Freescale的果斷新決策--8~12位可伸縮的微處理器統(tǒng)一體

雖然微處理器領(lǐng)域的報(bào)道都集中在高端CPU微結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展方面，在微控制器廠商之間卻爆發(fā)了一場(chǎng)甚囂塵上的有趣戰(zhàn)爭(zhēng)。一些32位MCU生產(chǎn)商如Atmel、 Freescale、Oki、Philips、ST Microelectronics等開(kāi)始爭(zhēng)奪新的客戶，因?yàn)樗麄兏杏X(jué)到8位和16位CPU的客戶數(shù)已達(dá)極限。
微處理器評(píng)論家經(jīng)常忽略，MCU的市場(chǎng)非常巨大，2005年市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)120億美元，其中8位和16位產(chǎn)品占100億美元。然而，近年來(lái)32位MCU的功耗和封裝尺寸不斷下降，于是，32位產(chǎn)品的廠商希望能吸引系統(tǒng)設(shè)計(jì)師采用新的32位產(chǎn)品進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

Freescale 領(lǐng)跑32位MCU產(chǎn)品

Freescale半導(dǎo)體站在32位MCU競(jìng)爭(zhēng)的前沿，同時(shí)又占有8位MCU年銷量的最大份額。圖1是2005年9月關(guān)于Freescale的8位、16位和32位MCU各年度所占的市場(chǎng)份額。以占有 MCU市場(chǎng)總額比例而論，2005年Freescale在8位和16位的產(chǎn)品廠商中居第二(14%)，僅次于 Renasas (23%)，而在32位領(lǐng)域則占據(jù)首位。當(dāng)前，F(xiàn)reescale面臨的最大挑戰(zhàn)是如何保住其8位產(chǎn)品的客戶，在他們需要使用更高性能MCU時(shí)不換用其他廠家的產(chǎn)品。

Motorola將其半導(dǎo)體部門分離出來(lái)成立Freescale公司已經(jīng)近兩年了，依靠更具競(jìng)爭(zhēng)性的產(chǎn)品策略取得了非?？捎^的市場(chǎng)業(yè)績(jī)。這本是一項(xiàng)異常困難的任務(wù)，因?yàn)镸otorola經(jīng)歷數(shù)十年的開(kāi)發(fā)，為適應(yīng)不同市場(chǎng)需要開(kāi)發(fā)了許多種微處理器結(jié)構(gòu)，范圍包括從磁盤驅(qū)動(dòng)器到PC桌面，從控制接口到數(shù)據(jù)中心，從蜂窩電話到衛(wèi)星通信。Motorola研發(fā)這些芯片的主要目的是為自己的各種產(chǎn)品體系提供硬件支持，而現(xiàn)在的Freescale公司是一個(gè)不依賴于Motorola的獨(dú)立運(yùn)作、管理、核算以及市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的生產(chǎn)商。Freescale已經(jīng)不在受Motorola的控制，Motorola的開(kāi)發(fā)人員必須做出抉擇——是繼續(xù)采用現(xiàn)有芯片還是去適應(yīng)一個(gè)新的架構(gòu)。比較麻煩的是，雖然很多MCU的架構(gòu)都包含在6800到 68000系列中，但由Motorola繼承而來(lái)的8位、16位和32位MCU具有完全不同的指令系統(tǒng)。Freescale需要面對(duì)的挑戰(zhàn)是讓客戶相信從原來(lái)Motorola的產(chǎn)品轉(zhuǎn)到Freescale更高性能MCU的成本比換另一個(gè)廠商產(chǎn)品的成本低。

Freescale進(jìn)退兩難：何方是路?

任何產(chǎn)品的發(fā)展策略都在于既鞏固眼前創(chuàng)造主要產(chǎn)值的看家產(chǎn)品，又能投資于將來(lái)有增值可能的業(yè)務(wù)，不管是自己現(xiàn)有的業(yè)務(wù)還是其他對(duì)手的業(yè)務(wù)領(lǐng)域。盡管現(xiàn)存的業(yè)務(wù)仍舊表現(xiàn)出豐盛的增值，例如無(wú)處不在的MCU業(yè)務(wù)，目前一輛汽車需要嵌入100多個(gè)微控制器。關(guān)于對(duì)手的業(yè)務(wù)，F(xiàn)reescale本可以選擇消費(fèi)電子。眾所周知，Motorola是消費(fèi)電子的大戶。以Freescale出生于Motorola的密切關(guān)系，很容易搭上Motorola蓬勃發(fā)展的手機(jī)業(yè)務(wù)及其他會(huì)聚產(chǎn)品的便車?？上н@樣一來(lái)，F(xiàn)reescale的CPU生產(chǎn)線又將重新回到跨越廣闊市場(chǎng)的老路，公司難于集中精力于現(xiàn)存的業(yè)務(wù)和其他值得投資的應(yīng)急業(yè)務(wù)。異常別致的是， Freescale啟動(dòng)了強(qiáng)化其MCU生產(chǎn)線的策略，使那些需要不斷提升其MCU性能的用戶可以從8位開(kāi)始梯級(jí)地爬向32位。下面從分析Freescale品種繁多的系列產(chǎn)品清單看清Freescale如何理性地簡(jiǎn)化了這條遷徙路線。

