32位MCU值得關(guān)注的技術(shù)

　　“32 位MCU 的發(fā)展趨勢(shì)是要求產(chǎn)品所需的更高的計(jì)算性能、大容量存儲(chǔ)、低功耗、集成的復(fù)雜性和更多的軟件支持，使DSP和MCU走向功能融合(記者注：成為DSC)，并有大而全的趨勢(shì)。” 蘇州國(guó)芯科技有限公司總經(jīng)理肖佐楠總結(jié)道，同時(shí)，隨著新型的電子設(shè)備對(duì)網(wǎng)絡(luò)多媒體和無(wú)線功能需求的增加，MCU產(chǎn)品集成越來(lái)越多的模擬功能和新的外圍電路。隨著信息爆炸性地發(fā)展，對(duì)信息安全的需求越來(lái)越迫切，這將是MCU發(fā)展的又一新熱點(diǎn)，因此具有集成信息安全功能的CPU和大規(guī)模數(shù)據(jù)計(jì)算處理模塊設(shè)計(jì)平臺(tái)將會(huì)得到MCU設(shè)計(jì)用戶的歡迎。

　　意法(ST)半導(dǎo)體公司大中國(guó)區(qū)微控制器事業(yè)部市場(chǎng)經(jīng)理曹錦東補(bǔ)充道：未來(lái)是節(jié)能和環(huán)保的世界，對(duì)MCU來(lái)說(shuō)，在各種工作狀態(tài)的功耗水平，以及電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)先否，是衡量32位MCU是否滿足未來(lái)發(fā)展要求的重要指標(biāo)之一。同時(shí)，未來(lái)也是網(wǎng)絡(luò)的時(shí)代，豐富的通訊接口也是一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。另一方面，在消費(fèi)電子領(lǐng)域，用戶體驗(yàn)性和友好的操作界面將變得越來(lái)越重要。

　　高性能

　　ARM中國(guó)總裁譚軍博士說(shuō)，從市場(chǎng)需求來(lái)看，我們認(rèn)為32位MCU的發(fā)展趨勢(shì)將圍繞性能、通訊功能和用戶界面三個(gè)方面。

　　“內(nèi)核高性能及低功耗技術(shù)是各廠家關(guān)注的重點(diǎn)。”MIPS 科技公司戰(zhàn)略營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Ian Anderton說(shuō)，MCU 開(kāi)發(fā)人員必須盡可能以最低的成本創(chuàng)建高性能設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，他們需要有效的電源管理解決方案和確定性操作。他們也需要一個(gè)能夠減少應(yīng)用程序代碼長(zhǎng)度的架構(gòu)，反過(guò)來(lái)可以減少所需閃存，進(jìn)而降低設(shè)備成本。為了充分實(shí)現(xiàn)復(fù)用并滿足不同的應(yīng)用需求，開(kāi)發(fā)人員也需要一個(gè)具有高度可配置性和靈活性的標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)。隨著業(yè)界向 32 位 MCU 過(guò)渡，他們也需要各種外設(shè)，包括 USB、HDMI 和音頻編解碼器等高性能輸入/輸出。

　　NEC電子中國(guó)應(yīng)用技術(shù)部部長(zhǎng)趙明宇說(shuō)，32位的MCU在通用的基礎(chǔ)上，將來(lái)會(huì)向更低功耗，應(yīng)用專(zhuān)門(mén)化、可重用性等方面發(fā)展；在此基礎(chǔ)上，與之匹配的All Flash化、安全性等方面的技術(shù)也日益顯得重要起來(lái)。

