嵌入式系統(tǒng)與FPGA的最新動(dòng)向

　　普芯達(dá)趙依軍也認(rèn)為集成更多的數(shù)?；旌闲盘?hào)是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的必由之路，“MCU將會(huì)集成更多更復(fù)雜的模擬功能和處理模塊，構(gòu)成一個(gè)真正意義上的SoC，它將使嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)理念發(fā)生深刻的變化。”但這并不意味著MCU會(huì)脫離數(shù)字核心，相反，這一變化會(huì)促進(jìn)數(shù)字部分性能的提升以滿足越來越高的處理要求。目前，普芯達(dá)不僅會(huì)設(shè)計(jì)集成了模擬和混合信號(hào)的MCU，還會(huì)在以前屬于純粹模擬電路的一些應(yīng)用中開發(fā)智能化的芯片。

　　飛思卡爾的曾勁濤指出，模擬功能將成為MCU產(chǎn)品的一個(gè)差異化優(yōu)勢。分立模擬器件在大多數(shù)情況下仍然具有性能優(yōu)勢。但是，隨著MCU集成模擬的功能不斷增強(qiáng)，分立模擬器件的優(yōu)勢正在逐漸減弱。例如：飛思卡爾Flexis MM系列專門為醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)，集成高精度的16位ADC、DAC、運(yùn)放等高精度模擬單元進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本，加快開發(fā)進(jìn)程。

　　ADI公司稱近期推出的BF506F處理器集成了高性能DSP和高性能AD轉(zhuǎn)換器，在400MHz主頻的前提下，性能達(dá)到11.7bit ENOB(有效位數(shù))。

　　TI公司一直是積極推進(jìn)MCU中增加模擬/混合信號(hào)的企業(yè)。今年1月發(fā)布的低成本浮點(diǎn) Piccolo MCU——TMS320F2806x，可以單獨(dú)來實(shí)現(xiàn)PLC(電力線通信)。使低能耗電機(jī)控制與可再生能源應(yīng)用的開發(fā)人員可采用單個(gè) F2806x MCU 通過低成本方式執(zhí)行控制環(huán)路、電力線通信 (PLC) 協(xié)議以及調(diào)制方案。

　　MCU集成模擬的利弊分析

　　最大的嵌入式芯片MCU企業(yè)——瑞薩電子對(duì)MCU集成模擬十分慎重，去年10月才宣布在MCU研發(fā)中增加模擬/混合信號(hào)功能[8]。瑞薩電子的邱榮豐指出，開發(fā)模擬功能的芯片不容易，因?yàn)閺墓に嚳紤]的話，模擬功能用的技術(shù)工藝是很高的，所以整個(gè)芯片會(huì)變得很大，這樣會(huì)影響到成本。

　　上海普芯達(dá)的趙依軍也認(rèn)為，集成模擬帶來了開發(fā)難度。由于模擬和數(shù)字開發(fā)工作集中在同一顆芯片上，芯片和應(yīng)用設(shè)計(jì)難度都有所增加，尤其是在模數(shù)雙方的相互抗干擾處理上，工程師們將面臨較大的挑戰(zhàn)。

　　市場調(diào)查公司Gartner半導(dǎo)體和電子研究總監(jiān) Adib Ghubril對(duì)MCU中集成模擬的觀點(diǎn)也是謹(jǐn)慎的。Adib分析道，小型化可以提高系統(tǒng)的可靠性(主板上的芯片數(shù)量更少)、使體積更小(從而提高可用性和靈活性)，并能使人們獲得更高的收益。但是，與其具有相似功能的純粹的數(shù)字MCU相比，混合信號(hào)MCU存在性能降低的問題，——盡管目前人們尚未弄清兩者之間在系統(tǒng)級(jí)(即主板級(jí))上存在何種差異。而且，相比于模擬和數(shù)字電路分別按照各自獨(dú)立的技術(shù)路線圖發(fā)展，數(shù)模集成會(huì)增加晶圓片級(jí)的風(fēng)險(xiǎn);承擔(dān)這些風(fēng)險(xiǎn)必須能夠有利于給我們帶來回報(bào)。通常，雖然我們期望Freescale以及Renesas(瑞薩)等領(lǐng)軍企業(yè)能夠推出體積更小的器件;但是，Gartner發(fā)現(xiàn)許多公司缺乏必要的資金去實(shí)施此類集成路線圖。

