嵌入式應(yīng)用對(duì)微處理器的需求

嵌入式產(chǎn)品的生產(chǎn)商總是期待能使自己的產(chǎn)品成本更低、更快地走向市場(chǎng)的微處理器解決方案。高性價(jià)比、高集成度、高度靈活的微處理器能幫助終端產(chǎn)品在性能、價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的市場(chǎng)環(huán)境中脫穎而出。

更高的集成度

高集成度不僅意味著有更豐富的功能、更小的封裝尺寸，還能有效地降低系統(tǒng)功耗，簡(jiǎn)化工程師的設(shè)計(jì)。隨著對(duì)集成度更高的要求，微處理器片上不但要集成高性能內(nèi)核、大容量?jī)?nèi)存、大量靈活的I/O和外設(shè)接口，還可能要有加密、定時(shí)和系統(tǒng)保護(hù)等高級(jí)功能模塊。例如，看門狗電路能夠讓器件識(shí)別跑飛代碼并復(fù)位處理器，從而避免鎖死狀態(tài)；加密碼增速單元（CAU）可支持DES、AES、MD5和SHA-1等加密算法。

以Freescale的ColdFire系列32位微處理器為例，其100%的模塊化架構(gòu)更易于與存儲(chǔ)器、系統(tǒng)模塊和通信外設(shè)相集成，有效提高了芯片的集成度，且更容易適應(yīng)新的加工工藝。如圖1所示，最新推出的基于ColdFire V1內(nèi)核的MCF51JM128除了集成16KB SRAM，還有高達(dá)128KB的片上閃存，使用戶在各種實(shí)際環(huán)境中都可以充分利用在線編程功能。有效地利用片上存儲(chǔ)器能使工程師不需要再用損失性能的代價(jià)，去換取更低的系統(tǒng)成本。

圖1 MCF51JM128頂層方框圖

更豐富的外設(shè)

根據(jù)系統(tǒng)的性能需求，USB、I2C和SPI接口等外設(shè)都已能夠集成于單芯片之上。例如，針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化和控制應(yīng)用的微處理器需要集成控制器局域網(wǎng)（CAN）模塊，而對(duì)于尋求靈活的USB連接的開發(fā)人員，集成的USB控制器大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)復(fù)雜度。以MCF51JM128為例，它具有一個(gè)集成的USB控制器，支持USB 2.0全速主機(jī)、設(shè)備和On-The-Go（OTG）的配置，可以讓各種應(yīng)用實(shí)現(xiàn)通用的、經(jīng)濟(jì)型即插即用連接。

更低的功耗

對(duì)于電池供電的便攜產(chǎn)品，電池使用壽命是設(shè)計(jì)者和用戶共同關(guān)注的指標(biāo)。因此，能在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就對(duì)電池使用壽命了如指掌將給工程師帶來極大的便利。Freescale的電池功耗計(jì)算器就提供了這樣的功能。這一工具能夠通過設(shè)置工作環(huán)境、電池型號(hào)、運(yùn)行周期和其他相關(guān)參數(shù)，計(jì)算出電池的使用壽命，如圖2所示。

圖2 電池功耗計(jì)算器

包括微處理器在內(nèi)，所有電子元器件都不斷追求進(jìn)一步降低功耗，不僅僅是針對(duì)電池壽命要求越來越長(zhǎng)的便攜市場(chǎng)，工業(yè)產(chǎn)品和白色家電等應(yīng)用的功耗要求也越來越苛刻。微處理器由于本身耗電，又控制著系統(tǒng)中其他組件的功耗，所以在實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)的過程中扮演著重要的角色。

以MCF51JM128為例，它共有四種低功耗模式，能在低功耗的狀態(tài)下繼續(xù)執(zhí)行采樣功能，有助于降低系統(tǒng)總功耗。如表1所示，F(xiàn)lexis系列的首款產(chǎn)品QE128（MC9S08QE128 和MCF51QE128）除了正常工作模式還有以下五種節(jié)能模式。

