從8位、16位微控制器到ARM處理器

作者 Mark Moran, IAR東區(qū)經(jīng)理 

前言：
ARM7 SoC（Systems-on-chip）價格的下調(diào)，給了那些考慮使用此種芯片的嵌入式開發(fā)人員更好的選擇。降價節(jié)省的費用將在短期內(nèi)和長期內(nèi)得到檢驗，同時得到檢驗的還有那些因采用ARM7而對價格下降施壓的其他因素。一些移植的問題也將在選擇開發(fā)軟件時考慮到，短期或長期使用對整個開發(fā)以及最終產(chǎn)品費用的影響。ARM7提供了非常好的機(jī)會推動那些原來使用8位或16位機(jī)的開發(fā)人員轉(zhuǎn)而使用32位處理器。

“從經(jīng)濟(jì)的角度上說，他是愚蠢的！”，這句話是1992年美國大選時克林頓批評布什的非官方競選標(biāo)語，它或許能恰當(dāng)?shù)挠玫酵瑫r代的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中去，因為研發(fā)人員不得不從各個能想到的角度去使成本最低。國內(nèi)外的競爭使得產(chǎn)品利潤越來越低，而設(shè)計的最終期限讓人期待，上市逾早，市場愈容易占領(lǐng)，利潤也逾大。成本、性能、上市時間是鐵三角關(guān)系，而這三角關(guān)系會一直困擾、折磨著產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)工程師，即使是調(diào)和三者的關(guān)系都非常的困難。
去年的嵌入式市場，基于ARM7TDMI內(nèi)核的SoC（級芯片）微控制器吸引了很多人的注意。它們集成了更多的外設(shè)，價格也更具有競爭力,小型的封裝，通用的外設(shè)，可配置的存儲器以及快的令人瞠目的頻率。本文將把注意力基本放在ARM7 SoC上，檢查它對“鐵三角”關(guān)系的沖擊，并且討論那些有時在目標(biāo)相沖突的時候必須被加以考慮以獲得最佳的利潤的因素。在考慮是否會在設(shè)計中選擇某一部分的時候，研發(fā)人員必須考慮短期的和長期的不同。
在短期，主要的因素是芯片價格，功能以及開發(fā)的費用。長期的因素包括潛在的芯片替代，軟件維護(hù)的費用：程序缺陷的維護(hù)以及功能的擴(kuò)展。我們將把注意力依次集中到這些因素，看看ARM結(jié)構(gòu)是如何在價格和性能方面朝著有利的方向前進(jìn)。
ARM7 SoC的性價比達(dá)到前所未有的高度，這并不是什么秘密。ARM7 SoC主要的比較對象是傳統(tǒng)的8位、16位的微控制器。長時間占據(jù)低端市場的8位微控制器正越來越感受到ARM7 SoC的壓力。例如，一片傳統(tǒng)的8位微控制器，10 MIPS的執(zhí)行速度，帶有64K的Flash，4K的RAM，ADC，3個定時器，EEPROM，SPI，UART，芯片引腳在40到46之間，僅僅購買幾片的話，價格大約在7.5美元。而除了RAM容量不同外，其他配置一樣的ARM7 SoC，僅僅購買幾片的話，價格大約在4美元到5.5美元。當(dāng)然，不可能與種類繁多的8位微控制器一件一件的進(jìn)行比較，但是，上面比較的是主要的部分，你或許希望有1K的EEPROM，然而ARM7 SoC是沒有的。從另一方面說，那些隊成本特別在意的人或許會希望ARM7內(nèi)有16K的RAM。與16位的控制器比較也存在類似的情況。當(dāng)采用單片機(jī)設(shè)計最終的產(chǎn)品，每片多花費2到3美元可導(dǎo)致公司在此產(chǎn)品退出市場前總共要多花費幾萬或者幾十萬英鎊。
許多8位機(jī)的資深研發(fā)人員通常會對要閱讀ARM7的手冊感到頭疼。相比ARM7寄存器的設(shè)置，8位機(jī)的控制寄存器的設(shè)置顯得相當(dāng)簡單。的確，當(dāng)寫ARM7片內(nèi)外設(shè)的驅(qū)動時，需要處理更多的寄存器。本文作者也曾試著看那些設(shè)備的驅(qū)動是否可以省時省力在合理的框架內(nèi)編寫，可是最終的曙光在最后被遮擋：ARM的寄存器數(shù)量有時會因設(shè)備的狀態(tài)、創(chuàng)建和消除例子而膨脹。換言之，8位機(jī)可能有一個R/W寄存器來處理，而要達(dá)到同樣的效果，ARM結(jié)構(gòu)或許需要三個寄存器處理。另外一件與“寄存器膨脹”相關(guān)的是向量中斷控制器（VIC），VIC擁有一些寄存器來控制優(yōu)先級以及配置中斷。這是學(xué)習(xí)曲線上的一次性投入，好消息是一旦研發(fā)人員熟練的寫各個寄存器來設(shè)置以及清除sfr，那么對ARM外設(shè)的操作就會和8位、16位一樣得心應(yīng)手。
