MCU的高集成度与低功耗设计应对市场需求
2009-02-04 10:08:56
来源：《半导体器件应用》2009年1-2月刊
面对缤纷多彩的 MCU 世界，如何在新品设计，老产品更新换代中正确的选择芯片和供应商将是要面临的一个重要的题目，因为无论是产品的更新还是 MCU 的更新速度都远远超出设计者预想，正确把握 MCU 发展趋势，利用 MCU 帮助产品创新是电子设计者正在考虑的问题。
最近一段时间各大半导体公司纷纷表现出对 MCU （微控制器 / 单片机）市场的关注，相继推出新型的 MCU 芯片，飞思卡尔公司在 6 月 17 日佛罗里达州奥兰多市 飞思卡尔技术论坛上宣布 MCU 将是他们未来业务增长的重要产品线，除了继续引领汽车电子领域 MCU 的优势外，将重视通用 MCU 的发展； ARM 体系结构在嵌入式微处理器市场高速增长带动了 ARM 在 MCU 市场优势的领先，继 ARM7TDMI 获得成功后， Cortex-M3 以高性能，低功耗和低费用正在成为新一代 32 位 MCU 的主流； 8/16 位 MCU 继续保持市场产量的优势，各种 8051 结构依是 8 位 MCU 的主流，传统 8 位 MCU AVR 、瑞萨 R8C/Tiny 也纷纷发布新品， 16 位的 MSP430 在低功耗无线应用表现出众。
32 位大行其道
消费类电子，汽车电子和工业应用三大行业正在推动 32 位 MCU 的广泛采用， Gartner 的数据显示，到了 2012 年， 32 位 MCU （加上 32 位智能卡）的整个数量将非常接近 8/16 位 MCU 总合，但是销售额将超过 8/16 MCU 。（见图 1 ）。这也不难看出老牌的 8/16 位 MCU 厂商 2008 年纷纷进入 32 位市场，推出和其 8/16 位保持兼容的 32 位 新品的真正原因了：谁也不想放弃 32 位 MCU 的这道大餐，况且盛筵还远没有开始呢。比如 Microchip 2008 年发表了 PIC32 就是希望在稳定其用户在向 32 位升级时的选择。
32位MCU能够带来更高的性能，而且并不很贵的价格。资料显示最新的 STM32 Coretex M3 是 1.25DMIPS ， PIC32 有 1.5DMIPS ； 32 位 MCU 还拥有更大的闪存空间（不够还可以外扩），保证大容量的软件代码运行以适应应用软件的增加。在 32 位 MCU 市场上开放 CPU 体系得到充分的认可，比如 ARM7/9 、CortecM3 和 MIPS ，在 ARM7TDMI 被世界上包括 NXP 、Atmel 在内主要 MCU 厂商生产并大获成功后， ARM 新近发表的 Cortex-M3 有希望成为 MCU 中的 8051 ，除了高性能、大存储空间和丰富软件和工具支持外， Cortex-M3 核只有 0.19 mW/MHz（8051 是 0.5mW/MHz）。以 ST32F10X 为例，它可以在 2.0~3.6V 电压下工作，在待机模式（RTCon）只有 3.5uA 电流消耗，在闪存运行时也只有 0.5mA/MHz 消耗。继 2006 年 初创公司 Luminary 推出了基于 Cortex-M3 的 8 位 MCU 后， ST（意法半导体）在 2007 年推出 ST32 MCU 到今天 ST 共有 46 款产品。其他半导体公司也不甘落后， NXP 、TI 和 Zilog 相继宣布获得 Cortex-M3 授权，最近 Ateml 宣布获得 Cortex-M3 授权为下一代的 AT91SAM 的核心（Atmel 基于 ARM 技术的 MCU）。Atmel 计划其 AT91SAM3 闪存 MCU 系列将组合 ARM Cortex-M3 处理器和系统部件，如多层次的内部总线，一个高速的 DMA 支持系统外设和分布式外设控制器，以达到更高速的数据传输能力。无疑 Atmel 的加入将奠定 Coretex-M3 在 MCU 市场的地位。以目前情况看，新的设计如果不考虑到老产品的继承性问题，在选择 ARM 核 MCU 时，可以优先考虑使用 Coretex-M3 的 MCU 芯片。
