM 客户。移动互联网时代，iOS 与 Android 形成不同阵营，而大量移动芯片背后都采用 ARM 架构。2016 年，日本软银收购 ARM，使 ARM 进入新的发展阶段。

核心结论：

ARM 只设计 CPU 核心 IP，不直接制造 CPU，通过 IP 授权和版权费用盈利；这种经营方式与当时的商业竞争和
资源条件有关。

什么是 IP 核？

答案：

IP 是 Intellectual Property，即知识产权。ARM 交付的不是一颗实体芯片，而是一套受法律保护的芯片设计方案及其使用权。

购买实体芯片，得到的是可以焊在电路板上的物理产品；购买 IP 核，得到的是把某种处理器设计集成到自己芯片中的权利。芯片行业使用“IP 核”这个名称，就是为了强调“设计”与“实物”的区别。

3. SoC

ARM 在手机领域的典型协作流程可以分为三步：

<1>. ARM 把 CPU IP 核授权给苹果、三星、高通、联发科等芯片公司，芯片公司形成自己的 SoC 设计方案。
<2>. 芯片设计完成后，交给晶圆制造企业进行生产，再经过测试和封装得到 SoC 芯片。
<3>. 苹果、小米、vivo、OPPO 等终端公司把 SoC 与摄像头、屏幕、扬声器、麦克风、电池等其他组件整合，制造出手机。

SoC 是 System on a Chip 的缩写，中文叫“片上系统”，意思是把一个电子系统中的主要计算和控制模块集成到单个芯片上。

传统电脑主板上，CPU、GPU、内存、网卡、声卡等器件相对分散，通过总线连接。手机、手表、无人机和路由器空间有限、功耗敏感，因此会把 CPU、GPU、NPU、ISP、DSP、内存控制器、视频音频处理器和各种接口控制器尽可能集成到一颗芯片中。

我们可以这样理解：

可以把传统的电脑主板理解成⼀个城市，各个功能部件都是独⽴的:
• CPU（处理器）=市政府（⼤脑决策）
• 内存=图书馆（临时存数据）
• 显卡=美术馆（处理图像）
• 声卡=⾳乐厅（处理声⾳）
• ⽹卡=邮局（负责通信）
• 各个芯⽚之间需要通过电路板上的"⾼速公路"（总线）来连接，距离远、速度慢、功耗⼤。

而SoC 就是把这个城市的所有关键部⻔，全部塞进同⼀栋⼤楼⾥:
• 市政府、图书馆、美术馆、⾳乐厅、邮局……全部在⼀栋楼⾥，内部有专⽤电梯直接连通。
所以就得到了⼀栋功能完整的"超级⼤楼"——这就是SoC

需要注意，摄像头、屏幕、麦克风、扬声器和各种传感器等物理外设，通常仍在 SoC 外部。SoC 主要集成控制与处理相关的模块。

如图：

CPU 与 SoC 的关系可以这样理解：CPU 负责通用计算，是 SoC 的一个部分；SoC 除了 CPU，还包含大量其他功能模块，是一个相对完整的微型计算系统。

优点：

集成在同一芯片中，可以缩短连线，带来更低功耗、更低发热、更高带宽、更低延迟、更小体积、更低成本和更高
可靠性。这符合手机等专用设备的需要。

核心结论：

手机体积小、电池容量有限，需要把核心计算模块从主板上的分散器件变成一颗硅片上的集成系统，这就是 SoC；
它追求的是用户体验和厂商成本之间的平衡。

注意：

芯⽚不仅仅指的是 CPU 这类逻辑类芯⽚，还有存储类芯⽚，接⼝类芯⽚，模拟类芯⽚， 包括各种传感器等都属于
芯⽚范畴。

4.  ARM 版图扩张

企业要持续发展，就需要不断进入新的市场。智能手机市场给 ARM 带来巨大需求，但单一市场总有上限。汽车智能化、服务器高效化和万物互联，为 ARM 提供了新的增长空间。

ARM 的主要业务版图分为四个方向。

<1>. 移动计算

移动计算是 ARM 的基本市场。苹果、高通、联发科、三星、华为海思、紫光展锐等公司的主流手机芯片，大量采用 ARM 架构，平板电脑市场也与此类似。

 <2>. 汽车电子

智能汽车可以看作“轮子上的计算机”。ARM 架构芯片被用于智能座舱、自动驾驶和车身控制等模块。汽车供应链通常分为不同层级：一级供应商向整车企业交付完整系统或模块；二级供应商向一级供应商提供芯片、零部件或半成品；三级供应商提供硅片、工程塑料、钢材等基础材料。

 <3>. 服务器与数据中心

服务器长期由 x86 架构占据主导，但 ARM 依靠较高能效比和可定制性进入这一市场。课件列举了华为鲲鹏、飞腾、Ampere 和 AWS Graviton 等代表。

