MCU的高集成度與低功耗設計權衡

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

最近一段時間各大半導體公司紛紛表現出對 MCU(微控制器 / 單片機)市場的關注，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 飛思卡爾技術論壇上宣布 MCU 將是他們未來業(yè)務增長的重要產品線，除了繼續(xù)引領汽車電子領域 MCU 的優(yōu)勢外，將重視通用 MCU 的發(fā)展; ARM 體系結構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)保持市場產量的優(yōu)勢，各種 8051 結構依是 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 在低功耗無線應用表現出眾。

32 位大行其道

消費類電子，汽車電子和工業(yè)應用三大行業(yè)正在推動32 位 MCU 的廣泛采用， Gartner 的數據顯示，到了 2012年， 32 位 MCU (加上 32 位智能卡)的整個數量將非常接近 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。

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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應用軟件的增加。在 32 位 MCU 市場上開放 CPU 體系得到充分的認可，比如 ARM7/9 、CortecM3 和 MIPS ，在ARM7TDMI 被世界上包括 NXP 、Atmel 在內主要 MCU 廠商生產并大獲成功后， 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(意法半導體)在 2007 年推出 ST32 MCU 到今天 ST 共有 46 款產品。其他半導體公司也不甘落后，NXP 、TI 和 Zilog 相繼宣布獲得 Cortex-M3 授權，最近Ateml 宣布獲得 Cortex-M3 授權為下一代的 AT91SAM 的核心(Atmel 基于 ARM 技術的 MCU)。Atmel 計劃其MCU的高集成度與低功耗設計應對市場需求AT91SAM3 閃存 MCU 系列將組合 ARM Cortex-M3 處理器和系統(tǒng)部件，如多層次的內部總線，一個高速的 DMA 支持系統(tǒng)外設和分布式外設控制器，以達到更高速的數據傳輸能力。無疑 Atmel 的加入將奠定 Coretex-M3 在 MCU 市場的地位。以目前情況看，新的設計如果不考慮到老產品的繼承性問題，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。我們知道多核應用目前主要集中在數據中心服務器中，但是伴隨密集計算需求的產生，比如汽車電子、圖像處理和視頻監(jiān)控行業(yè)，將會出現多核 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;另外一個例子是 TI 達芬奇 TMS320DM644X 數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方案。大量的嵌入式應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品已經是產品設計初期必須考慮的問題之一，便于實現輕松升級的靈活 MCU架構將得到歡迎。比如 Microchip 最新推出的 32 位 MCU PIC32 的時候重點強調也是和 PIC24/disPIC DSC 的引腳、寄存器和外設兼容，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，同樣思路的產品線是飛思卡爾的 Flexis QE128 ，包括了 8 位 S08 和 ColdfireV1 的六款內核的升級方案。

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，特別是體現在 8/16 位 MCU 上。在無線通信領域我們已經看到了集成 8051 核的 TI 公司的 ZigBee MCU 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)中得到廣泛認可，大量 USBMCU 應運而生，NEC 的 USB 2.0 主機和外設的 MCU，PIC18F13K50 和 PIC18F14K50 是一個 8 位 USB MCU。為了滿足最終產品對高級 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，讓設計者可以很快完成項目，其他傳統(tǒng)的單一功能 MCU 的應用還包括數字電源、電機控制、電表，比如瑞薩針對電表應用的 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雜度增加和嵌入式操作系統(tǒng)等軟件組件的使用，內置大容量的 Flash(閃存)/RAM。將也是 MCU 發(fā)展未來的趨勢，256K 閃存已經是中級配置， 512K 閃存的 MCU 已經隨處可見。