32位MCU未来还会向多核方向发展。我们知道多核应用目前主要集中在数据中心服务器中，但是伴随密集计算需求的产生，比如汽车电子、图像处理和视频监控行业，将会出现多核 MCU ，比如今天我们看到的飞思卡尔 MPC563xM 系列包括 32 位汽车动力总成 MCU ，用以改善拥有一至四个气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 引擎技术；另外一个例子是 TI 达芬奇 TMS320DM644X 数字媒体处理器是由双核 MCU （ARM9+C64X DSP）组成。
32位MCU发展趋势上还有一个特点，即考虑在 8/16 32 位之间的无缝移植的技术方案。大量的嵌入式应用过去和今后一段时间还将集中在 8/16 位 上，但是考虑到市场竞争的加剧，推出高性能的升级产品已经是产品设计初期必须考虑的问题之一，便于实现轻松升级的灵活 MCU 架构将得到欢迎。比如 Microchip 最新推出的 32 位 MCU PIC32 的时候重点强调也是和 PIC24/disPIC DSC 的引脚、寄存器和外设兼容，新版本的 MPLAB 开放环境在原有 8/16 位 MCU 上增加了 32 位 PIC32 支持和 16 位通用外设 API 库，这样同样的开放环境在更换 MCU 的时候只是重新编译一下代码就可以运行了，同样思路的产品线是飞思卡尔的 Flexis QE128 ，包括了 8 位 S08 和 ColdfireV1 的六款内核的升级方案。
单一功能和高集成度
单一化和集成化是 MCU 发展的一个趋势，特别是体现在 8/16 位 MCU 上。在无线通信领域我们已经看到了集成 8051 核的 TI 公司的 ZigBee MCU CC2430 和飞思卡尔的 68HC08 核 ZigBee MCU MC1321X；在连接和存储方面 USB 的作用在嵌入式系统中得到广泛认可，大量 USB MCU 应运而生，NEC 的 USB 2.0 主机和外设的 MCU， PIC18F13K50 和 PIC18F14K50 是一个 8 位 USB MCU。为了满足最终产品对高级 USB 连接功能与日俱增的需求， Microchip PIC32 USB OTG 是一颗引入针对 USB OTG 功能的 32 位 USB MCU。这些单一功能的 MCU 都具有单芯片的高集成度，配合一些外围功率和电源部件的电路板就可以组成一个完整的嵌入式系统，而且这些芯片一般都配备了优化好的支持 ZigBee 的协议和 USB 协议的软件库，让设计者可以很快完成项目，其他传统的单一功能 MCU 的应用还包括数字电源、电机控制、电表，比如瑞萨针对电表应用的 R8C/Tiny 系列的 MCU 。
传统的通用 MCU 还将会继续向增加外设和通信模块的方向发展，比如 UART、ADC、PWM、SPI、I2C、GPIO、CAN 和 Ethernet；因为随之带来的软件的复杂度增加和嵌入式操作系统等软件组件的使用，内置大容量的 Flash（闪存）/RAM。将也是 MCU 发展未来的趋势， 256K 闪存已经是中级配置， 512K 闪存的 MCU 已经随处可见。
低功耗设计和能耗管理
能耗管理是芯片设计、制造工艺、系统设计、软件工程师都在为之而努力的研究课题，人们力求在各个环节尽可能地减少静态和动态的电源消耗。传统的控制电压的调节方式和管理待机模式依然被多数电子设备正在采用，还将继续延续下去，但是随着包括移动终端、无线传感网络装置、新型智能玩具、便携式血糖仪、血压计和体能监测仪等手持医疗设备等 这些对电量消耗极大和永远在线的设备市场规模的迅速增加，解决电源管理已经成为整个电子设计正在面临的重要课题， 市场对绿色产品的需求促使制造商考虑采用低功耗的待机模式，作为嵌入式系统灵魂部件的 MCU 近年在低功耗设计和能耗管理方面的动作很大，各种新产品应运而出。