 <4>. AIoT 与物联网

这一领域设备种类非常多，从微型传感器到工业控制器、物联网网关、路由器、智能手表、电视和音箱，都可能采用 ARM 架构。MCU 与嵌入式是其中的重要部分，意法半导体、NXP、Microchip、TI 和兆易创新等公司都有相关产品。

所以，为了满足不同领域，不同需求的场景， ARM 便有了不同种类的 CPU IP 核的设计⽅案。 所以，进⼊arm公司官网，全球官网：https://www.arm.com/，中国官网 https://www.armchina.com/。 不同种类的CPU:https://www.armchina.com/armip?dataId=13&istitle=CPU, 就是为了满⾜不同的应 ⽤场景的。

不同领域对性能、功耗、安全性和实时性的要求不同，因此 ARM 提供不同类型的 CPU IP：

- Cortex-X 面向极致性能。
- Cortex-A 面向应用处理器和复杂操作系统。
- Cortex-R 面向严格实时系统。
- Cortex-M 面向微控制器和低功耗嵌入式设备。

下面通过表格和图片来理解：

CPU系列	核心特点	典型应用场景	采购/使用公司示例	对应产品示例
Cortex-X	极致性能	旗舰智能手机、高性能PC	苹果、高通、联发科、三星	手机SoC超大核（X4）
Cortex-A	高性能	智能手机、平板、服务器、智能汽车、智能电视	苹果、高通、华为、联发科、瑞芯微	苹果A/M系列、鲲鹏、RK3588
Cortex-R	高实时性	汽车刹车/气囊、硬盘控制器、基带芯片	意法半导体、恩智浦、德州仪器、博世	ABS/ESC模块、SSD控制器
Cortex-M	超低功耗	微控制器（MCU）、物联网传感器、可穿戴设备、工业控制	意法半导体（STM32）、恩智浦、兆易创新	智能手表、智能家居设备

注意：

Cortex：本意是⼤脑⽪层，ARM借此⽐喻这些处理器核⼼是智能设备的“⼤脑”或“计算”中枢”。

后续主要使用 Cortex-M 系列。

5. 意法半导体

并不是所有终端公司都有能力或必要直接购买 ARM IP、设计并制造自己的芯片。它们通常更需要一颗已经封装好、可以直接焊接和使用的 MCU。

意法半导体，也称 STMicroelectronics 或 ST，从 ARM 获得 Cortex 系列 CPU 核心授权，再结合自己的存储、模拟与外设技术，设计并制造完整 MCU，其中最著名的产品就是 STM32 系列。

这形成了一条典型供应链：

ARM 提供 CPU 核心 IP → 意法半导体等芯片公司设计制造 MCU → 终端公司购买 MCU 并设计产品。

如图：

除了意法半导体，NXP、TI、英飞凌、兆易创新和乐鑫科技等公司也生产 MCU。而本篇重点关注意法半导体，是因为 STM32 进入市场较早、应用广泛，已经形成包括官方文档、教程、开源项目、开发工具和第三方库在内的开发生态。

后来者进入市场时，往往会考虑引脚、寄存器或工具链兼容，因为终端企业更换不兼容 MCU，可能需要重新画板、修改驱动和重新验证，迁移成本很高。

核心结论：

意法半导体从 ARM 获得核心授权，做成 MCU 销售给终端公司；STM32 发展较早、生态完整，因此成为 MCU 学
习的主流选择。

6. MCU

MCU 是 Microcontroller Unit 的缩写，中文是微控制单元，也常称单片机。它把 CPU 核心、Flash、RAM、定时器、ADC、串口等模块集成在一颗芯片中。

怎么做的？

<1>.从制造角度看，芯片企业在硅片上通过光刻、刻蚀、沉积、离子注入等工艺形成大量晶体管，并把 CPU、存储和外设连接起来，最终得到完整芯片。

<2>.MCU 内部除了 CPU，还有很多模块。它本身就是一台集成在单个芯片中的微型计算机。

核心结论：

MCU 内部除了 CPU ，还有其他模块。

更朴素地说， MCU 就已经是一台被集成在同一芯片上的微型计算机了。

它大概长这个样子：

对应的示意图是这样：

那么， MCU 和之前提到的 SoC 是什么关系？

解释：

简单来说，MCU（微控制器）可以看作是⼀种功能特定、⾼度集成的“SoC”。SoC是⼀个
更宽泛的概念，⽽MCU是这个概念下⾮常经典的⼀个分⽀。

MCU为什么会存在？

使用SoC常见的是两种场景：

• 以手机应用处理器为例的这类 以 MCU 为例的这类 SoC ，主要解决的是算⼒问题；

•  以 MCU 为例的这类Soc，主要解决的是控制问题。

核心结论：

MCU 是产业细分后，为低成本实时控制而生的专用计算机；物理世界中存在海量控制任务，因此 MCU 会长期存
在。

7. STM32

不同厂商都有自己的 MCU 产品系列：NXP 有 LPC，TI 有 MSP430，兆易创新有 GD32，乐鑫有 ESP32，意法半导体的 32 位 MCU 系列叫 STM32。

