MCU的高集成度與低功耗設(shè)計應(yīng)對市場需求

面對繽紛多彩的 MCU 世界，如何在新品設(shè)計，老產(chǎn)品更新?lián)Q代中正確的選擇芯片和供應(yīng)商將是要面臨的一個重要的題目，因為無論是產(chǎn)品的更新還是 MCU 的更新速度都遠遠超出設(shè)計者預(yù)想，正確把握 MCU 發(fā)展趨勢，利用 MCU 幫助產(chǎn)品創(chuàng)新是電子設(shè)計者正在考慮的問題。

最近一段時間各大半導(dǎo)體公司紛紛表現(xiàn)出對 MCU(微控制器 / 單片機)市場的關(guān)注，相繼推出新型的 MCU芯片，飛思卡爾公司在 6 月 17 日佛羅里達州奧蘭多市 飛思卡爾技術(shù)論壇上宣布 MCU 將是他們未來業(yè)務(wù)增長的重要產(chǎn)品線，除了繼續(xù)引領(lǐng)汽車電子領(lǐng)域 MCU 的優(yōu)勢外，將重視通用 MCU 的發(fā)展; ARM 體系結(jié)構(gòu)在嵌入式微處理器市場高速增長帶動了 ARM 在 MCU 市場優(yōu)勢的領(lǐng)先，繼ARM7TDMI 獲得成功后， Cortex-M3 以高性能，低功耗和低費用正在成為新一代 32 位 MCU 的主流; 8/16 位 MCU繼續(xù)保持市場產(chǎn)量的優(yōu)勢，各種 8051 結(jié)構(gòu)依是 8 位 MCU的主流，傳統(tǒng) 8 位 MCU AVR 、瑞薩 R8C/Tiny 也紛紛發(fā)布新品， 16 位的 MSP430 在低功耗無線應(yīng)用表現(xiàn)出眾。

32 位大行其道

消費類電子，汽車電子和工業(yè)應(yīng)用三大行業(yè)正在推動32 位 MCU 的廣泛采用， Gartner 的數(shù)據(jù)顯示，到了 2012年， 32 位 MCU (加上 32 位智能卡)的整個數(shù)量將非常接近 8/16 位 MCU 總合，但是銷售額將超過 8/16 MCU 。(見圖 1 )。這也不難看出老牌的 8/16 位 MCU 廠商 2008 年紛紛進入 32 位市場，推出和其 8/16 位保持兼容的 32 位 新品的真正原因了：誰也不想放棄 32 位 MCU 的這道大餐，況且盛筵還遠沒有開始呢。比如 Microchip 2008 年發(fā)表了PIC32 就是希望在穩(wěn)定其用戶在向 32 位升級時的選擇。