● 與普通運(yùn)行模式相比，低功耗運(yùn)行模式將穩(wěn)壓器設(shè)置為待機(jī)狀態(tài)，從而節(jié)省更多的電能。
● 在等待模式下，中央處理器（CPU）將關(guān)閉。等待模式根據(jù)總線頻率的不同可以比運(yùn)行模式節(jié)省30％～60％的電流。總線頻率越高，電能節(jié)省的幅度就越大。
● 用戶只能由低功耗運(yùn)行模式進(jìn)入低功耗等待模式，與低功耗運(yùn)行相比，低功耗等待一般可以節(jié)省50％的電流消耗。
● 停止3模式將系統(tǒng)時(shí)鐘終止，并將穩(wěn)壓器置為等待狀態(tài)。
● 停止2模式是QE128耗能最低的模式，該模式將中斷系統(tǒng)時(shí)鐘，并使穩(wěn)壓器斷電。

更強(qiáng)大的軟件和開發(fā)工具支持

除了上述幾種需求，強(qiáng)大的軟件和開發(fā)工具支持將帶給工程師極大的自由度和更多樣的手段。充分利用編譯器、匯編器、連接器、調(diào)試器、代碼轉(zhuǎn)換器、仿真器和評(píng)估測(cè)試工具的支持，不但能有效縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，使其更快速的進(jìn)入市場(chǎng)，還能夠使最終產(chǎn)品更有特色。

Flexis JM系列的兩種評(píng)估工具套件可有效簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程。經(jīng)濟(jì)型的DEMOJM演示套件配有8位或32位的Flexis JM子板，使開發(fā)人員體驗(yàn)真正的8位到32位的兼容性。

更高的兼容性

使用相同的外設(shè)和開發(fā)工具能夠?qū)崿F(xiàn)最終的移植靈活性。多種器件之間引腳對(duì)引腳的兼容性保證了微處理器之間可以在不需重新設(shè)計(jì)電路板的條件下實(shí)現(xiàn)互換，工程師無須再將寶貴的資源耗費(fèi)在重新設(shè)計(jì)上，外設(shè)的兼容性也使得在產(chǎn)品轉(zhuǎn)移的過程中可以重復(fù)使用軟件。

以Freescale的微處理器為例，從入門級(jí)的RS08到最高性能的ColdFire V4，控制器統(tǒng)一結(jié)構(gòu)系列為上下兼容移植提供了簡(jiǎn)單的路徑。Flexis系列的推出更是實(shí)現(xiàn)了8位和32位微處理器間簡(jiǎn)單方便的移植，單一開發(fā)工具和相同的外設(shè)也節(jié)省了8位和32位之間的軟件投資，并且引腳兼容使得在8位和32位之間互換時(shí)，最大可能地實(shí)現(xiàn)了硬件的重復(fù)使用，如圖3所示。

以新推出的Flexis JM系列為例，它包括32位的MCF51JM128（ColdFire V1內(nèi)核）和8位的MC9S08JM60（S08內(nèi)核），它們的軟件和引腳都是兼容的，設(shè)計(jì)人員能夠快速輕松地從簡(jiǎn)單的8位設(shè)計(jì)移植到需要32位性能的更復(fù)雜的應(yīng)用設(shè)計(jì)上去。此外，由于V1內(nèi)核是V2 內(nèi)核的簡(jiǎn)化版本，保留了ColdFire內(nèi)核微架構(gòu)所共用的尋址模式和指令定義，一旦從 S08架構(gòu)轉(zhuǎn)換到V1內(nèi)核，就有機(jī)會(huì)進(jìn)一步沿性能路線圖向上移植到其他所有的ColdFire內(nèi)核（V2～V4）。

除了對(duì)集成度、外設(shè)、功耗、軟件和開發(fā)工具以及兼容性的需求，對(duì)于成本敏感的應(yīng)用，價(jià)格也是最關(guān)鍵的因素之一，滿足上述需求的微處理器由于能夠?yàn)楫a(chǎn)品帶來競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)而將成為工程師的首選。