關(guān)注MCU發(fā)展的新動(dòng)向

　　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(xiàn)，除了繼續(xù)引領(lǐng)汽車(chē)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(xiàn)應(yīng)用表現(xiàn)出眾。

　　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。

　　32位大行其道

　　消費(fèi)類(lèi)電子，汽車(chē)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(xiāo)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(chǎng)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(kāi)始呢。比如MICroChip 2008年發(fā)表了PIC32就是希望在穩(wěn)定其用戶(hù)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(kāi)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(chǎng)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0.5 mW/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(xiàn)，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?xún)?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(chē)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(chē)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(kāi)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(kāi)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(xiàn)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(xiàn)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USB MCU 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(mǎn)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(xiàn)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(xiàn)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0.9 V，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 80C51F 9XX有超低功耗的休眠模式(電流只有50 nA)，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

　　圖2 8051F9XX的電流和頻率變化關(guān)系

　　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100 nA 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(kāi)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?xún)?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(kāi)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?xún)?nèi)，已經(jīng)非常接近8位MCU 8051F9XX的數(shù)量級(jí)。這對(duì)于工業(yè)測(cè)量裝置滿(mǎn)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(kāi)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(kāi)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(chǎng)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(kāi)發(fā)工具支持不同廠(chǎng)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(kāi)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(hù)，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)镮AR 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(chǎng)家已經(jīng)意識(shí)到一致性工具對(duì)用戶(hù)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(mǎn)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(kāi)發(fā)工具，是保證產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)成本和開(kāi)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。

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