圖 1 MCU 市場的價值

32位MCU能夠帶來更高的性能，而且并不很貴的價格。資料顯示最新的 STM32 Coretex M3 是 1.25DMIPS ，PIC32 有 1.5DMIPS ; 32 位 MCU 還擁有更大的閃存空間(不夠還可以外擴)，保證大容量的軟件代碼運行以適應(yīng)應(yīng)用軟件的增加。在 32 位 MCU 市場上開放 CPU 體系得到充分的認(rèn)可，比如 ARM7/9 、CortecM3 和 MIPS ，在ARM7TDMI 被世界上包括 NXP 、Atmel 在內(nèi)主要 MCU 廠商生產(chǎn)并大獲成功后， ARM 新近發(fā)表的 Cortex-M3 有希望成為 MCU 中的 8051 ，除了高性能、大存儲空間和豐富軟件和工具支持外， Cortex-M3 核只有 0.19 mW/MHz(8051 是 0.5mW/MHz)。以 ST32F10X 為例，它可以在2.0~3.6V 電壓下工作，在待機模式(RTCon)只有 3.5uA電流消耗，在閃存運行時也只有 0.5mA/MHz 消耗。繼2006 年 初創(chuàng)公司 Luminary 推出了基于 Cortex-M3 的 8 位MCU 后， ST(意法半導(dǎo)體)在 2007 年推出 ST32 MCU 到今天 ST 共有 46 款產(chǎn)品。其他半導(dǎo)體公司也不甘落后，NXP 、TI 和 Zilog 相繼宣布獲得 Cortex-M3 授權(quán)，最近Ateml 宣布獲得 Cortex-M3 授權(quán)為下一代的 AT91SAM 的核心(Atmel 基于 ARM 技術(shù)的 MCU)。Atmel 計劃其MCU的高集成度與低功耗設(shè)計應(yīng)對市場需求AT91SAM3 閃存 MCU 系列將組合 ARM Cortex-M3 處理器和系統(tǒng)部件，如多層次的內(nèi)部總線，一個高速的 DMA 支持系統(tǒng)外設(shè)和分布式外設(shè)控制器，以達到更高速的數(shù)據(jù)傳輸能力。無疑 Atmel 的加入將奠定 Coretex-M3 在 MCU 市場的地位。以目前情況看，新的設(shè)計如果不考慮到老產(chǎn)品的繼承性問題，在選擇 ARM 核 MCU 時，可以優(yōu)先考慮使用 Coretex-M3 的 MCU 芯片。

32位MCU未來還會向多核方向發(fā)展。我們知道多核應(yīng)用目前主要集中在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器中，但是伴隨密集計算需求的產(chǎn)生，比如汽車電子、圖像處理和視頻監(jiān)控行業(yè)，將會出現(xiàn)多核 MCU ，比如今天我們看到的飛思卡爾MPC563xM 系列包括 32 位汽車動力總成 MCU ，用以改善擁有一至四個氣缸的小型引擎的效率和性能。 MPC563xM器件的 MCU 核是基于多核 Power Architecture 和 DSP 引擎技術(shù);另外一個例子是 TI 達芬奇 TMS320DM644X 數(shù)字媒體處理器是由雙核 MCU (ARM9+C64X DSP)組成。

32位MCU發(fā)展趨勢上還有一個特點，即考慮在 8/16/32 位之間的無縫移植的技術(shù)方案。大量的嵌入式應(yīng)用過去和今后一段時間還將集中在 8/16 位 上，但是考慮到市場競爭的加劇，推出高性能的升級產(chǎn)品已經(jīng)是產(chǎn)品設(shè)計初期必須考慮的問題之一，便于實現(xiàn)輕松升級的靈活 MCU架構(gòu)將得到歡迎。比如 Microchip 最新推出的 32 位 MCU PIC32 的時候重點強調(diào)也是和 PIC24/disPIC DSC 的引腳、寄存器和外設(shè)兼容，新版本的 MPLAB 開放環(huán)境在原有8/16 位 MCU 上增加了 32 位 PIC32 支持和 16 位通用外設(shè)API 庫，這樣同樣的開放環(huán)境在更換 MCU 的時候只是重新編譯一下代碼就可以運行了，同樣思路的產(chǎn)品線是飛思卡爾的 Flexis QE128 ，包括了 8 位 S08 和 ColdfireV1 的六款內(nèi)核的升級方案。