在價格的比較中，我們提到對成本特別敏感的使用者通常會希望ARM有8K、16K甚至32K的RAM，而且要比帶有4KRAM的8位或16位機(jī)更加便宜。這開啟了一個有趣的可能性，那就是在合并了像TCP/IP堆棧，嵌入式文件系統(tǒng)以及用戶圖形界面后，可以大大增進(jìn)產(chǎn)品的性能。它也把使用RTOS比用8位、16位機(jī)變得更加有吸引力。聰明的讀者或許要指出購買RTOS是一筆額外的費用，違反了把設(shè)置成本最小化的思想。然而事實上是所用的RTOS值的花錢，同時它在產(chǎn)品的維護(hù)與升級方面表現(xiàn)出巨大的潛力，可以省去不菲的費用。一旦如何使用RTOS的學(xué)習(xí)曲線被克服，使用這樣的工具往往可以使軟件設(shè)計更加的系統(tǒng)化。功能的外擴(kuò)通常會相當(dāng)?shù)娜菀?，而且在增加?yīng)用的時候，可以按有關(guān)要求做較少的衰減測試。簡而言之，軟件的開發(fā)是費力又費錢的，軟件的維護(hù)更是如此，所有可以減少此種費用的方法都是很好的事情。
大多數(shù)RTOS的賣主都有白皮書或其他信息，很容易地可以幫助研發(fā)人員決定某個RTOS是否適合他們的應(yīng)用。從8位、16位領(lǐng)域轉(zhuǎn)過來的研發(fā)人員，過去習(xí)慣于在沒有RTOS的情況下達(dá)到目的他們會發(fā)現(xiàn)大多數(shù)ARM7 SoC擁有足夠的資源使用RTOS而無須擔(dān)心成本底線?？傊?，如果你懷疑RTOS對你產(chǎn)品效益的長期利益，現(xiàn)在你可以全力以赴的用它了，因為它無須額外的存儲器。
嵌入式系統(tǒng)另外的一個引人注目的成本是研發(fā)工具?，F(xiàn)在有許多高水平的語言開發(fā)工具供選擇，并且每天都有新的面市。這些工具從沒有初始費用的GNU工具到各種不同價格不同性能的付費工具。盡管ARM7 SoC擁有良好的價格與資源配置，從8位、16位轉(zhuǎn)過來的研發(fā)人員在使用這些工具幾年后，將很好的回憶起所有的寫出高效代碼的范例。
內(nèi)存仍舊是影響成本最大的因素。值得牢記的是ARM編譯器實際上是兩個，一個為ARM，另外一個為Thumb指令模式。擁有較高的代碼密度的Thumb指令結(jié)構(gòu)是節(jié)約資源以及成本的鑰匙。使用Thumb模式代碼緊湊程度至少等于，在許多例子還要優(yōu)于8位、16位控制器所能達(dá)到的程度。
ARM7 SoC的使用者值得認(rèn)真地評估編譯器的效率而先不管它增加的成本，盡管編譯的結(jié)果可靠，GNU編譯器并非在代碼優(yōu)化方面做得最好。高質(zhì)量的代碼優(yōu)化值得考慮，ARM7 SoC的一個普通應(yīng)用就是典型的代表。這樣的應(yīng)用分別需要128K和256K字節(jié)的Flash，16K的SRAM,4通道的10位ADC，2個UART、SPI、I2C，可以在線編程以及跟蹤調(diào)試，LQTP64封裝。在北美，購買5K的話，每片大約分別需要6.09美元與6.84美元，一件0.75美元的差價，如果賣出5000件那就是要多支出3750美元。經(jīng)過一般編譯器優(yōu)化后需要256K的代碼，在經(jīng)過有高度優(yōu)化能力的編譯器編譯后可以只用128K。
一旦有更多的外設(shè)集成到芯片，性價比相差就更大了。例如，帶有CAN控制器的ARM芯片才多花費0.85美元。這些進(jìn)一步減少編譯器的花費所占的比重，這些工具每年可以節(jié)省12500美元到2000美元。
最近上市的ARM7 SoC內(nèi)帶DAC，引腳加多，帶有128K存儲器的要比256K存儲器的ARM芯片低2.52美元。這樣，用量5K工具的花費更少，大約在1190片就可以收回成本，整個下來可以節(jié)省9601美元。
最后，一種內(nèi)帶USB控制器的新型ARM7 SoC帶有128K存儲器的要比256K存儲器的ARM芯片低2.78美元，整個下來可以節(jié)省10900美元。當(dāng)然，個別的情況會有出入，但是很清楚的是高質(zhì)量的編譯器不但可以節(jié)省下它自己的費用，而且從長遠(yuǎn)來看，還可以為公司增加收入，如下表所示。
外設(shè)    帶有128k Flash與256K Flash的差價    假設(shè)編譯器3K美元，收回成本的芯片數(shù)目    購買開發(fā)工具總共可以節(jié)省的費用
4通道，10位ADC
2個UAR，WDG，2個I2C，2個SPI，IAP，ISP，LQFP64    0.75美元    4000    750
8通道，10位ADC
2個UAR，2個I2C，2個SPI，4個16位的定時器，6通道的PWM，DAC WDG，LQFP64    9.34-7.49=1.85美元
本例是128K的Flash與64K Flash比較    1.622    6248
4通道，12位ADC
WDG，RTC，4個UART，2個I2C，2個SPI，5個16位的定時器，USB，LQFP64    14.16-11.38=2.73美元    1079    10900