　　8位到32位的平穩(wěn)過(guò)渡

　　對(duì)于有強(qiáng)大8位單片機(jī)背景的公司來(lái)說(shuō)，如何使用戶實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)有的8位平穩(wěn)過(guò)渡到32位成為一個(gè)焦點(diǎn)。NXP半導(dǎo)體多重市場(chǎng)大中華區(qū)高級(jí)產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理金宇杰說(shuō)，基于低端32位MCU產(chǎn)品開(kāi)發(fā)要和8位的單片機(jī)一樣簡(jiǎn)單方便：片上內(nèi)存，集成的片上外設(shè)接口，無(wú)須外擴(kuò)總線，可以選擇使用精簡(jiǎn)的操作系統(tǒng)或不使用操作系統(tǒng)，低成本的通用開(kāi)發(fā)工具。例如，NXP從8位單片機(jī)到32位ARM系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)沒(méi)有門(mén)檻，而同時(shí)得到的是32位的高性能：速度更快，內(nèi)存更大，外設(shè)接口更豐富。為支持8位到32位的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，NXP已推出一系列集成高達(dá)512K的片上閃存的微處理器，近期又完成了1M片上閃存的32位微處理器。

　　Freescale微控制器部高級(jí)市場(chǎng)經(jīng)理黃耀君說(shuō)，32位MCU未來(lái)會(huì)有兩個(gè)發(fā)展。一是低端32位會(huì)越來(lái)越便宜，例如Freescale的RS08在32位的翻版，F(xiàn)reescale將會(huì)在近期推出一系列低端32位產(chǎn)品，特點(diǎn)是做8位MCU的控制延續(xù)，在8位MCU功能不能滿足的情況下，用低端32位直接替代；另一方面，是取代16位MCU市場(chǎng)，Coldfire在16位、32位的架構(gòu)都有，32位的發(fā)展越來(lái)越好。例如，08年2月26日，F(xiàn)reescale推出了其Flexis JM系列微控制器(MCU)，特點(diǎn)是具有USB連接功能，32位MCF51JM128 (JM128)ColdFire MCU以及8位MC9S08JM60 (JM60)器件，二者的軟件和引腳是兼容的。

　　Microchip公司去年11月推出基于MIPS核的32位單片機(jī)，公司執(zhí)行副總裁Ganesh Moorthy說(shuō)：“在推出32位MCU前，我們冷靜地思考我們要開(kāi)發(fā)什么。我們要保持三個(gè)原則：1，保持兼容性，即在保持PIC單片機(jī)的精華同時(shí)，便于移植；2，有更大的容量和性能，3便于初學(xué)者學(xué)習(xí)和購(gòu)買(mǎi)。” Microchip PIC16位和32位單片機(jī)的內(nèi)核架構(gòu)非常類(lèi)似，引腳兼容。

　　瑞薩也計(jì)劃在09年推出RX系列，開(kāi)發(fā)繼承了H8/M16C族“DNA”的下一代控制用CPU。在08年2月底召開(kāi)的“瑞薩論壇2008”上，瑞薩宣布即將推出RX系列，RX是Renesas extreme的簡(jiǎn)稱(chēng)，基礎(chǔ)是32位產(chǎn)品，低功耗方面采用了16位架構(gòu)，工作頻率可達(dá)200MHz，在CISC MCU中水平較高。同時(shí)RX將和瑞薩8位的R8C有很好的互通性(不能說(shuō)是繼承，因?yàn)閮?nèi)存不同，但體系結(jié)構(gòu)類(lèi)似)。RX與M16C的兼容性力求在三個(gè)層面保證：1，匯編語(yǔ)言的兼容性，現(xiàn)在的M16C匯編語(yǔ)言和H8S的匯編語(yǔ)言、程序可以自動(dòng)編譯到RX的機(jī)器上；2，C語(yǔ)言的兼容性；3，OS的兼容性。實(shí)際上從編譯環(huán)境和使用方式來(lái)說(shuō)，編譯器的形狀、個(gè)體、大小都是一致的。