單一功能和高集成度

單一化和集成化是 MCU 發(fā)展的一個趨勢，特別是體現(xiàn)在 8/16 位 MCU 上。在無線通信領(lǐng)域我們已經(jīng)看到了集成 8051 核的 TI 公司的 ZigBee MCU CC2430 和飛思卡爾的 68HC08 核 ZigBee MCU MC1321X;在連接和存儲方面 USB 的作用在嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛認(rèn)可，大量 USBMCU 應(yīng)運而生，NEC 的 USB 2.0 主機和外設(shè)的 MCU，PIC18F13K50 和 PIC18F14K50 是一個 8 位 USB MCU。為了滿足最終產(chǎn)品對高級 USB 連接功能與日俱增的需求，Microchip PIC32 USB OTG 是一顆引入針對 USB OTG 功能的 32 位 USB MCU。這些單一功能的 MCU 都具有單芯片的高集成度，配合一些外圍功率和電源部件的電路板就可以組成一個完整的嵌入式系統(tǒng)，而且這些芯片一般都配備了優(yōu)化好的支持 ZigBee 的協(xié)議和 USB 協(xié)議的軟件庫，讓設(shè)計者可以很快完成項目，其他傳統(tǒng)的單一功能 MCU 的應(yīng)用還包括數(shù)字電源、電機控制、電表，比如瑞薩針對電表應(yīng)用的 R8C/Tiny 系列的 MCU 。

傳統(tǒng)的通用 MCU 還將會繼續(xù)向增加外設(shè)和通信模塊的方向發(fā)展，比如 UART、ADC、PWM、SPI、I2C、GPIO、CAN 和 Ethernet;因為隨之帶來的軟件的復(fù)雜度增加和嵌入式操作系統(tǒng)等軟件組件的使用，內(nèi)置大容量的 Flash(閃存)/RAM。將也是 MCU 發(fā)展未來的趨勢，256K 閃存已經(jīng)是中級配置， 512K 閃存的 MCU 已經(jīng)隨處可見。

低功耗設(shè)計和能耗管理

能耗管理是芯片設(shè)計、制造工藝、系統(tǒng)設(shè)計、軟件工程師都在為之而努力的研究課題，人們力求在各個環(huán)節(jié)盡可能地減少靜態(tài)和動態(tài)的電源消耗。傳統(tǒng)的控制電壓的調(diào)節(jié)方式和管理待機模式依然被多數(shù)電子設(shè)備正在采用，還將繼續(xù)延續(xù)下去，但是隨著包括移動終端、無線傳感網(wǎng)絡(luò)裝置、新型智能玩具、便攜式血糖儀、血壓計和體能監(jiān)測儀等手持醫(yī)療設(shè)備等 這些對電量消耗極大和永遠在線的設(shè)備市場規(guī)模的迅速增加，解決電源管理已經(jīng)成為整個電子設(shè)計正在面臨的重要課題， 市場對綠色產(chǎn)品的需求促使制造商考慮采用低功耗的待機模式，作為嵌入式系統(tǒng)靈魂部件的 MCU 近年在低功耗設(shè)計和能耗管理方面的動作很大，各種新產(chǎn)品應(yīng)運而出。

Silicon Lab 是一家以提供 8051 核 MCU 為主的公司，最近發(fā)表的單電池供電的 80C51 MCU——8051F9XX，最低電壓可到 0.9V，其超低電壓供電是業(yè)界少見的。該芯片內(nèi)置了DC/DC 電壓轉(zhuǎn)換器和 LDO 轉(zhuǎn)換器，可以提供恒定的 1.7V 電壓和電流，以適應(yīng)外設(shè)的工作，也可以減少電路板的尺寸，更重要的是 80C51F9XX 有超低功耗的休眠模式(電流只有 50nA )，大大提高了電池的效率和使用時間。

