嵌入式處理器最近的一些動向

2004年4月A版

　　近日，筆者及同事參加了嵌 入式方面的一些會議，根據(jù)這些資料，我們總結(jié)了嵌入式處理器方面的一些發(fā)展動向。

　　8位：年年花不同

　　32位處理器越來越火了，8位MCU往往是IC設(shè)計(jì)師入門練手的小技巧。盡管8位很重要，不過今天再談8位MCU的性能，是否顯得有些乏善可陳了？帶著這樣的疑問，筆者參加了世界8位MCU付運(yùn)量最大的公司——Microchip的電機(jī)芯片發(fā)布會。Microchip先進(jìn)單片機(jī)及存儲產(chǎn)品部副總裁Ganesh Moorthy先生的回答是否定的。他認(rèn)為未來8位單片機(jī)無處不在，遍及每一個角落；在功能上將變得更加豐富多彩，滿足各種個性化的需要。

　　Moorthy先生說，2002年業(yè)界共銷售了30億塊8位MCU(單片機(jī)或微控制器)。整個單片機(jī)微控制器的市場空間是100億美元左右，其中50%約50億美元為8位MCU的天下。據(jù)Gartner Dataquest的調(diào)查顯示，微控制器有不同的市場區(qū)分，有8位的，16位的，還有32位的，從2002到2007年的五年間，單片機(jī)微控制器的發(fā)展要翻一番，具體來講，就是從100億美元發(fā)展到200億美元；就8位機(jī)而言，也要翻一番，也就是從50億美元增長到100億美元，因?yàn)橛懈嗟膽?yīng)用要使用8位單片機(jī)。

　　與PC這種通用產(chǎn)品不同，嵌入式解決方案是完全不同。通用PC處理器追求高性能；而嵌入式方案所要求的量都是非常具體的、一定的。因此，嵌入式是為特定市場量身定造的。

　　滿足電機(jī)節(jié)能的需要

　　節(jié)能是世界性的潮流，8/16位MCU在節(jié)能方面大有潛力可挖。Microchip十分重視電機(jī)控制方面的應(yīng)用，已于今年3月成立了電機(jī)控制設(shè)計(jì)中心(www.microchip.com/motor)。

　　據(jù)Motion Tech Trends統(tǒng)計(jì)，盡管全球每年生產(chǎn)70多億臺電機(jī)，但其中僅有約20%采用了電子控制。電機(jī)的節(jié)能控制對廣大消費(fèi)者而言很有好處，例如：中國三種常見產(chǎn)品——空調(diào)、洗衣機(jī)和電冰箱。如果能在這些產(chǎn)品中使用變速馬達(dá)控制，可以把能耗降低25%~30%，除此之外，還能降低這些電子產(chǎn)品的噪音。

　　過去一年Microchip推出了10種產(chǎn)品，主要為三類電機(jī)方案：低端的分立方案，主要為一速、二速的開環(huán)控制方案；中端的單片機(jī)控制方法，主要是單一的控制方法；高端的可進(jìn)行復(fù)雜定位、精確計(jì)算的控制(圖1)。

　　Microchip稱該公司的PIC 8位單片機(jī)和dsPIC 16位數(shù)字信號控制器(DSC)進(jìn)行變速控制，可節(jié)能14%~30%。其中DSC是該公司創(chuàng)新的技術(shù)，是16位MCU與DSP融合的產(chǎn)品，市場定位介于MCU與DSP之間，擁有強(qiáng)控制功能和高性能的算法，且價格比DSP低廉。
　　
　　考慮到一些電機(jī)驅(qū)動產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員不熟悉電子電機(jī)控制，Microchip還推出了電機(jī)控制圖形用戶界面(MC-GUI)軟件。不過，對于復(fù)雜的電機(jī)設(shè)計(jì)，單片機(jī)專家馬忠梅女士建議：在采用GUI等開發(fā)工具時，廠商最好能幫助用戶生成一些源文件，以促進(jìn)大家學(xué)習(xí)。因?yàn)楣?jié)能電路一般是很簡單的，關(guān)鍵是看里面的軟件、算法。10年前馬女士曾做過一個電機(jī)節(jié)能項(xiàng)目，電路很簡單，但在軟件上卡住了，做出的東西雖節(jié)能了，但沒勁了，因此希望工程師能與芯片廠商共同探索、提高。Microchip的回答是，該公司實(shí)際上提供了一些算法，GUI使設(shè)計(jì)師首先確定開發(fā)的結(jié)果，例如用于什么樣的應(yīng)用上，GUI可以自動地生成算法。