STM32 的名称可以拆分为：ST 代表意法半导体，M 代表微控制器，32 代表 32 位。STM32 不是单一芯片，而是一个庞大家族。

如图：

常见子系列包括：

- F 系列：基础或通用系列，应用广泛。
- G 系列：主流高性价比系列。
- L 系列：低功耗系列。
- U 系列：超低功耗系列。
- H 系列：高性能系列。
- WB、WL、WBA 等无线系列：集成特定无线通信能力。
- STM32N6 等边缘 AI 系列：加入神经网络处理能力。
- STM32MP 系列：包含应用处理器与微控制器核心，可运行 Linux 和实时系统。

官网 STM32 MCU 子系列链接：https://www.stmcu.com.cn/Product/pro_detail/PRODUCTSTM32/product

这些产品针对智能手表、仪表、家电、电机、机器人、工业控制、无线传感器、智能摄像头和工业网关等不同场景。学习时不需要记住全部型号，只要掌握一款 STM32 的开发方法，就能降低学习其他型号的成本。

8. MCU 选型

STM32F1 系列发布于 2007 年，是 STM32 中非常经典的系列，对 32 位 MCU 普及具有重要意义。STM32F1 内部还包含多种子系列和具体型号。

以后的文章中都是选择 STM32F103，是因为它应用主流、学习资料丰富。

详细链接：

https://www.stmcu.com.cn/Product/pro_detail/STM32F103/product

进一步选择 STM32F103ZET6，是因为它引脚较多，教学板可以连接更多外设，一块板就能覆盖大量入门实验，减少频繁更换开发板带来的理解成本。

链接：

https://www.stmcu.com.cn/Product/pro_detail/STM32F103ZET6/view_detail/entity/stm32f1/p
n/STM32F103ZET6

STM32F103ZET6 这么长的名字，都各自表示什么意思呢？

如图：

希望在这里建立一条完整认识：

ARM 提供内核，意法半导体设计 MCU，STM32 是具体产品家族，STM32F103 是其中一个系列，STM32F103ZET6 
才是课程使用的具体型号。

二. MCU 产品化

1. 终端产品公司

比亚迪、大疆、九号、特斯拉等终端企业会根据产品需求采购 MCU，再选择传感器、电源管理芯片、通信模块和驱动芯片，设计自己的产品主板。

以平衡车、无人机、扫地机器人、监护仪、制氧机、血压计、空调和吸尘器为例，它们的主板通常以 MCU 为控制核心。硬件工程师先完成电路原理设计，把 MCU 与外设连接起来；再进行 PCB 布局布线；随后完成打样、焊接、组装和调试，最终形成可以量产的产品主板。

比如九号公司早期做的平衡车，使用的就是 STM32F103 系列的，如图：

PCB 是 Printed Circuit Board，即印制电路板，是电子元器件的支撑体和连接基础。PCB 设计需要考虑正确性、可靠性、可制造性和电磁兼容，是产品从方案走向实物的重要环节。

如图：

硬件工程师还需要使用焊台、热风枪、万用表、示波器、显微镜和逻辑分析仪进行焊接与调试。课程后续主要关注 MCU 软件开发，PCB 硬件开发在这一阶段只做生态了解。

如图：

2. 培训机构与学习板

培训机构和教学团队也会采购 MCU、设计 PCB，但目标与产品公司不同。产品公司为了控制成本，只会集成产品实际需要的外设；教学板则会根据课程内容加入尽可能多的实验外设。

市面上大量 STM32 学习板由培训机构或小团队设计。不同学习板的主要差异包括 PCB 设计方案、布线、外设选型、外设数量和价格。只要真正学透一块板，学习其他板子的成本会明显降低。

如图：

机构做板子的流程和上述公司做主板流程上基本⼀致，如图：

最小系统板则只集成 MCU 能够正常运行所需要的最少电路，适合体积和成本更敏感的实验或产品原型。

三. 供应链示例

从 ARM 到 MCU，再从 MCU 到企业产品或教学开发板，构成一条典型供应链。

ARM 提供 CPU 核心 IP；意法半导体等公司基于核心设计 MCU；终端企业或教学团队购买 MCU，完成原理图、PCB、焊接和软件开发；最终用户接触到的是手机、汽车、家电、机器人或开发板。

ARM 与意法半导体主要面向企业客户，属于 TO B 公司。普通用户不一定熟悉它们，就像消费者熟悉手机品牌，却不一定知道摄像头模组和显示屏供应商一样。

这一部分最终要建立的认识是：嵌入式产品不是一家企业独立完成的。核心设计、芯片制造、板级设计、软件开发和终端产品各有分工，又通过技术文档、标准接口和供应链相互连接。

完整流程图：