圖 2 顯示了該芯片電流隨頻率的變化。

另外一款 MCU 是 Atmel 公司發(fā)布的行業(yè)第一款超低功耗 ARM7TDMI 閃存 MCU - AT91SAM7L，它在關(guān)機模式只消耗 100nA 電流，這得益于 該系列產(chǎn)品嵌入了控制多個功率島的功率開關(guān)，以及可編程的電壓調(diào)節(jié)器，用于降低工作和待機模式下的功耗。AT91SAM7L 系列產(chǎn)品針對工作和待機模式吸收了嵌入式 CPU 的動態(tài)電源管理技術(shù)，采用 MCU 領(lǐng)域里創(chuàng)新的降低功耗方式。在工作模式下，能通過編程設(shè)置工作電壓和工作頻率、外設(shè)時鐘活動，采用 DMA 來替代 CPU 完成數(shù)據(jù)傳輸，可以優(yōu)化功耗。 SAM7L 采用單電壓 1.8V 模式工作，在閃存中執(zhí)行代碼時，典型的電流消耗為 0.5mA/MHz 。不同待機模式的功耗可通過多種方式來加以控制(包括功率開關(guān)和可調(diào)電壓調(diào)節(jié)器)，可以看到先進的電源管理技術(shù)使得AT91SAM7L 具有良好的節(jié)能效果，再配合系統(tǒng)的優(yōu)化，可以預(yù)見基于 AT91SAM7L 的嵌入式裝置的功耗管理可以達到相同的水平。另外，談到超低功耗 MCU 產(chǎn)品，還應(yīng)該提到的是 TI 公司的 MSP430543X 16 位超低功耗 MCU ，MSP430543X 是在 MSP430 家族衍生出的一個強調(diào)低功耗的芯片，繼續(xù)繼承了高集成的外設(shè)支持、低電壓工作模式、豐富連接方式(包括紅外，多串口等)，以適合便攜測試裝置設(shè)計外，特別值得一提的是 DSC 的使用使得快速喚醒時間提高到 5us 以內(nèi)，已經(jīng)非常接近 8 位 MCU8051F9XX 的數(shù)量級。這對于工業(yè)測量裝置滿足實時性要求是非常重要的。一個優(yōu)秀的快速喚醒技術(shù)可以讓降低功耗和保持實時性達到統(tǒng)一。

開發(fā)工具的融合

伴隨電子產(chǎn)品復(fù)雜度增加， MCU 程序代碼量日益增加，雖然 C 語言已經(jīng)是 MCU 逐鹿的開發(fā)語言，但是考慮到不同的 MCU 之間的差異(例如寄存器和外設(shè)接口)、不同廠家 C 語言的工程文件和宏定義等方面的問題，還有采用的 RTOS 的不同，代碼的移植和移植后的測試還有一個相當(dāng)大的工作量。一種方案是繼續(xù)沿用老的 MCU 或者升級換代的兼容產(chǎn)品，這樣工具就可以繼續(xù)延用了，另外就是采用統(tǒng)一的開發(fā)工具支持不同廠家的 MCU 。

最近一段時間的兩件事情應(yīng)該是驗證了統(tǒng)一工具的重要性。一是; ARM 在 2007 年收購 Keil 公司后重新整合了 ARM 開發(fā)工具，發(fā)表了新的針對 MCU 市場的 ARM MDK，其中使用 Keil uVision IDE 和工程管理取代了以前的 ARM RealView/SDT, 讓過去許多已經(jīng)熟悉了 Keil 51 的用戶，能夠在工具方面沒有障礙地轉(zhuǎn)移到 ARM 結(jié)構(gòu) MCU。二是;飛思卡爾公司宣布它們的 Coldfire 支持 IAR EW(embedded workbench)工具，因為 IAR EW 可以支持各種 8 、16 和 32 位 MCU，大家知道之前飛思卡爾一直是只支持自己的 Codewarrier 工具，這樣的工具融合現(xiàn)象說明了MCU 廠家已經(jīng)意識到一致性工具對用戶的重要性。

結(jié)語

面向無處不在的各種各樣的嵌入式應(yīng)用，MCU 未來的發(fā)展一定是豐富多彩的，從歷史發(fā)展的軌跡看，一種芯片、一家公司和一種體系結(jié)構(gòu)無法滿足變化萬千的市場需求，正確把握 MCU 的發(fā)展趨勢，選擇適合你的產(chǎn)品和開發(fā)工具，是保證產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)成本和開發(fā)周期的關(guān)鍵。同時關(guān)注 MCU 的動態(tài)，選擇具有特色的 MCU 能夠幫助你的產(chǎn)品創(chuàng)新和差異化設(shè)計，收到與眾不同的效果。