　　許多公司使用混合信號(hào)MCU這種術(shù)語去描述具有板上比較器(on-board comparators)或模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器的芯片;雖然這一術(shù)語也許是正確的，但它還是存在一些誤導(dǎo)，“因?yàn)樵谖业念^腦中，混合信號(hào)技術(shù)綜合了類似電壓基準(zhǔn)/調(diào)節(jié)器、傳感器甚至功率放大器等東西，并最終將會(huì)包含功率放大器。”但另一方面，“特殊應(yīng)用”MCU的趨勢一般受到嵌入界股東的支持，同時(shí)，在芯片制造商中能夠更為清晰地看到這種趨勢。分立模擬器件的機(jī)會(huì)

　　而分立模擬器件廠商對(duì)此的看法如何呢?Intersil公司Tamara Schmitz在《電子產(chǎn)品世界》2010年12期《信號(hào)鏈的集成與去集成》[9]中指出：“??但你為什么要選擇去集成呢?原因有很多。產(chǎn)品或應(yīng)用可能比較新，還沒到有必要投資開發(fā)一個(gè)ASSP設(shè)計(jì)的地步。其次是沒有一點(diǎn)靈活性。萬一你想升級(jí)到更高階的濾波器，以補(bǔ)償一個(gè)新的強(qiáng)干擾?萬一你想嘗試一個(gè)新的轉(zhuǎn)換器配置?萬一你必須快速建立一個(gè)原型產(chǎn)品?萬一小的設(shè)計(jì)改動(dòng)能讓你的系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加靈活，并且能容納更多的應(yīng)用和更多的客戶?我個(gè)人特別喜歡的情況是：萬一你希望得到更低的功耗呢?許多轉(zhuǎn)換器需要1.8V電源，而許多運(yùn)算放大器可能需要3.3V或5V來達(dá)到系統(tǒng)所需的動(dòng)態(tài)范圍/CMRR。分立方案的選擇更多，對(duì)應(yīng)用的優(yōu)化也更多。許多有經(jīng)驗(yàn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)者對(duì)電路布板和電源旁路十分精通，他們傾向于選用分立方案，這樣可以保留進(jìn)一步選擇的便利。”

　　目前，分立模擬器件也在發(fā)展，集成度越來越高，越來越簡單易用，或者開發(fā)特殊的應(yīng)用產(chǎn)品。例如，美國國家半導(dǎo)體公司(NS)今年1月推出了可配置傳感器模擬前端(AFE)芯片為例，LMP91000是可全面配置的低功耗恒電位儀，可在傳感器與ADC間提供一個(gè)高度集成的完整信號(hào)路徑，適用于微功耗的化學(xué)物質(zhì)及氣體檢測應(yīng)用。為了簡單易用，NS還提供了開發(fā)工具。據(jù)NS精密信號(hào)路徑產(chǎn)品部副總裁James Ashe介紹，NS在完成傳感器信號(hào)路徑設(shè)計(jì)的WEBENCH傳感器模擬前端電路設(shè)計(jì)工具(WEBENCH Sensor AFE Designer)上也進(jìn)行了重要投資，使電路可調(diào)，來兼容多種技術(shù)規(guī)格，支持?jǐn)?shù)百款溫度、壓力及化學(xué)傳感器。“像LM91000芯片的恒電位儀電壓和輸出增益都可根據(jù)設(shè)計(jì)要求自行設(shè)置，這令工程師可以探測更多的氣體種類，或者探測不同的氣體濃度，并確保設(shè)備的總系統(tǒng)功耗可低至10μA(平均值)。”