微控制器及其協(xié)同芯片

2004年9月A版
　
　　如果構(gòu)建嵌入式產(chǎn)品，你會非常熟悉它們的緊迫要求：更便宜、更小型、更低功耗，最后還有不可缺少的上市時間。

　　你能夠用較少的元件使產(chǎn)品小型化。減少元件意味著占用較小的電路板面積，亦即降低生產(chǎn)成本。因此，既然在微控制器周圍要使用一系列分立元件，為什么不只用一個元件來代替它們呢？

　　事實(shí)上，采用一個處理器協(xié)同芯片、或者系統(tǒng)管理芯片(根據(jù)不同供應(yīng)商的名稱)的概念并非新的想法。在這方面的一家先驅(qū)性供應(yīng)商是加州的Wafer Scale Integration (WSI)公司，它開發(fā)出稱為可編程系統(tǒng)器件，這是一種閃存基的用于支持微控制器的器件。這種器件是該公司的成功的(或者具有潛力的)產(chǎn)品，WSI 2000被意法微電子(STM)公司并購。

　　此后，協(xié)同(Companion)芯片市場變得不太活躍，但活動仍然繼續(xù)進(jìn)行。STM開發(fā)WSI的技術(shù)，例如，目前提供集成在它的8051微控制器芯片內(nèi)的規(guī)模為16個宏單元的PLD。

　　雖然，設(shè)計者可用PLD代替外部的粘接邏輯器件，但PLD陣列亦可用來構(gòu)成移位寄存器、計數(shù)器、鍵盤和控制屏接口、時鐘分頻器和握手遲延電路。

　　最近，Ramtron公司是進(jìn)入該市場的新供應(yīng)商，它在2003年底推出FM31X處理器協(xié)同芯片族。同時，Ramtron公司FRAM產(chǎn)品副總裁Mike Alwais說：處理器協(xié)同芯片為系統(tǒng)設(shè)計者提供最高集成度的系統(tǒng)管理解決方案，以支持實(shí)際上任何微控制器或微處理器基的設(shè)計。通過非易失性存儲器的精心集成，協(xié)同芯片的全部特性都比分立元件有所改善，整個封裝達(dá)到極低的材料成本和電路板占用面積?！爆F(xiàn)在，Ramtron公司已利用FM32X產(chǎn)品來擴(kuò)大在這方面的供貨。

　　這顯然遇到來自Xicor公司的競爭，它已經(jīng)生產(chǎn)主要針對嵌入式控制應(yīng)用的系統(tǒng)管理器件五、六年了。Xicor在它的產(chǎn)品清單中增加X45620。X45620具有電壓監(jiān)視、復(fù)位、電壓基準(zhǔn)和看門狗定時器等功能，Xicor說該器件可替代約10~20個分立元件。由于STM采用閃存基的辦法和Ramtron利用自己的FRAM技術(shù)，Xicor則使用EEPROM。

　　Xicor的高級現(xiàn)場應(yīng)用工程師Jani Isoo認(rèn)為EEPROM優(yōu)點(diǎn)很多：“它是非易失性的，即在你上電時，數(shù)值就存在了。而且，它還具有可再編程的靈活性。”

　　Isoo相信系統(tǒng)管理芯片具有廣泛用途。“任何有微控制器的地方，你都需要某種監(jiān)視器件用來監(jiān)視電壓或者照顧微控制器本身。如果功耗或空間是重要的問題，則設(shè)計師可選用一種這類器件，并且將幾種功能集成在一起。”

　　Ramtron有比較緊湊的生產(chǎn)線，而Xicor在產(chǎn)品清單中有更多元件。Isoo說“這是市場的驅(qū)動。例如，它們可提供不同的電壓閥值或者看門狗有不同的數(shù)值。如果你再深入看一下就知道。它們都做同樣的事情，只是參數(shù)有所不同。”