　　現(xiàn)場可編程MCU

　　在8位MCU領(lǐng)域，Cypress公司的PSoCTM以現(xiàn)場可編程在業(yè)界引起了很大的震動，從問世兩年多來，多次被美國媒體評為熱點(diǎn)產(chǎn)品。許多人把PSoC歸為8位MCU，但Cypress不這樣認(rèn)為，“PSoC是一個完整的SoC(系統(tǒng)芯片)解決方案”。Cypress半導(dǎo)體中國區(qū)區(qū)域經(jīng)理關(guān)錦明說。的確，8位MPU只占PSoC管芯(die)的不足5%，其他是原來在MCU周邊的模擬電路集成起來的?！暗蛻舫０盐覀兊腜SoC當(dāng)MCU來用，只是比傳統(tǒng)的MCU更靈活?！?/P>

　　的確，可編程性是PSoC的一大優(yōu)勢。因?yàn)楹芏郙CU廠商都把必要的模擬電路集成到了MCU中，但Cypress的獨(dú)特之處在于模擬量可編程。Cypress的市場經(jīng)理裘浩解釋PSoC的原理：有些客戶要求MCU前面要有運(yùn)放、濾波等，然后才是A/D?？膳渲脧奈覀兊慕嵌瓤矗械臄?shù)字模塊核心是定時器。例如，PSoC上有基本的8位定時器、計(jì)數(shù)器、帶死區(qū)的PWM。有的客戶要求有8位輸出、16位輸出，16位時是兩個8位定時器/計(jì)數(shù)器串聯(lián)起來，3個串聯(lián)起來就是24位。PWM的核心也是定時器，只要把核心做好，其他就是邏輯計(jì)數(shù)器的配置。模擬也是如此原理，模擬就是一個運(yùn)放，我們做連續(xù)時間可編程的運(yùn)放，做比較器、濾波，都要用到運(yùn)放。在PSoC中有一個電阻陣列，通過選不同的電阻檔，就可改變放大倍數(shù)。Cypress的運(yùn)放精度很高，后面可以做16位A/D轉(zhuǎn)換。

　　由于PSoC放了這么多的計(jì)數(shù)器、邏輯電路，當(dāng)大馬拉小車時，用PSoC成本相對就太高了。不過，Cypress也在努力降低PSoC的成本。今年1月，Cypress宣布了開始量產(chǎn)兩款成本敏感型PSoC，售價分別為1.07美元和0.76美元。其手段主要是把其中的存儲器容量減小等方法。8位是成本敏感型產(chǎn)品，人們通常認(rèn)為8位要想在市場成功，價格應(yīng)低于1美元。經(jīng)過此番瘦身，PSoC把目光瞄向了大批量應(yīng)用市場，如電機(jī)控制、數(shù)字電表等.

　　32位鬧春忙

　　根據(jù)WSTS(世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計(jì))在2003年12月進(jìn)行的“嵌入式設(shè)計(jì)調(diào)查”中，52%的回復(fù)者希望在未來兩年內(nèi)考慮轉(zhuǎn)向32位架構(gòu)。WSTS的市場報告顯示，8位MCU市場規(guī)模為36億美元，出貨量增長，但價值與去年持平。32位市場規(guī)模約25億美元，年增長率約為25%(圖27)。因此，從這個角度，不難理解越來越多的公司都在推出32位產(chǎn)品了。

　　甚至連多年以80C51結(jié)構(gòu)在8位十分吃香的Philips半導(dǎo)體，也在向32位進(jìn)軍了，今年3月Philips推出了基于ARM7TDMI-S的LPC2100。集成了高達(dá)512K的片上閃存，有多達(dá)4個CAN接口，應(yīng)用范圍高達(dá)105/125℃。目標(biāo)市場鎖定為POS終端、電表、STB(機(jī)頂盒)、安全系統(tǒng)等。

　　基于ARM芯核的產(chǎn)品不勝枚舉。夏普美國微電子公司2月也向中國市場發(fā)布了以ARM為芯核的BlueStreakTM系列MCU和SoC技術(shù)的升級產(chǎn)品。日本Oki兩年多前與ARM合作，現(xiàn)在也推出了基于ARM的ML674001及μPLAT開發(fā)平臺。德國英飛凌公司有基于ARM的手機(jī)平臺。美國國家半導(dǎo)體(NS)公司今年2月在美國的Electronic Summit2004會議上，介紹與ARM合作的節(jié)電移動產(chǎn)品方案。Cirrus Logic也推出了基于ARM 7與ARM 9處理器的一系列產(chǎn)品，打算用在其老本行—音、視頻市場，并揮師通用市場。

