硬件仿真如何讓嵌入式系統(tǒng)便宜可靠

　　越來越多的系統(tǒng)設(shè)計或整機制造企業(yè)意識到，要保證產(chǎn)品的創(chuàng)新或是獨特性，必須要有自家獨特的設(shè)計。如果是能夠在核心的控制芯片或是處理芯片，采用自家專有的技術(shù)，同時還能降低對供應(yīng)商的依賴或是材料成本，這將會是在市場上取得成功的重要，甚至是關(guān)鍵的因素。

　　在本文中，筆者很樂意來分享一個無人機市場上，一家方案公司自己設(shè)計開發(fā)MCU的故事，給大家一些啟發(fā)。

　　在過去的一年中，玩具級無人機的出貨增長逐漸放緩，在澄海眾多玩具無人機廠商激烈的低成本競爭中，玩具無人機對于方案商的要求不斷增加。玩具無人機不僅能手控各種飛行，還要增加越來越多的功能，包括拍攝高清視頻、遠(yuǎn)距離無線視頻傳輸、甚至還要配有簡單的云臺。最后價格還要定在1000元以下。這對于無人機的上游方案公司來說，要保持出貨量，就必須不斷地增加功能，同時還要降低成本。

　　“能夠降一毛錢，對于我們的BOM成本來說都很重要。價格越低的方案，成本壓力越大，因為低價格的方案往往出貨量更大?！币晃簧钲诘姆桨腹狙邪l(fā)老總C先生對電子工程專輯表示。

　　業(yè)內(nèi)人士估計，2016年玩具級無人機中國廠商的出貨量在3千萬至5千萬臺，現(xiàn)在主要由深圳的為數(shù)不多的方案公司在主打這個市場。由于技術(shù)不斷升級更新，原本很多的方案公司，逐漸選擇退出。原因一方面是研發(fā)與設(shè)計人才，不斷地被無人機龍頭企業(yè)挖走，培養(yǎng)新的人才根本很難適應(yīng)。“我們來不及培養(yǎng)一個新人去做出有競爭力的方案，老的工程師現(xiàn)在根本留不住。”一家退出市場的方案公司老板苦笑著感嘆說。

　　進(jìn)入2017年以來，玩具級無人機的市場增長放緩也是很多方案公司選擇退出的原因?？蛻羯倭?，再增加投入的意義不大。

　　但在這個時候，有一家深圳的方案公司，卻選擇去開一顆ARM Cortex-M0的MCU。設(shè)計上，他們采用了設(shè)計外包，一個幾個人的內(nèi)地開發(fā)團(tuán)隊，幾十萬的流片費用，看起來是可以承受的范圍內(nèi)。畢竟，如果這顆芯片成功了，今后所有的方案都有機會采用自家的芯片了?！耙环矫婵梢越鉀Q市場缺貨的問題，另一方面以后自己的方案要增長新的功能，就可以用自己定制化的MCU，成本降下來的同時，用起來還更省心?！盋先生解釋說。

　　也許在很多個成熟的應(yīng)用市場，都已經(jīng)被中國本土公司設(shè)計的芯片滲透進(jìn)來。這得益于中國本土IC設(shè)計人才在過去十幾年中，在與客戶接觸的過程中，了解到了客戶的需求。同時，還在參與到外資芯片公司IC設(shè)計的項目中，積累了很多的經(jīng)驗。

　　現(xiàn)在很多公司的老板常說的一句就是：“不行咱們就自己開一顆?！币苍S在深圳的電子企業(yè)，或者是更廣泛的消費類電子產(chǎn)品制造企業(yè)里，越來越多的公司會選擇采用ARM授權(quán)的IP，來自主開發(fā)MCU，甚至更高端的芯片。

　　ARM公司特別推出了一個基于Cortex-M0的在線設(shè)計平臺“Design Start”。除了有易用的設(shè)計工具、豐富的IP與專家社群資源，也提供低成本的原型制作與低門坎授權(quán)條件，能在使用者將創(chuàng)意化為實際量產(chǎn)成品的過程中提供充分的協(xié)助。

　　常用單片機系列

　　1.8051系列單片機

　　Intel公司于1980年推出8位的高性能8051單片機，在工業(yè)控制領(lǐng)域引起不小的轟動，并迅速確立了其不可動搖的地位。之后不久，Intel公司徹 底開放了8051單片機的技術(shù)，引來世界上很多半導(dǎo)體廠商加入了開發(fā)和改造8051單片機的行列中，這其中貢獻(xiàn)最大的有Philipe公司，它著力發(fā)展了 單片機的控制功能和外圍單元;Atmel公司，它在單片機內(nèi)部植入了Flash ROM，使得單片機應(yīng)用變得更靈活，在我國擁有大量的用戶;ADI公司，它推出的AduC8 xx系列單片機，在單片機向SOC發(fā)展的模/數(shù)混合集成電路發(fā)展過程中扮演了很重要的角色;Cygnai公司，它采用一種全新的流水線設(shè)計思路，使單片機 的運算速度得到了極大的提高，在向SOC發(fā)展的過程中邁出了一大步。

　　目前8051系列單片機各生產(chǎn)廠商的主流產(chǎn)品有幾十個系列，幾百個品種。盡管其各具特色，名稱各異，但作為集CPU、RAM、ROM(或EPROM)、 I/O接口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)為一體的單片機，其原理大同小異?，F(xiàn)以Intel公司的系列產(chǎn)品為例，說明其各系列之間的區(qū)別。