　　實(shí)際上，Xicor的辦法是讓設(shè)計師選擇最適合應(yīng)用的器件，Isoo說“最少應(yīng)監(jiān)視一條軌線和一種電壓。在某種情況下，一個輸出就足夠使微控制器復(fù)位了。”
　　根據(jù)Alwais的意見，他認(rèn)為處理器外圍芯片曾有過興旺的市場，自從WSI公司被并購后，市場開始變得不活躍。他說“集成方式在開發(fā)階段發(fā)展良好，但是在批量生產(chǎn)時經(jīng)濟(jì)效益不夠好。最終，集成產(chǎn)品會比它所替代的元件更便宜。”

業(yè)界的商業(yè)爭論

　　Alwais稱，Ramtron去年在處理器協(xié)同芯片方面情況嚴(yán)峻，引起的原因是0.3μm制程的開發(fā)費(fèi)用。這種工藝足夠精細(xì)，可用于制造某些有經(jīng)濟(jì)效益的集成。Ramtron亦擁有廣泛的用戶基礎(chǔ)，能夠“從下而上”檢討它的開發(fā)計劃。他繼續(xù)說，“我們可用0.5mm工藝生產(chǎn)處理器協(xié)同芯片。這是一個價格問題。把所有有用的比特集成在一個太大的封裝內(nèi)缺乏吸引力。”

　　非常明顯，處理器協(xié)同芯片是許多設(shè)計者需要解決的問題。Alwais說“從電路板提出許多要求，只要有可能，我們都試圖使芯片更加通用。”他還認(rèn)為Ramtron將開發(fā)一些更好的器件，但是，從覆蓋最可能廣泛的市場入手是最好的想法。

　　根據(jù)Alwais的意見，認(rèn)為存在愉快的巧合，這是有利于從儀表至汽車無線電的廣泛應(yīng)用。Alwais稱“我們發(fā)現(xiàn)不少用戶有意開發(fā)終端市場的硬件平臺，有些用戶需要計時的功能，而有些用戶卻沒有這種要求。但是，他們在另一方面是十分類似的，例如，電度表可能要求適用于某一國家的基于使用時間的計費(fèi)表，然而，需要測量電功率卻完全相同?！?/P>

　　FM32X族具有多種特點(diǎn)，如處理器監(jiān)控、電源失效報警、看門狗定時器、串行數(shù)字事件計數(shù)器、涓流充電器和存儲器(從4~256kb的非易失性鐵磁隨機(jī)存儲器FRAM)。Alwais說“功能包是根據(jù)我們遇到的各種應(yīng)用而設(shè)置的。一般來說，它主要是針對已經(jīng)購買FRAM的用戶的數(shù)據(jù)收集。”

　　Xicor公司Isoo說系統(tǒng)管理芯片同樣可用于模擬電路板上，雖然它們的重點(diǎn)工作屬于微控制器方面。大部分應(yīng)用都有某種微控制器參與，但是仍然需要監(jiān)視模擬電路板上的電壓。例如，你可用系統(tǒng)管理芯片的輸出加到比較器上。

　　Alwais 認(rèn)為，設(shè)計處理器協(xié)同芯片是比較容易的課題，Ramtron嘗試使這些芯片具有‘防止無知動作(idiot proof)’的特點(diǎn)。每個芯片有一組電壓范圍，由你決定需要的工作電壓范圍。它采用通用的I2C接口，可連接任何4~32位的微控制器。

　　Xicor也提供同樣易用的接口。Isoo指出I2C在歐洲很普遍，但是Xicor同時支持SPI接口。

　　Alwais相信經(jīng)常需要支持器件。他說：“微控制器供應(yīng)商會推出某種芯片，但是，如果你要寫入規(guī)定的代碼時，由誰來提供支持呢？作為設(shè)計師，這些支持器件能夠?yàn)槟闾峁┳詈玫慕鉀Q方案?！?/P>

　　當(dāng)前，不能夠期望處理器協(xié)同芯片采用最新工藝來生產(chǎn)。Alwais的結(jié)束語是：“我們不是處在技術(shù)前沿，0.35mm工藝就足夠了。你要記住，模擬功能與線寬尺寸并無明顯關(guān)系?！?BR>