產(chǎn)品系列過(guò)多 加大選型困惑

Freescale's網(wǎng)站提供的如圖2所示的性能-特點(diǎn)圖，用于指導(dǎo)客戶按照其所需要的性能和特點(diǎn)來(lái)選擇最合適的MCU。低端應(yīng)用的器件有8位的HC08 和 HCS08。它們相當(dāng)許多廠家生產(chǎn)的基于8051產(chǎn)品。2006年3月Freescale更發(fā)布了僅售50美分的極為低端的超微型8位 RS08，尺寸小到可穿越胡椒面瓶蓋上的小孔。

如果8位無(wú)法滿足客戶需要，可以選擇16位MCU，推薦HCS12 和 S12X系列產(chǎn)品。它們已有很長(zhǎng)的生產(chǎn)歷史，還在不斷地派生出新的器件。16位結(jié)構(gòu)在功耗和速度方面都比32位結(jié)構(gòu)具有明顯的極小的特點(diǎn)。Freescale 還有屬于 56K系列的 DSP產(chǎn)品。它實(shí)際上是數(shù)字信號(hào)處理MCU，因?yàn)樾酒霞捎型獠吭O(shè)備和閃存。類似地，基于ARM的 MAC系列是用于汽車上的器件。此外，還有初始為生產(chǎn)PDA而開(kāi)發(fā)的，基于ARM的Dragonball低功耗器件系列。選擇指南的上端是32位的ColdFire系列，2006年下半年還會(huì)有一些新產(chǎn)品出來(lái)。ColdFire是嵌入式控制流水線上的器件，它繼承了68K 的遺產(chǎn)。最后，32位的高端器件是PowerPC系列。僅重點(diǎn)介紹了MPC55x系列，它具有PowerPC e200內(nèi)核，片上集成有專為汽車應(yīng)用而優(yōu)化的外設(shè)。圖中未能包括兩個(gè)32位MPU(非 MCU)產(chǎn)品系列——PowerQUICC 和Mcore，也有些用戶把他們用于高端的控制系統(tǒng)。PowerQUICC正處于繁榮時(shí)期，不斷地有新的介紹在正常地發(fā)布。Mcore曾有一段因ARM的影響而遭冷落?，F(xiàn)在又從新用于32位的ColdFire的嵌入式應(yīng)用。

低端應(yīng)用 遭遇對(duì)手ARM

Freescale的微處理器目錄清單中有上千種器件。只要你能想到的應(yīng)用，都會(huì)有多個(gè)系列供你選擇。但是，盡管Freescale有那么多的產(chǎn)品系列，也總會(huì)在某些點(diǎn)上暴露出來(lái)新的漏洞。有漏洞，必然會(huì)受到某些競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的攻擊。設(shè)想，F(xiàn)reescale的老客戶為提高性能從新選定MCU的時(shí)候，必須從頭學(xué)習(xí)新的處理器結(jié)構(gòu)，必須再購(gòu)買新的開(kāi)發(fā)裝置，那么，客戶為什么不會(huì)去考慮其他廠家的產(chǎn)品呢。生產(chǎn)32位ARM基MCU的廠家很多，在MCU性能升級(jí)的競(jìng)爭(zhēng)中，他們都是競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，如Atmel, Oki, Philips, ST Microelectronics, Luminary Micro等等。形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的還有外線對(duì)手，他們是提供知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)的廠家，如ARC International, MIPS Technologies和Tensilica等等。另外，廣大的MCU市場(chǎng)中，還存在各色的基予ARM的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。

ARM基的32位MCU已被做成如同8位芯片一樣的外形，價(jià)格也被將低到1美元一片。形勢(shì)是嚴(yán)峻的，2005年P(guān)hilips將集成有閃存的32位ARM7的 MCU降價(jià)到了1.47美元。2006年3月，Luminary Micro將基于32位ARM的MCU再降到批量達(dá)到10,000片時(shí)的每片1美元。Freescale不僅受到來(lái)自ARM的圍攻，此外，還有許多來(lái)自8051新設(shè)計(jì)的侵?jǐn)_。