　　Intel公司從其生產(chǎn)單片機開始，發(fā)展到現(xiàn)在，大體上可分為3大系列： MCS-48系列、MCS-51系列、MCS-96系列。該3大系列的性能簡介見表1。

　　表1 Intel單片機系列性能簡介  

　　這里，我們僅對MCS-51系列作一簡要介紹。MCS-51系列單片機雖已有10多種產(chǎn)品，但可分為兩大系列：MCS-51子系列與MCS-52子 系列。 MCS-51子系列中主要有8031、8051、8751 三種類型。而MCS-52子系列也有3種類型8032、8052、8752。各子系列配置見表1.2所示。  

　　表1.2中列出了MCS-51系列單片機的兩個子系列，在4個性能上略有差異。 由此可見，在本子系列內(nèi)各類芯片的主要區(qū)別在于片內(nèi)有無ROM或EPROM;MCS-51與MCS-52子系列間所不同的是片內(nèi)程序存儲器ROM從4 KB增至8 KB;片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器由128個字節(jié)增至256個字節(jié);定時器/計數(shù)器增加了一個;中斷源增加了1～2個。另外，對于制造工藝為CHMOS的單片機，由于采用 CMOS技術(shù)制造，因此具有低功耗的特點，如8051功耗約為630 mW，而80C51的功耗只有120 mW。

　　其它單片機

　　當(dāng)很多公司在改造MCS-51系列單片機的同時，世界上一些有影響力的大公司也在開發(fā)自己的單片機，比如Motorola、TI、Microchip、OKI、Epson等。這些單片機的指令系統(tǒng)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)都和MCS-51系列單片機不同，功能也各有千秋。

　　(1)Motorola的單片機

　　Motorola是世界上最早開發(fā)單片機的著名廠商，是目前全球最大的8位單片機生產(chǎn)商。現(xiàn)在已經(jīng)擁有8位、16位和32位約十幾個系列的單片機，這其中 8位機主要有68HC05、68HC08和68HC11等3個系列;16位機主要有HCS12、68HC12、DSP56800和68HC16等4個系 列;32位機主要有Coldfire的MC683xx、MCORE、MPC500和MCF5 xxx等系列。Motorola單片機的功能一般都很強，進(jìn)入我國的時間也很早，在單片機應(yīng)用領(lǐng)域有很高的威望，但由于其開發(fā)工具價格較高，影響了普及率。

　　(2)Microchip公司的PIC單片機

　　Microchip公司是當(dāng)今世界上第二大8位單片機生產(chǎn)商，Microchip單片機在我國也有比較多的用戶，近幾年隨著Microchip不斷推出頗 具特色的各型單片機，Microchip已越來越受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。目前，市面上比較常見的單片機主要有以下3個系 列：PIC12C5xxx/16C5x系列，這兩個系列的單片機是PIC單片機中的低端產(chǎn)品，其中PIC16C5x系列是最早在市場上得到發(fā)展的系列，因其價格較低，且有較完善的開發(fā)手段，因此在國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛;而PIC12C5xx是世界上第一個8腳低價位單片機，可用于一些對單片機體積要求較高的簡 單智能控制領(lǐng)域，前景十分廣闊。PIC12C6xx/ PIC16Cxxx系列是PIC中檔產(chǎn)品，是Microchip近年來重點發(fā)展的系列產(chǎn)品，品種最為豐富，其性能比低檔產(chǎn)品有所提高，指令周期可達(dá)到 200ns，增加了中斷功能、帶A/D、內(nèi)部E2PROM數(shù)據(jù)存儲器、雙時鐘工作、比較輸出、捕捉輸入、PWM輸出、I2C和SPI接口、異步串行通信 (USART)、模擬電壓比較器及LCD驅(qū)動等，其封裝從8腳到68腳，可用于高、中、低檔的電子產(chǎn)品設(shè)計中，適合于高級復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)，其性能在中檔位單片機的基礎(chǔ)上增加了硬件乘法器，指令周期可達(dá)成160ns，它是目前世界上8位單片機中性價比最高的機種之一，可用于高、中檔產(chǎn)品的開發(fā)，如馬達(dá)控制、音調(diào)合成。

　　(3)TI(Texas Instruments)公司的MSP430單片機

　　TI公司是聞名全球的DSP制造商，但其前幾年才推出的MSP430系列16位單片機同樣在業(yè)界掀起不小的波瀾。MSP430系列單片機最突出的特點是低電壓供電和超低功耗，非常適合應(yīng)用于采用電池長時間工作的場合。電壓范圍為1.8~3.6V;在1MHZ2.2V下，活動模式功耗為225μA，待機模式 功耗為0.8μA、掉電模式功耗為0.1μA。在這個系列中有很多個型號，它們是由一些基本功能模塊按照不同的應(yīng)用目標(biāo)組合而成的。MSP430系列單片 機的CPU采用16位RISC精簡指令系統(tǒng)，集成有16位寄存器和常數(shù)發(fā)生器，發(fā)揮了最高代碼效率;它采用數(shù)字控制振蕩器(DCO)，使得從低功耗模式到 喚醒模式的轉(zhuǎn)換時間小于6μs;內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換器，工業(yè)應(yīng)用方便;其中MSP430x41x系列設(shè)計有一個16位定時器、一個比較器、96段LCD 液晶驅(qū)動器和48個通用I/O口。