Silicon Lab 是一家以提供 8051 核 MCU 为主的公司，最近发表的单电池供电的 80C51 MCU——8051F9XX，最低电压可到 0.9V，其超低电压供电是业界少见的。该芯片内置了 DC/DC 电压转换器和 LDO 转换器，可以提供恒定的 1.7V 电压和电流，以适应外设的工作，也可以减少电路板的尺寸，更重要的是 80C51F9XX 有超低功耗的休眠模式（电流只有 50nA ），大大提高了电池的效率和使用时间。
图 2 显示了该芯片电流随频率的变化。
另外一款 MCU 是 Atmel 公司发布的行业第一款超低功耗 ARM7TDMI 闪存 MCU - AT91SAM7L，它在关机模式只消耗 100nA 电流，这得益于 该系列产品嵌入了控制多个功率岛的功率开关，以及可编程的电压调节器，用于降低工作和待机模式下的功耗。AT91SAM7L 系列产品针对工作和待机模式吸收了嵌入式 CPU 的动态电源管理技术，采用 MCU 领域里创新的降低功耗方式。在工作模式下，能通过编程设置工作电压和工作频率、外设时钟活动，采用 DMA 来替代 CPU 完成数据传输，可以优化功耗。 SAM7L 采用单电压 1.8V 模式工作，在闪存中执行代码时，典型的电流消耗为 0.5mA/MHz 。不同待机模式的功耗可通过多种方式来加以控制（包括功率开关和可调电压调节器），可以看到先进的电源管理技术使得 AT91SAM7L 具有良好的节能效果，再配合系统的优化，可以预见基于 AT91SAM7L 的嵌入式装置的功耗管理可以达到相同的水平。另外，谈到超低功耗 MCU 产品，还应该提到的是 TI 公司的 MSP430543X 16 位超低功耗 MCU ， MSP430543X 是在 MSP430 家族衍生出的一个强调低功耗的芯片，继续继承了高集成的外设支持、低电压工作模式、丰富连接方式（包括红外，多串口等），以适合便携测试装置设计外，特别值得一提的是 DSC 的使用使得快速唤醒时间提高到 5us 以内，已经非常接近 8 位 MCU 8051F9XX 的数量级。这对于工业测量装置满足实时性要求是非常重要的。一个优秀的快速唤醒技术可以让降低功耗和保持实时性达到统一。
开发工具的融合
伴随电子产品复杂度增加， MCU 程序代码量日益增加，虽然 C 语言已经是 MCU 逐鹿的开发语言，但是考虑到不同的 MCU 之间的差异（例如寄存器和外设接口）、不同厂家 C 语言的工程文件和宏定义等方面的问题，还有采用的 RTOS 的不同，代码的移植和移植后的测试还有一个相当大的工作量。一种方案是继续沿用老的 MCU 或者升级换代的兼容产品，这样工具就可以继续延用了，另外就是采用统一的开发工具支持不同厂家的 MCU 。
最近一段时间的两件事情应该是验证了统一工具的重要性。一是； ARM 在 2007 年收购 Keil 公司后重新整合了 ARM 开发工具，发表了新的针对 MCU 市场的 ARM MDK，其中使用 Keil uVision IDE 和工程管理取代了以前的 ARM RealView/SDT， 让过去许多已经熟悉了 Keil 51 的用户，能够在工具方面没有障碍地转移到 ARM 结构 MCU。二是；飞思卡尔公司宣布它们的 Coldfire 支持 IAR EW （embedded workbench）工具，因为 IAR EW 可以支持各种 8 、16 和 32 位 MCU，大家知道之前飞思卡尔一直是只支持自己的 Codewarrier 工具，这样的工具融合现象说明了 MCU 厂家已经意识到一致性工具对用户的重要性。
结语