　　各派堅(jiān)持自己的內(nèi)核路線

　　盡管ARM在手機(jī)中獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，并有大力進(jìn)軍32位MCU領(lǐng)域的態(tài)勢(shì)，但是在MCU領(lǐng)域沒(méi)有實(shí)現(xiàn)一統(tǒng)天下的局面。究其原因，控制領(lǐng)域的應(yīng)用是多種多樣的。在2月底的“瑞薩論壇2008”活動(dòng)中，瑞薩科技(北京)有限公司北京技術(shù)中心總經(jīng)理常清璞的話可以代表一些廠商堅(jiān)持自己獨(dú)有內(nèi)核的原因。他說(shuō)，瑞薩的優(yōu)勢(shì)是產(chǎn)品已被大量應(yīng)用在各種應(yīng)用領(lǐng)域，因此瑞薩能夠采集到更全面的數(shù)據(jù)，各種更典型的應(yīng)用程序，然后對(duì)它們進(jìn)行分析，因而解決方案更加全面和理性，例如像外圍功能的模塊，從定時(shí)器、馬達(dá)控制、各種應(yīng)用計(jì)時(shí)器，到通訊，瑞薩的IP非常豐富。這樣從內(nèi)核和功能來(lái)看，瑞薩認(rèn)為是有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的。從實(shí)際市場(chǎng)的數(shù)據(jù)表明，瑞薩也是比某某的ARM要占有更多的市場(chǎng)。瑞薩電子(上海)有限公司國(guó)內(nèi)客戶事業(yè)部執(zhí)行總監(jiān)邱榮豐補(bǔ)充道：“盡管ARM的控制快、速度快，但存儲(chǔ)不夠快。瑞薩按照市場(chǎng)的要求，RX有快速的CPU，包括快速度的存儲(chǔ)器，這是瑞薩的優(yōu)勢(shì)。”

　　SoC化

　　Microchip的Ganesh Moorthy認(rèn)為，通用型的32位 MCU正在演化成為一種成本經(jīng)濟(jì)性極好的SoC解決方案，集成了復(fù)雜的模擬功能(例如ADC)、大規(guī)模的內(nèi)存、非常復(fù)雜的功能。例如：USB移動(dòng)通(USB On The Go)]和高性能的內(nèi)核(例如MIPS核)。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的32位 MCU上實(shí)現(xiàn)水平如此之高的集成化，可以為客戶提供一種可以替換傳統(tǒng)ASIC的經(jīng)濟(jì)性好的解決方案。

　　低成本化

　　ARM Cortex-M3是ARM公司近年推出的一個(gè)低成本內(nèi)核，主打存儲(chǔ)器和處理器的尺寸對(duì)產(chǎn)品成本影響極大的各種應(yīng)用市場(chǎng)，是針對(duì)這些市場(chǎng)的低成本需求專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的微處理器內(nèi)核。記者推測(cè)是ARM公司為其流行的ARM7(1993年開(kāi)始問(wèn)世)的補(bǔ)充或替代，成本更低，效率更高。

　　Luminary Micro公司是第一個(gè)采用ARM Cortex-M3(06年夏天)的勇于吃螃蟹者，首席市場(chǎng)官Jean Anne Booth號(hào)稱(chēng)Luminary已經(jīng)夷平了8位、16位和32位 MCU之間的障礙：“我們可以提供具有32位性能、而價(jià)格堪與8位和16位解決方案相競(jìng)爭(zhēng)的解決方案。”產(chǎn)品從Cortex-M3的20MHz@ 1美元(與8位市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng))一直到Cortex A8 的1GHz，在保證指令集兼容性的情況下，其價(jià)格和性能的變化范圍很寬。其優(yōu)勢(shì)是，各家公司中第一次能夠利用同一個(gè)指令集和代碼基來(lái)滿足其在整個(gè)性能和成本變化范圍上的需要。Luminary Micro專(zhuān)注于工業(yè)市場(chǎng)上的電源、安全和連接部分。

　　ST公司2007年6月也推出了基于ARM Cortex-M3的產(chǎn)品，并且新聞發(fā)布會(huì)的首站選擇了偏愛(ài)低成本的我國(guó)。與Luminary不同的是，ST希望用Cortex-M3核心的MCU主打16位市場(chǎng)。ST贊譽(yù)Cortex-M3測(cè)試達(dá)到1.25DIMPS/MHz，而流行的ARM7TDMI只有0.95 DIMPS/MHz。在性能方面，STM32系列的處理速度比同級(jí)別的基于ARM7TDMI的產(chǎn)品快30%，換句話說(shuō)，如果處理性能相同，STM32產(chǎn)品功耗比同級(jí)別產(chǎn)品低75%。同樣地，使用新內(nèi)核的Thumb 2指令集，設(shè)計(jì)人員可以把代碼容量降低45%，幾乎把應(yīng)用軟件所需內(nèi)存容量降低了一半。STM32系列產(chǎn)品按性能又分成兩個(gè)不同的系列：STM32F103“增強(qiáng)型”和STM32F101“基本型”，基本型的32位閃存、48引腳產(chǎn)品每萬(wàn)片1.8美元左右。除了工業(yè)、家電、消費(fèi)電子應(yīng)用外，該系列還定位于低功耗的設(shè)備，如血糖和血脂監(jiān)測(cè)設(shè)備。