另外，高質(zhì)量編譯器的使用者一般希望能夠從廠家得到直接的技術(shù)支持。而如前面所述，軟件已經(jīng)成為整個項目中勞動密集型、最費錢的環(huán)節(jié)，編譯器可以節(jié)省重復(fù)性勞動。進(jìn)一步說，在競爭激烈的現(xiàn)在，上市時間至關(guān)重要，即便是晚上幾天，幾周之內(nèi)損失的利益都會超過開發(fā)工具的費用。
在軟件開發(fā)的預(yù)算中，調(diào)試通常占據(jù)重要的角色。有多少軟件工程師就幾乎有相同數(shù)量的軟件調(diào)試思想與方法。不過，大多數(shù)人傾向于采用好用且準(zhǔn)確的JTAG調(diào)試方法而不采用傳統(tǒng)的嵌入式調(diào)試技術(shù)。因為價格與時鐘頻率的問題，in-circuit仿真器已經(jīng)不再被采用。市場上有各種各樣的JTAG調(diào)試器，在考慮采用哪個調(diào)試器時，有三種重要的因素決定著調(diào)試器的價格：速度，跟蹤能力以及front-end軟件特性。對于大多數(shù)ARM7 SoC來說，各種調(diào)試器的價格有幾百英鎊的差距可供選擇。有些可以達(dá)到每秒128K比特的速度，這些調(diào)試器一般可以和同時代的編譯器聯(lián)合使用。跟蹤調(diào)試的能力因需要跟蹤宏單元執(zhí)行而使調(diào)試器價格相差幾千美元，它是影響調(diào)試器價格的主要因素。高級調(diào)試軟件的特性，例如精確控制中斷觸發(fā)以及其他類似的特性，通?？梢栽谟布{(diào)試器上發(fā)現(xiàn)。大多數(shù)情況，包括ARM7 SoCs，許多研發(fā)人員傾向于使用一個物美價廉且易學(xué)易用的調(diào)試器。
如同諺語所說，所有的事情，除了死亡與納稅之外，在生命里都沒有保證。然而，可以打賭的是，將來ARM結(jié)構(gòu)應(yīng)用將越來越廣泛。ARM主要芯片廠商，如Atmel, Cirrus Logic, Intel, Freescale, Oki, Philips, Samsung, Sharp, STMicroelectronics, Texas Instruments以及其他提供某種ARM結(jié)構(gòu)的廠家，完全可以確保嵌入式市場。唯一可能使設(shè)計者做噩夢的是許多人預(yù)言ARM將會如現(xiàn)在的8051一樣，曾經(jīng)風(fēng)光無限，早晚會淡出市場。
ARM結(jié)構(gòu)另外一個非常吸引人的優(yōu)點是有無盡的發(fā)展空間。ARM7的MIPS不夠的話？可以換ARM9或者ARM11！精挑細(xì)選的工具集會支持這些結(jié)構(gòu)。需要比討論的更廉價的芯片碼？盡管沒有正式的公布，市場上強(qiáng)烈的暗示基于Cortex內(nèi)核的運行改造的Thumb指令結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)就是大家所知的Thumb-II，將要繼續(xù)在芯片價格上施壓。一美元可以買到一片32位CPU嗎？現(xiàn)在還不知道，不過可以推斷以當(dāng)前的趨勢，在不久的將來芯片的價格會達(dá)到這樣的價格。

參考資料:1)www.iar.com
         2)www.bmrtech.com