MCU的高集成度與低功耗設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)市場(chǎng)需求

面對(duì)繽紛多彩的 MCU 世界，如何在新品設(shè)計(jì)，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(gè)重要的題目，因?yàn)闊o(wú)論是產(chǎn)品的更新還是 MCU 的更新速度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)者預(yù)想，正確把握 MCU 發(fā)展趨勢(shì)，利用 MCU 幫助產(chǎn)品創(chuàng)新是電子設(shè)計(jì)者正在考慮的問(wèn)題。

最近一段時(shí)間各大半導(dǎo)體公司紛紛表現(xiàn)出對(duì) MCU(微控制器 / 單片機(jī))市場(chǎng)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(dá)州奧蘭多市 飛思卡爾技術(shù)論壇上宣布 MCU 將是他們未來(lái)業(yè)務(wù)增長(zhǎng)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(shì)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(chǎng)高速增長(zhǎng)帶動(dòng)了 ARM 在 MCU 市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)的領(lǐng)先，繼ARM7TDMI 獲得成功后， Cortex-M3 以高性能，低功耗和低費(fèi)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(chǎng)產(chǎn)量的優(yōu)勢(shì)，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(wú)線應(yīng)用表現(xiàn)出眾。

32 位大行其道

消費(fèi)類電子，汽車電子和工業(yè)應(yīng)用三大行業(yè)正在推動(dòng)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(gè)數(shù)量將非常接近 8/16 位 MCU 總合，但是銷售額將超過(guò) 8/16 MCU 。(見(jiàn)圖 1 )。這也不難看出老牌的 8/16 位 MCU 廠商 2008 年紛紛進(jìn)入 32 位市場(chǎng)，推出和其 8/16 位保持兼容的 32 位 新品的真正原因了：誰(shuí)也不想放棄 32 位 MCU 的這道大餐，況且盛筵還遠(yuǎn)沒(méi)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(jí)時(shí)的選擇。

圖 1 MCU 市場(chǎng)的價(jià)值

32位MCU能夠帶來(lái)更高的性能，而且并不很貴的價(jià)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(kuò))，保證大容量的軟件代碼運(yùn)行以適應(yīng)應(yīng)用軟件的增加。在 32 位 MCU 市場(chǎng)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(chǔ)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(jī)模式(RTCon)只有 3.5uA電流消耗，在閃存運(yùn)行時(shí)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(jì)劃其MCU的高集成度與低功耗設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)市場(chǎng)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(gè)高速的 DMA 支持系統(tǒng)外設(shè)和分布式外設(shè)控制器，以達(dá)到更高速的數(shù)據(jù)傳輸能力。無(wú)疑 Atmel 的加入將奠定 Coretex-M3 在 MCU 市場(chǎng)的地位。以目前情況看，新的設(shè)計(jì)如果不考慮到老產(chǎn)品的繼承性問(wèn)題，在選擇 ARM 核 MCU 時(shí)，可以優(yōu)先考慮使用 Coretex-M3 的 MCU 芯片。

32位MCU未來(lái)還會(huì)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(jì)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(huì)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(dòng)力總成 MCU ，用以改善擁有一至四個(gè)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(gè)例子是 TI 達(dá)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(shì)上還有一個(gè)特點(diǎn)，即考慮在 8/16/32 位之間的無(wú)縫移植的技術(shù)方案。大量的嵌入式應(yīng)用過(guò)去和今后一段時(shí)間還將集中在 8/16 位 上，但是考慮到市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，推出高性能的升級(jí)產(chǎn)品已經(jīng)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期必須考慮的問(wèn)題之一，便于實(shí)現(xiàn)輕松升級(jí)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(shí)候重點(diǎn)強(qiáng)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(kù)，這樣同樣的開放環(huán)境在更換 MCU 的時(shí)候只是重新編譯一下代碼就可以運(yùn)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(jí)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(gè)趨勢(shì)，特別是體現(xiàn)在 8/16 位 MCU 上。在無(wú)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(chǔ)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(yùn)而生，NEC 的 USB 2.0 主機(jī)和外設(shè)的 MCU，PIC18F13K50 和 PIC18F14K50 是一個(gè) 8 位 USB MCU。為了滿足最終產(chǎn)品對(duì)高級(jí) USB 連接功能與日俱增的需求，Microchip PIC32 USB OTG 是一顆引入針對(duì) 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(gè)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(kù)，讓設(shè)計(jì)者可以很快完成項(xiàng)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(jī)控制、電表，比如瑞薩針對(duì)電表應(yīng)用的 R8C/Tiny 系列的 MCU 。