CPU被擠壓到難以想象的小

處理器核的尺寸在整個(gè)MPU結(jié)構(gòu)之中長(zhǎng)期以來(lái)受到擠壓。在MCU之中，因?yàn)槠贤庠O(shè)和存儲(chǔ)器所占硅片面積的比例越來(lái)越大，這種擠壓處理器核的偏向更加嚴(yán)重?，F(xiàn)在應(yīng)用系統(tǒng)的整個(gè)程序和數(shù)據(jù)都裝入MCU的片上存儲(chǔ)器中，模擬的外設(shè)器件以及大量通信接口所需的緩沖器也都要集成在片上，留給CPU核的硅粒面積就可憐到家了。用遠(yuǎn)觀的眼光來(lái)看，一個(gè)需付專利費(fèi)的8051核需要12,000門，小的ARM 核總得60,000門。若要集成不算大的64KB閃存就會(huì)擠到它們。由于處理器核所占硅片相對(duì)較小，在器件的總價(jià)中所占比例也就不大了。

功耗是32位微處理器的較大問(wèn)題。如果其他一切情況一樣， 32位微處理器的功耗比8位和16位的要大。如果主要任務(wù)僅是處理某特定寫過(guò)程，隨后可以從新進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)的那些應(yīng)用，使用速度較快的32位器件迅速地完成該項(xiàng)過(guò)程，那么比8位、16位器件所多消耗的僅是動(dòng)態(tài)功率。另一方面，32位處理器需用的寄存器、緩沖器、數(shù)據(jù)通道和其它結(jié)構(gòu)較寬，需要更多的晶體管。那末，器件的漏電流增大，即使待機(jī)時(shí)也一樣。32位處理器比起8位的，其待機(jī)時(shí)的漏電流約大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。是否選。

Freescale的微控制器統(tǒng)一體

對(duì)于現(xiàn)存的8位用戶，在考慮處理器升級(jí)時(shí)，如果仍舊希望他們?nèi)詴?huì)選用Freescale的 32位結(jié)構(gòu)的話，應(yīng)保證做到若仍選用Freescale的結(jié)構(gòu)比改換它廠的結(jié)構(gòu)成本低而且方便。想要做到這一點(diǎn)，關(guān)鍵是需將開(kāi)發(fā)裝置標(biāo)準(zhǔn)化和使外部設(shè)備對(duì)于CPU的轉(zhuǎn)換盡可能地透明化。這就是為什么Freescale最近宣布，用戶在使用8位S08 MCU時(shí)盡可能使用軟件工具CodeWarrior的原因。 CodeWarrior是 Freescale 從Motorola傳承下來(lái)的軟件工具(由Metrowerks提供)，已經(jīng)支持 Freescale的 32位產(chǎn)品很長(zhǎng)時(shí)間了。CodeWarrior向8位用戶轉(zhuǎn)移的策略在于，這樣做可以令程序員看到在開(kāi)發(fā)8位和32位用戶接口時(shí)僅出現(xiàn)極少的變化，即使CPU的指令集非常不一樣也如此。Freescale期望C-code語(yǔ)言的程序能夠在匯編語(yǔ)言無(wú)效時(shí)隨意裝載和調(diào)試，為實(shí)現(xiàn)在這種策略下調(diào)試8位和32位MCU，需要使用公用的硬件的調(diào)試模式。多數(shù)MCU要求對(duì)其特殊外設(shè)進(jìn)行代碼的微調(diào)，這樣做會(huì)增加嵌入式系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)費(fèi)用。Freescale并未發(fā)布的32位器件也將集成和S08 MCU一樣的外設(shè)。因此，在MCU升級(jí)時(shí)對(duì)軟件驅(qū)動(dòng)程序需作少量的修改。

還有，F(xiàn)reescale宣布過(guò)，一些32位MCU具有和8位芯片一樣的物理引腳。

ARMs的新軟件工具

嵌入式處理器的設(shè)計(jì)者要經(jīng)常深入到應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員中間，了解他們是如何挑選CPU的，從而受到啟發(fā)。使CPU結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師們困擾不已的最終結(jié)論性判據(jù)，不是性能、功耗、價(jià)格乃至特色，最重要的和最終結(jié)論性的判據(jù)是開(kāi)發(fā)工具。正是Freescale對(duì)CodeWarrior的投資，使他能夠?qū)x擇CPU過(guò)程的進(jìn)行質(zhì)量控制。在32-位MCU的戰(zhàn)役中，開(kāi)發(fā)工具對(duì)于戰(zhàn)局走向影響巨大。8位MCU的開(kāi)發(fā)裝置是廉價(jià)的，根本買不起像Green Hills Software那樣的第三方軟件工具，導(dǎo)致軟件開(kāi)發(fā)工具的不完整。并非沒(méi)有8位軟件工具供應(yīng)商，而是他們現(xiàn)正為32位的ARM結(jié)構(gòu)提供支持工具。