面向无处不在的各种各样的嵌入式应用，MCU 未来的发展一定是丰富多彩的，从历史发展的轨迹看，一种芯片、一家公司和一种体系结构无法满足变化万千的市场需求，正确把握 MCU 的发展趋势，选择适合你的产品和开发工具，是保证产品质量、生产成本和开发周期的关键。同时关注 MCU 的动态，选择具有特色的 MCU 能够帮助你的产品创新和差异化设计，收到与众不同的效果。
最近一段时间各大半导体公司纷纷表现出对 MCU （微控制器 / 单片机）市场的关注，相继推出新型的 MCU 芯片，飞思卡尔公司在 6 月 17 日佛罗里达州奥兰多市 飞思卡尔技术论坛上宣布 MCU 将是他们未来业务增长的重要产品线，除了继续引领汽车电子领域 MCU 的优势外，将重视通用 MCU 的发展； ARM 体系结构在嵌入式微处理器市场高速增长带动了 ARM 在 MCU 市场优势的领先，继 ARM7TDMI 获得成功后， Cortex-M3 以高性能，低功耗和低费用正在成为新一代 32 位 MCU 的主流； 8/16 位 MCU 继续保持市场产量的优势，各种 8051 结构依是 8 位 MCU 的主流，传统 8 位 MCU AVR 、瑞萨 R8C/Tiny 也纷纷发布新品， 16 位的 MSP430 在低功耗无线应用表现出众。
32 位大行其道
消费类电子，汽车电子和工业应用三大行业正在推动 32 位 MCU 的广泛采用， Gartner 的数据显示，到了 2012 年， 32 位 MCU （加上 32 位智能卡）的整个数量将非常接近 8/16 位 MCU 总合，但是销售额将超过 8/16 MCU 。（见图 1 ）。这也不难看出老牌的 8/16 位 MCU 厂商 2008 年纷纷进入 32 位市场，推出和其 8/16 位保持兼容的 32 位 新品的真正原因了：谁也不想放弃 32 位 MCU 的这道大餐，况且盛筵还远没有开始呢。比如 Microchip 2008 年发表了 PIC32 就是希望在稳定其用户在向 32 位升级时的选择。
32位MCU能够带来更高的性能，而且并不很贵的价格。资料显示最新的 STM32 Coretex M3 是 1.25DMIPS ， PIC32 有 1.5DMIPS ； 32 位 MCU 还拥有更大的闪存空间（不够还可以外扩），保证大容量的软件代码运行以适应应用软件的增加。在 32 位 MCU 市场上开放 CPU 体系得到充分的认可，比如 ARM7/9 、CortecM3 和 MIPS ，在 ARM7TDMI 被世界上包括 NXP 、Atmel 在内主要 MCU 厂商生产并大获成功后， ARM 新近发表的 Cortex-M3 有希望成为 MCU 中的 8051 ，除了高性能、大存储空间和丰富软件和工具支持外， Cortex-M3 核只有 0.19 mW/MHz（8051 是 0.5mW/MHz）。以 ST32F10X 为例，它可以在 2.0~3.6V 电压下工作，在待机模式（RTCon）只有 3.5uA 电流消耗，在闪存运行时也只有 0.5mA/MHz 消耗。继 2006 年 初创公司 Luminary 推出了基于 Cortex-M3 的 8 位 MCU 后， ST（意法半导体）在 2007 年推出 ST32 MCU 到今天 ST 共有 46 款产品。其他半导体公司也不甘落后， NXP 、TI 和 Zilog 相继宣布获得 Cortex-M3 授权，最近 Ateml 宣布获得 Cortex-M3 授权为下一代的 AT91SAM 的核心（Atmel 基于 ARM 技术的 MCU）。Atmel 计划其 AT91SAM3 闪存 MCU 系列将组合 ARM Cortex-M3 处理器和系统部件，如多层次的内部总线，一个高速的 DMA 支持系统外设和分布式外设控制器，以达到更高速的数据传输能力。无疑 Atmel 的加入将奠定 Coretex-M3 在 MCU 市场的地位。以目前情况看，新的设计如果不考虑到老产品的继承性问题，在选择 ARM 核 MCU 时，可以优先考虑使用 Coretex-M3 的 MCU 芯片。