傳統(tǒng)的通用 MCU 還將會(huì)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?yàn)殡S之帶來(lái)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(lái)的趨勢(shì)，256K 閃存已經(jīng)是中級(jí)配置， 512K 閃存的 MCU 已經(jīng)隨處可見(jiàn)。

低功耗設(shè)計(jì)和能耗管理

能耗管理是芯片設(shè)計(jì)、制造工藝、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件工程師都在為之而努力的研究課題，人們力求在各個(gè)環(huán)節(jié)盡可能地減少靜態(tài)和動(dòng)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(jī)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(dòng)終端、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)裝置、新型智能玩具、便攜式血糖儀、血壓計(jì)和體能監(jiān)測(cè)儀等手持醫(yī)療設(shè)備等 這些對(duì)電量消耗極大和永遠(yuǎn)在線的設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模的迅速增加，解決電源管理已經(jīng)成為整個(gè)電子設(shè)計(jì)正在面臨的重要課題， 市場(chǎng)對(duì)綠色產(chǎn)品的需求促使制造商考慮采用低功耗的待機(jī)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(jì)和能耗管理方面的動(dòng)作很大，各種新產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)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(jiàn)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(shí)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(jī)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(gè)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(jī)模式下的功耗。AT91SAM7L 系列產(chǎn)品針對(duì)工作和待機(jī)模式吸收了嵌入式 CPU 的動(dòng)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(guò)編程設(shè)置工作電壓和工作頻率、外設(shè)時(shí)鐘活動(dòng)，采用 DMA 來(lái)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(shí)，典型的電流消耗為 0.5mA/MHz 。不同待機(jī)模式的功耗可通過(guò)多種方式來(lái)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(jìn)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(jiàn)基于 AT91SAM7L 的嵌入式裝置的功耗管理可以達(dá)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(gè)強(qiáng)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(cè)試裝置設(shè)計(jì)外，特別值得一提的是 DSC 的使用使得快速喚醒時(shí)間提高到 5us 以內(nèi)，已經(jīng)非常接近 8 位 MCU8051F9XX 的數(shù)量級(jí)。這對(duì)于工業(yè)測(cè)量裝置滿足實(shí)時(shí)性要求是非常重要的。一個(gè)優(yōu)秀的快速喚醒技術(shù)可以讓降低功耗和保持實(shí)時(shí)性達(dá)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(yǔ)言已經(jīng)是 MCU 逐鹿的開發(fā)語(yǔ)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(yǔ)言的工程文件和宏定義等方面的問(wèn)題，還有采用的 RTOS 的不同，代碼的移植和移植后的測(cè)試還有一個(gè)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(jí)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(shí)間的兩件事情應(yīng)該是驗(yàn)證了統(tǒng)一工具的重要性。一是; ARM 在 2007 年收購(gòu) Keil 公司后重新整合了 ARM 開發(fā)工具，發(fā)表了新的針對(duì) MCU 市場(chǎng)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(guò)去許多已經(jīng)熟悉了 Keil 51 的用戶，能夠在工具方面沒(méi)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?yàn)?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(shuō)明了MCU 廠家已經(jīng)意識(shí)到一致性工具對(duì)用戶的重要性。

結(jié)語(yǔ)

面向無(wú)處不在的各種各樣的嵌入式應(yīng)用，MCU 未來(lái)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(wú)法滿足變化萬(wàn)千的市場(chǎng)需求，正確把握 MCU 的發(fā)展趨勢(shì)，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(shí)關(guān)注 MCU 的動(dòng)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(jì)，收到與眾不同的效果。