去年，ARM 并購(gòu)了一家小型的8位的MCU軟件開(kāi)發(fā)工具商Keil公司。許多8051的系統(tǒng)設(shè)計(jì)者都使用過(guò)Keil的工具軟件。 用8位的優(yōu)秀軟件工具鉤住用戶，以贏得日后的32位訂單是一個(gè)成功的開(kāi)端。ARM緊緊地?fù)ё×薑eil，于是，F(xiàn)reescale的CodeWarrior所特有軟件技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)上的優(yōu)勢(shì)將一夜之間損失殆盡。

Freescale宣布將8位到32位的MCU芯片實(shí)現(xiàn)引腳的兼容算，算是一次大的回敬，當(dāng)從低速的8-位在向高速的32位MCU伸縮時(shí)，還將留下等同大小的存儲(chǔ)腳印。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者在開(kāi)發(fā)硬件時(shí)再也不必?fù)?dān)心軟件的開(kāi)發(fā)者會(huì)用完所有的存儲(chǔ)凈空而被迫從新設(shè)計(jì)，甚至也不會(huì)再需等到項(xiàng)目的的某個(gè)后續(xù)階段才能確定所需要的MCU結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者可以只用一個(gè)單板機(jī)代替過(guò)去多種形式的樣機(jī)來(lái)伸縮MCU的速度和結(jié)構(gòu)以滿足各個(gè)階段的性能需要。無(wú)疑這些目標(biāo)都是有價(jià)值的，F(xiàn)reescale也肯定需要一段時(shí)間，才能充其量只對(duì)少數(shù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)如此寬廣范圍的片腳兼容。而且，片腳的兼容也僅限于在高端只用到低端的32位器件。高端的32位需要許多電源引腳，不可能與低端的8位外設(shè)取得很好的平衡。

Freescale確信，統(tǒng)一體片腳兼容會(huì)從高于40腳開(kāi)始，再低的將是8腳，僅能在8位器件之間兼容。對(duì)于高端的32位器件將仍單獨(dú)地使用上百條的引腳。

最后的贏家是系統(tǒng)設(shè)計(jì)者

Freescale的合理的策略始終是集中精力于回報(bào)最高的業(yè)務(wù)。推動(dòng)微處理器的統(tǒng)一體也僅是為了簡(jiǎn)化Freescale的產(chǎn)品系列多到令用戶眩暈妨礙結(jié)構(gòu)選擇的最好途徑。Freescal是在修補(bǔ)自己盔甲中的斷裂點(diǎn)，抵御來(lái)自ARM基MCU非?，F(xiàn)實(shí)的威脅。 Freescale 也是擁有ARM許可用戶，CodeWarrior也支持ARM基的器件。Freescale認(rèn)可ARM是手機(jī)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)和其相關(guān)的應(yīng)用。ColdFire 是Freescale在工業(yè)應(yīng)用方面受歡迎的 32位結(jié)構(gòu), 而PowerPC是Freescale首選用于汽車的32位產(chǎn)品。雖然Freescale明白需要限制使用競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手也在使用的第三方的結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@樣有些汽車客戶可能轉(zhuǎn)向ARM，但不管是那種情況，F(xiàn)reescale都會(huì)抓緊自己的業(yè)務(wù)。

競(jìng)爭(zhēng)的現(xiàn)實(shí)，凸顯出Freescale具有最為廣泛外部設(shè)備的優(yōu)越性，很少有公司能與之比擬。成套而健壯的軟件開(kāi)發(fā)工具和上述可供選擇的廣泛外部設(shè)備，用戶會(huì)發(fā)現(xiàn)選用何種處理器核已經(jīng)變得不那么重要了。Freescale 脫離Motorola之后，已經(jīng)成長(zhǎng)為獨(dú)立的半導(dǎo)體供應(yīng)商?，F(xiàn)在，更加應(yīng)該對(duì)用戶的需要負(fù)責(zé)。Freescale創(chuàng)建的微處理器統(tǒng)一體相信必將受到市場(chǎng)的歡迎。