32位MCU未来还会向多核方向发展。我们知道多核应用目前主要集中在数据中心服务器中，但是伴随密集计算需求的产生，比如汽车电子、图像处理和视频监控行业，将会出现多核 MCU ，比如今天我们看到的飞思卡尔 MPC563xM 系列包括 32 位汽车动力总成 MCU ，用以改善拥有一至四个气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 引擎技术；另外一个例子是 TI 达芬奇 TMS320DM644X 数字媒体处理器是由双核 MCU （ARM9+C64X DSP）组成。
32位MCU发展趋势上还有一个特点，即考虑在 8/16 32 位之间的无缝移植的技术方案。大量的嵌入式应用过去和今后一段时间还将集中在 8/16 位 上，但是考虑到市场竞争的加剧，推出高性能的升级产品已经是产品设计初期必须考虑的问题之一，便于实现轻松升级的灵活 MCU 架构将得到欢迎。比如 Microchip 最新推出的 32 位 MCU PIC32 的时候重点强调也是和 PIC24/disPIC DSC 的引脚、寄存器和外设兼容，新版本的 MPLAB 开放环境在原有 8/16 位 MCU 上增加了 32 位 PIC32 支持和 16 位通用外设 API 库，这样同样的开放环境在更换 MCU 的时候只是重新编译一下代码就可以运行了，同样思路的产品线是飞思卡尔的 Flexis QE128 ，包括了 8 位 S08 和 ColdfireV1 的六款内核的升级方案。
单一功能和高集成度
单一化和集成化是 MCU 发展的一个趋势，特别是体现在 8/16 位 MCU 上。在无线通信领域我们已经看到了集成 8051 核的 TI 公司的 ZigBee MCU CC2430 和飞思卡尔的 68HC08 核 ZigBee MCU MC1321X；在连接和存储方面 USB 的作用在嵌入式系统中得到广泛认可，大量 USB MCU 应运而生，NEC 的 USB 2.0 主机和外设的 MCU， PIC18F13K50 和 PIC18F14K50 是一个 8 位 USB MCU。为了满足最终产品对高级 USB 连接功能与日俱增的需求， Microchip PIC32 USB OTG 是一颗引入针对 USB OTG 功能的 32 位 USB MCU。这些单一功能的 MCU 都具有单芯片的高集成度，配合一些外围功率和电源部件的电路板就可以组成一个完整的嵌入式系统，而且这些芯片一般都配备了优化好的支持 ZigBee 的协议和 USB 协议的软件库，让设计者可以很快完成项目，其他传统的单一功能 MCU 的应用还包括数字电源、电机控制、电表，比如瑞萨针对电表应用的 R8C/Tiny 系列的 MCU 。
传统的通用 MCU 还将会继续向增加外设和通信模块的方向发展，比如 UART、ADC、PWM、SPI、I2C、GPIO、CAN 和 Ethernet；因为随之带来的软件的复杂度增加和嵌入式操作系统等软件组件的使用，内置大容量的 Flash（闪存）/RAM。将也是 MCU 发展未来的趋势， 256K 闪存已经是中级配置， 512K 闪存的 MCU 已经随处可见。
低功耗设计和能耗管理
能耗管理是芯片设计、制造工艺、系统设计、软件工程师都在为之而努力的研究课题，人们力求在各个环节尽可能地减少静态和动态的电源消耗。传统的控制电压的调节方式和管理待机模式依然被多数电子设备正在采用，还将继续延续下去，但是随着包括移动终端、无线传感网络装置、新型智能玩具、便携式血糖仪、血压计和体能监测仪等手持医疗设备等 这些对电量消耗极大和永远在线的设备市场规模的迅速增加，解决电源管理已经成为整个电子设计正在面临的重要课题， 市场对绿色产品的需求促使制造商考虑采用低功耗的待机模式，作为嵌入式系统灵魂部件的 MCU 近年在低功耗设计和能耗管理方面的动作很大，各种新产品应运而出。
