關注MCU發(fā)展的新動向

　　最近一段時間各大半導體公司紛紛表現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)出眾。

　　面對繽紛多彩的MCU世界，如何在新品設計，老產(chǎn)品更新?lián)Q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(chǎn)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(chǎn)品創(chuàng)新是電子設計者正在考慮的問題。

　　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(shù)據(jù)顯示，到了2012年，32 位 MCU(加上32位智能卡)的整個數(shù)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。

　　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(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(chǎn)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(shù)據(jù)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(chǎn)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(shù)據(jù)中心服務器中，但是伴隨密集計算需求的產(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(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(chǎn)品已經(jīng)是產(chǎn)品設計初期必須考慮的問題之一，便于實現(xiàn)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(diào)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(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(xiàn)在8/16位MCU上。在無線通信領域我們已經(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;在連接和存儲方面USB的作用在嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛認可，大量USB MCU 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(chǎn)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(shù)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(nèi)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(jīng)是中級配置，512K閃存的MCU已經(jīng)隨處可見。

　　低功耗設計和能耗管理

　　能耗管理是芯片設計、制造工藝、系統(tǒng)設計、軟件工程師都在為之而努力的研究課題，人們力求在各個環(huán)節(jié)盡可能地減少靜態(tài)和動態(tài)的電源消耗。傳統(tǒng)的控制電壓的調(diào)節(jié)方式和管理待機模式依然被多數(shù)電子設備正在采用，還將繼續(xù)延續(xù)下去，但是隨著包括移動終端、無線傳感網(wǎng)絡裝置、新型智能玩具、便攜式血糖儀、血壓計和體能監(jiān)測儀等手持醫(yī)療設備等這些對電量消耗極大和永遠在線的設備市場規(guī)模的迅速增加，解決電源管理已經(jīng)成為整個電子設計正在面臨的重要課題，市場對綠色產(chǎn)品的需求促使制造商考慮采用低功耗的待機模式，作為嵌入式系統(tǒng)靈魂部件的 MCU 近年在低功耗設計和能耗管理方面的動作很大，各種新產(chǎn)品應運而出。

　　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，以適應外設的工作，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 ，它在關機模式只消耗100 nA 電流，這得益于該系列產(chǎn)品嵌入了控制多個功率島的功率開關，以及可編程的電壓調(diào)節(jié)器，用于降低工作和待機模式下的功耗。AT91SAM7L系列產(chǎn)品針對工作和待機模式吸收了嵌入式CPU的動態(tài)電源管理技術，采用MCU領域里創(chuàng)新的降低功耗方式。在工作模式下，能通過編程設置工作電壓和工作頻率、外設時鐘活動，采用DMA來替代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，典型的電流消耗為0.5mA/MHz。不同待機模式的功耗可通過多種方式來加以控制(包括功率開關和可調(diào)電壓調(diào)節(jié)器)，可以看到先進的電源管理技術使得AT91SAM7L具有良好的節(jié)能效果，再配合系統(tǒng)的優(yōu)化，可以預見基于AT91SAM7L的嵌入式裝置的功耗管理可以達到相同的水平。另外，談到超低功耗MCU產(chǎn)品，還應該提到的是TI公司的MSP430543X 16位超低功耗MCU，MSP430543X是在MSP430家族衍生出的一個強調(diào)低功耗的芯片，繼續(xù)繼承了高集成的外設支持、低電壓工作模式、豐富連接方式(包括紅外，多串口等)，以適合便攜測試裝置設計外，特別值得一提的是DSC的使用使得快速喚醒時間提高到5us以內(nèi)，已經(jīng)非常接近8位MCU 8051F9XX的數(shù)量級。這對于工業(yè)測量裝置滿足實時性要求是非常重要的。一個優(yōu)秀的快速喚醒技術可以讓降低功耗和保持實時性達到統(tǒng)一。

　　開發(fā)工具 的融合

　　伴隨電子產(chǎn)品復雜度增加，MCU程序代碼量日益增加，雖然C語言已經(jīng)是MCU逐鹿的開發(fā)語言，但是考慮到不同的MCU之間的差異(例如寄存器和外設接口)、不同廠家C語言的工程文件和宏定義等方面的問題，還有采用的RTOS的不同，代碼的移植和移植后的測試還有一個相當大的工作量。一種方案是繼續(xù)沿用老的MCU或者升級換代的兼容產(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。

　　最近一段時間的兩件事情應該是驗證了統(tǒng)一工具的重要性。一是;ARM在2007年收購Keil公司后重新整合了ARM 開發(fā)工具，發(fā)表了新的針對MCU市場的ARM MDK，其中使用Keil uVision IDE 和工程管理取代了以前的ARM RealView/SDT, 讓過去許多已經(jīng)熟悉了Keil 51的用戶，能夠在工具方面沒有障礙地轉(zhuǎn)移到ARM結構MCU。二是;飛思卡爾公司宣布它們的Coldfire支持IAR EW (embedded workbench)工具，因為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)象說明了MCU廠家已經(jīng)意識到一致性工具對用戶的重要性。

　　結語

　　面向無處不在的各種各樣的嵌入式應用，MCU 未來的發(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構無法滿足變化萬千的市場需求，正確把握MCU的發(fā)展趨勢，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)周期的關鍵。同時關注MCU的動態(tài)，選擇具有特色的MCU能夠幫助你的產(chǎn)品創(chuàng)新和差異化設計，收到與眾不同的效果。

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