　　在32位市場上，最令國人驕傲的當(dāng)屬擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的“中國芯”在32位處理器上的群體突破了。2000年12月，北京大學(xué)自主研制成功32/16位混合指令系統(tǒng)的微處理器UniCore32及配套軟件系統(tǒng)，從此之后，32位處理器的研制或量產(chǎn)消息如春潮澎湃。例如，2001年7月，方舟科技公司發(fā)布了“方舟1號”，成為我國第一款商品化的CPU產(chǎn)品；在方舟1號產(chǎn)品發(fā)布近1年半之后，2002年11月方舟2號又推向市場，現(xiàn)在已被一些IT大廠用于了網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)等產(chǎn)品上，推向國內(nèi)、國際市場。2002年11月，上海復(fù)旦微電子公司的“神威1號”CPU研制成功。2003年7月29日，飛龍CPU在香港誕生，它內(nèi)嵌中文造字的功能，由香港文化傳信集團(tuán)公司研發(fā)。2003年10月17日，中科院計(jì)算機(jī)所的“龍芯2號”誕生。2003年12月8日，北京大學(xué)的“北大眾志－863CPU系統(tǒng)芯片”宣布成功批量生產(chǎn)。2004年2月18日，清華大學(xué)研制的32位微處理器THUMP經(jīng)過技術(shù)鑒定，該處理器以500MHz最高工作頻率，成為當(dāng)前國內(nèi)工作頻率最高的微處理器。

　　中國芯的推出振奮了國人，下一步就是如何應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)計(jì)算、移動通信、消費(fèi)電子等領(lǐng)域上了。嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)(RTOS)專家何小慶先生建議，為了更好地推廣新處理器，處理器研發(fā)單位最好在研發(fā)的同時就與眾多的軟件合作伙伴展開合作。他解釋說，象Intel、ARM等處理器、IP廠商，在研發(fā)產(chǎn)品的初期，就開始與第三方合作伙伴合作，告訴他們未來的處理器的模樣，這樣，當(dāng)新處理器面市時，操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件、周邊硬件都幾乎同時推出，聲勢浩大，更有利于工程師迅速采用。

　　IP領(lǐng)域

　　在知識產(chǎn)權(quán)(IP)領(lǐng)域，英國ARM公司可謂最成功的公司，據(jù)ARM中國業(yè)務(wù)總裁譚軍博士介紹，去年底ARM IP付運(yùn)量已超過20億個，其中僅2003年就付運(yùn)了8億個。在今年3月17日上海的“移動通信IC設(shè)計(jì)應(yīng)用高級技術(shù)研討會”(本刊、《電子設(shè)計(jì)應(yīng)用》與上海慕尼黑國際博覽集團(tuán)共同舉辦)上，ARM公司的COO(首席運(yùn)營官)Tudor Brown先生介紹說，ARM在無線設(shè)備領(lǐng)域成績驕人，例如在主流制式的手機(jī)市場占有率超過85%，ARM 標(biāo)準(zhǔn)幾乎成了事實(shí)上的手機(jī)處理器IP標(biāo)準(zhǔn)。為了滿足不同的客戶需要，ARM正在向這幾個方向發(fā)展：更低的功耗(IEM), 更高的性能(SIMD), 提高碼密度(Thumb2), 重視安全(TrustZone)等。

　　ARM的成功原因是多方面的，其中之一是ARM有龐大的第三方合作伙伴，例如ARM有128家半導(dǎo)體廠商，50家開發(fā)工具伙伴，30家操作系統(tǒng)伙伴，40家技術(shù)伙伴。ARM還成立了ARM Connected Community，目前擁有200多名會員。

　　在IP領(lǐng)域，蘇州國芯科技公司也十分活躍。該公司的產(chǎn)品基于Motorola的M*Core，在中國有關(guān)部門的支持下，特別為中國開發(fā)了C*Core芯核。2002年11月，該公司還推出了以C*Core芯核、C*Bus為總線的SOC設(shè)計(jì)平臺。2003年4月，由國芯發(fā)起的C*Core產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成立，聯(lián)盟會員超過了70家公司和大學(xué)，欲馳騁國內(nèi)32位市場。

　　無獨(dú)有偶，象這樣又提供IP又有開發(fā)工具的廠商可能是后進(jìn)入到IP領(lǐng)域廠商的共性。在今年2月Globalpress公司舉辦的Electronic Summit2004會議上，美國IP新秀—ARC公司也宣稱不僅提供32位IP，還免費(fèi)提供一整套軟件開發(fā)工具。不過，該公司由于是后來者，用戶數(shù)與信譽(yù)度有限，用戶還主要是中、小IC設(shè)計(jì)公司，該公司在中國還沒有開設(shè)辦事處。

