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面對繽紛多彩的 MCU 世界，如何在新品設計，老產品更新換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 發展趨勢，利用 MCU 幫助產品創新是電子設計者正在考慮的問題。 最近一段時間各大半導體公司紛紛表現出對 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 將是他們未來業務增長的重要產品線，除了繼續引領汽車電子領域 MCU 的優勢外，將重視通用 MCU 的發展； 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 繼續保持市場產量的優勢，各種 8051 結構依是 8 位 MCU 的主流，傳統 8 位 MCU AVR 、瑞薩 R8C/Tiny 也紛紛發布新品， 16 位的 MSP430 在低功耗無線應用表現出眾。 32 位大行其道 消費類電子，汽車電子和工業應用三大行業正在推動 32 位 MCU 的廣泛采用， Gartner 的數據顯示，到了 2012 年， 32 位 MCU （加上 32 位智能卡）的整個數量將非常接近 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 年發表了 PIC32 就是希望在穩定其用戶在向 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 在內主要 MCU 廠商生產并大獲成功后， ARM 新近發表的 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 處理器和系統部件，如多層次的內部總線，一個高速的 DMA 支持系統外設和分布式外設控制器，以達到更高速的數據傳輸能力。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品的繼承性問題，在選擇 ARM 核 MCU 時，可以優先考慮使用 Coretex-M3 的 MCU 芯片。 32位MCU未來還會向多核方向發展。我們知道多核應用目前主要集中在數據中心服務器中，但是伴隨密集計算需求的產生，比如汽車電子、圖像處理和視頻監控行業，將會出現多核 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 數字媒體處理器是由雙核 MCU （ ARM9+C64X DSP ）組成。 32位MCU發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品已經是產品設計初期必須考慮的問題之一，便于實現輕松升級的靈活 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，同樣思路的產品線是飛思卡爾的 Flexis QE128 ，包括了 8 位 S08 和 ColdfireV1 的六款內核的升級方案。 單一功能和高集成度 單一化和集成化是 MCU 發展的一個趨勢，特別是體現在 8/16 位 MCU 上。在無線通信領域我們已經看到了集成 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，而且這些芯片一般都配備了優化好的支持 ZigBee 的協議和 USB 協議的軟件庫，讓設計者可以很快完成項目，其他傳統的單一功能 MCU 的應用還包括數字電源、電機控制、電表，比如瑞薩針對電表應用的 R8C/Tiny 系列的 MCU 。 傳統的通用 MCU 還將會繼續向增加外設和通信模塊的方向發展，比如 UART 、 ADC 、 PWM 、 SPI 、 I 2 C 、 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等軟件組件的使用，內置大容量的 Flash( 閃存 )/RAM. 將也是 MCU 發展未來的趨勢， 256K 閃存已經是中級配置， 512K 閃存的 MCU 已經隨處可見。 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，人們力求在各個環節盡可能地減少靜態和動態的電源消耗。傳統的控制電壓的調節方式和管理待機模式依然被多數電子設備正在采用，還將繼續延續下去，但是隨著包括移動終端、無線傳感網絡裝置 、新型智能玩具、便攜式血糖儀、血壓計和體能監測儀等手持醫療設備等 這些對電量消耗極大和永遠在線的設備市場規模的迅速增加，解決電源管理已經成為整個電子設計正在面臨的重要課題， 市場對綠色產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，各種新產品應運而出。 Silicon Lab 是一家以提供 8051 核 MCU 為主的公司，最近發表的單電池供電的 80C51 MCU —— 8051F9XX ，最低電壓可到 0.9 V ，其超低電壓供電是業界少見的。該芯片內置了 DC/DC 電壓轉換器和 LDO 轉換器，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 80C51F9XX 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 8051F 9XX的 電流和頻率變化關系 另外一款 MCU 是 Atmel 公司發布的行業第一款超低功耗 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節器，用于降低工作和待機模式下的功耗。 AT91SAM7L 系列產品針對工作和待機模式吸收了嵌入式 CPU 的動態電源管理技術，采用 MCU 領域里創新的降低功耗方式。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 完成數據傳輸，可以優化功耗。 SAM7L 采用單電壓 1.8V 模式工作，在閃存中執行代碼時，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電壓調節器），可以看到先進的電源管理技術使得 AT91SAM7L 具有良好的節能效果，再配合系統的優化，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低功耗的芯片，繼續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，已經非常接近 8 位 MCU 8051F9XX 的數量級。這對于工業測量裝置滿足實時性要求是非常重要的。一個優秀的快速喚醒技術可以讓降低功耗和保持實時性達到統一。 開發工具的融合 伴隨電子產品復雜度增加， MCU 程序代碼量日益增加，雖然 C 語言已經是 MCU 逐鹿的開發語言，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。一種方案是繼續沿用老的 MCU 或者升級換代的兼容產品，這樣工具就可以繼續延用了，另外就是采用統一的開發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 開發工具，發表了新的針對 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, 讓過去許多已經熟悉了 Keil 51 的用戶，能夠在工具方面沒有障礙地轉移到 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，這樣的工具融合現象說明了 MCU 廠家已經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 未來的發展一定是豐富多彩的，從歷史發展的軌跡看，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 的發展趨勢，選擇適合你的產品和開發工具，是保證產品質量、生產成本和開發周期的關鍵。同時關注 MCU 的動態，選擇具有特色的 MCU 能夠幫助你的產品創新和差異化設計，收到與眾不同的效果。 參考資料： • 促進微處理器市場的競爭 . ARM 公司會議 . 2008.5 月 26 日 • 邵樂峰， Microchip 擴展 PIC 單片機產品線， 32 位市場期待厚積薄發 EET china • 何小慶 . 單片機和工業無線網絡 . 電子產品世界 , 2008, 7: 106. • 迎九 . 嵌入式芯片同質化的對策 . 電子產品世界， <2007-06-14>. http://www.eepw.com.cn/article/60370.htm. • Bitton S. Microcontroller architectures, then and now. EE Times,<2008-01-01>, http://www.eetimes.com/showArticle.jhtml?articleID=209900005. 轉自《電子產品世界》2008.12 |