　　FPGA應(yīng)用

　　由于FPGA已經(jīng)進(jìn)入65nm時(shí)代，成本與SoC/ASIC越來(lái)越接近，一些習(xí)慣使用FPGA進(jìn)行批量的生產(chǎn)廠商，需要增加MCU/處理器等功能。另外一種情況是，盡管MCU是比較標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的產(chǎn)品，但還是不能滿足所有要求。對(duì)于一些特殊的需求，MCU供應(yīng)商往往希望先從FPGA開(kāi)始，進(jìn)行小規(guī)模的生產(chǎn)，在獲得成功后再進(jìn)行更大的量產(chǎn)。

　　IP的選擇和RTOS匹配

　　對(duì)于FPGA中嵌入MCU，需要考慮多方面。Xilinx亞太區(qū)DSP產(chǎn)品及解決方案營(yíng)銷(xiāo)業(yè)務(wù)的高級(jí)經(jīng)理林鴻瑞說(shuō)，對(duì)于FPGA選用MCU內(nèi)核，除了MCU內(nèi)核以外，我們還必須考慮到對(duì)外設(shè)模擬/數(shù)字IP的需求，以及MCU是否能夠支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)。

　　選擇MCU內(nèi)核僅僅解決了復(fù)雜問(wèn)題的一部分。開(kāi)發(fā)人員需要選擇配有適當(dāng)外設(shè)的MCU來(lái)滿足自己的最終產(chǎn)品要求。如果選擇的MCU帶有許多用不到的外設(shè)可能會(huì)增加總體系統(tǒng)成本。另外，對(duì)能夠運(yùn)行RTOS的MCU的需求也在增長(zhǎng)。使用RTOS有幾大顯著原因：除了提供實(shí)時(shí)多任務(wù)能力以外，RTOS施加的任務(wù)型設(shè)計(jì)流程比沒(méi)有RTOS的系統(tǒng)更清晰，更容易組織；RTOS支持代碼重利用，通過(guò)提供中間件鏈接和縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間為應(yīng)用提供有用的服務(wù)。在時(shí)序關(guān)鍵的應(yīng)用中，RTOS可預(yù)測(cè)的響應(yīng)時(shí)間也進(jìn)一步保證了應(yīng)用的質(zhì)量。

　　為進(jìn)一步適應(yīng)這一趨勢(shì)，除已經(jīng)為Microblaze軟內(nèi)核提供的免費(fèi)IP以外，Xilinx公司還新提供了4款免費(fèi)IP(IIC、UART、FPU 和 10/100 lite EMAC)。為滿足RTOS需求，Xilinx還發(fā)布了其支持Linux 2.6 RTOS的Microblaze軟內(nèi)核版本。

　　Cortex-M1

　　ARM曾試圖和一些FPGA廠商合作，把ARM7打進(jìn)FPGA領(lǐng)域，但是沒(méi)有流行起來(lái)。為此，ARM推出了針對(duì)FPGA應(yīng)用優(yōu)化的Cortex-M1處理器。07年3月，Actel在京宣布采用ARM公司專(zhuān)為FPGA優(yōu)化的新核Cortex-M1，Actel亞太區(qū)總經(jīng)理賴(lài)炫州說(shuō)，F(xiàn)PGA優(yōu)化Cortex-M1在資源占用和速度方面取得了平衡，不僅如此，憑借著Actel超低功耗專(zhuān)利技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在睡眠模式下，Cortex-M1耗電最低可少于8mA。