　　可編程性

　　PLD(可編程邏輯器件)公司也參與到32位的大家庭中了。Altera也感到風(fēng)水有些轉(zhuǎn)了，在Electronic Summit 2004會議上，公司CEO John Daane透露，該公司在成功付運(yùn)1萬余套含16位軟芯核—Nios的基礎(chǔ)上，今年更將推出32位的軟芯核。Xilinx也在32位上軟硬兼施，MPU可用在其最新的Virtex-II Pro FPGA中。筆者認(rèn)為，PLD公司的加盟，主要是圍繞著其老本行—PLD。32位MPU是個亮點(diǎn)，可編程邏輯似乎更重要，因此適用于對PLD需求的MCU場合，例如功能或標(biāo)準(zhǔn)需不斷變化的應(yīng)用。不過，32位MPU+可編程的推出，將使32位世界更加豐富多彩！

　　64位：陽春白雪

　　在國內(nèi)8位、32位打得火熱時，64位的槍聲已經(jīng)在電子發(fā)達(dá)國家打響。提到64位，就不能不想到多年奮戰(zhàn)在這個領(lǐng)域的MIPS公司，更會聯(lián)想到MIPS的忠實(shí)追隨者——加拿大PMC-Sierra。在Electronic Summit 2004上，PMC-Sierra微處理器產(chǎn)品部產(chǎn)品行銷經(jīng)理Jason Chiang向我們介紹了該公司的新動向：其64位MIPS基的MPU解決方案挺進(jìn)數(shù)字音頻娛樂市場，用于數(shù)字轎車娛樂系統(tǒng)、數(shù)字家庭娛樂系統(tǒng)及未來的高端數(shù)字產(chǎn)品等。

　　PMC-Sierra的64位MIPS基處理器速度很高，從200MHz到1GHz都有，并且可從250MHz到9000MHz間無縫升級，性價比合理。非常適用于路由器、交換機(jī)、服務(wù)器/存儲設(shè)備、打印機(jī)、機(jī)頂盒、高清晰度電視(HDTV)和PVR(個人視頻錄像機(jī))。

　　為了進(jìn)一步加快上市速度，考慮到64位外圍應(yīng)用的難度增大，PMC-Sierra還特別為先進(jìn)的消費(fèi)電子應(yīng)用推出了32位的伴侶芯片——PM8172，可與PMC-Sierra的任何一款MPU連接，為客戶提供了一站式采購的可擴(kuò)展的解決方案。PM8172適用于連接瘦客戶機(jī)、先進(jìn)的數(shù)字電纜/衛(wèi)星機(jī)頂盒與PVR/DVR，HDTV與娛樂網(wǎng)關(guān)/服務(wù)器、汽車通信/娛樂設(shè)備等。

　　芯核可配置

　　如果客戶對上市時間要求不高，要求的處理速度更高，也可考慮可配置的64位IP，做自己的SoC。Tensilica的總裁兼CEO Chris Rowen博士在Electronic Summit2004上預(yù)言：未來十年，一塊芯片中需要上千個處理器芯核，每秒要完成1012運(yùn)算！回顧C(jī)PU的發(fā)展歷史，Chris總結(jié)道：1990年代是第一代SoC，特點(diǎn)是1個片上CPU+邏輯+I/O；2000年代出現(xiàn)了是第二代SoC，有很多的可配置的處理器+I/O；未來的SoC處理器將可擴(kuò)展(圖4)。數(shù)碼相機(jī)、網(wǎng)絡(luò)接入、打印機(jī)等將會是這類可配置IP的市場。Tensilica稱其產(chǎn)品已授權(quán)于60多家半導(dǎo)體公司進(jìn)行設(shè)計(jì)，每個SoC用1~100個處理器，平均每個設(shè)計(jì)用6個Tensilica處理器。不過，Tensilica的技術(shù)還是有點(diǎn)叫好不叫座。據(jù)美國EETimes雜志今年初報道，盡管Tensilica宣稱有很多大公司都在用Tensilica的IP進(jìn)行研發(fā)，但少有公司宣稱其新產(chǎn)品中含有Tensilica的軟芯核。Tensilica在中國目前還沒有開設(shè)辦事處。

　　在可編程領(lǐng)域，Xilinx二、三年前就宣布在其FPGA中植入了IBM PowerPC芯核，數(shù)量最多可達(dá)4個，以幫助工程師在短時間內(nèi)進(jìn)行高端通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

　　前兩年，網(wǎng)絡(luò)、通信泡沫的破滅影響了高端處理器的腳步，隨著今年美國經(jīng)濟(jì)的反彈，64位也該行行好運(yùn)了。