Silicon Lab 是一家以提供 8051 核 MCU 为主的公司，最近发表的单电池供电的 80C51 MCU——8051F9XX，最低电压可到 0.9V，其超低电压供电是业界少见的。该芯片内置了 DC/DC 电压转换器和 LDO 转换器，可以提供恒定的 1.7V 电压和电流，以适应外设的工作，也可以减少电路板的尺寸，更重要的是 80C51F9XX 有超低功耗的休眠模式（电流只有 50nA ），大大提高了电池的效率和使用时间。
图 2 显示了该芯片电流随频率的变化。
另外一款 MCU 是 Atmel 公司发布的行业第一款超低功耗 ARM7TDMI 闪存 MCU - AT91SAM7L，它在关机模式只消耗 100nA 电流，这得益于 该系列产品嵌入了控制多个功率岛的功率开关，以及可编程的电压调节器，用于降低工作和待机模式下的功耗。AT91SAM7L 系列产品针对工作和待机模式吸收了嵌入式 CPU 的动态电源管理技术，采用 MCU 领域里创新的降低功耗方式。在工作模式下，能通过编程设置工作电压和工作频率、外设时钟活动，采用 DMA 来替代 CPU 完成数据传输，可以优化功耗。 SAM7L 采用单电压 1.8V 模式工作，在闪存中执行代码时，典型的电流消耗为 0.5mA/MHz 。不同待机模式的功耗可通过多种方式来加以控制（包括功率开关和可调电压调节器），可以看到先进的电源管理技术使得 AT91SAM7L 具有良好的节能效果，再配合系统的优化，可以预见基于 AT91SAM7L 的嵌入式装置的功耗管理可以达到相同的水平。另外，谈到超低功耗 MCU 产品，还应该提到的是 TI 公司的 MSP430543X 16 位超低功耗 MCU ， MSP430543X 是在 MSP430 家族衍生出的一个强调低功耗的芯片，继续继承了高集成的外设支持、低电压工作模式、丰富连接方式（包括红外，多串口等），以适合便携测试装置设计外，特别值得一提的是 DSC 的使用使得快速唤醒时间提高到 5us 以内，已经非常接近 8 位 MCU 8051F9XX 的数量级。这对于工业测量装置满足实时性要求是非常重要的。一个优秀的快速唤醒技术可以让降低功耗和保持实时性达到统一。
开发工具的融合
伴随电子产品复杂度增加， MCU 程序代码量日益增加，虽然 C 语言已经是 MCU 逐鹿的开发语言，但是考虑到不同的 MCU 之间的差异（例如寄存器和外设接口）、不同厂家 C 语言的工程文件和宏定义等方面的问题，还有采用的 RTOS 的不同，代码的移植和移植后的测试还有一个相当大的工作量。一种方案是继续沿用老的 MCU 或者升级换代的兼容产品，这样工具就可以继续延用了，另外就是采用统一的开发工具支持不同厂家的 MCU 。
最近一段时间的两件事情应该是验证了统一工具的重要性。一是； ARM 在 2007 年收购 Keil 公司后重新整合了 ARM 开发工具，发表了新的针对 MCU 市场的 ARM MDK，其中使用 Keil uVision IDE 和工程管理取代了以前的 ARM RealView/SDT， 让过去许多已经熟悉了 Keil 51 的用户，能够在工具方面没有障碍地转移到 ARM 结构 MCU。二是；飞思卡尔公司宣布它们的 Coldfire 支持 IAR EW （embedded workbench）工具，因为 IAR EW 可以支持各种 8 、16 和 32 位 MCU，大家知道之前飞思卡尔一直是只支持自己的 Codewarrier 工具，这样的工具融合现象说明了 MCU 厂家已经意识到一致性工具对用户的重要性。
结语
面向无处不在的各种各样的嵌入式应用，MCU 未来的发展一定是丰富多彩的，从历史发展的轨迹看，一种芯片、一家公司和一种体系结构无法满足变化万千的市场需求，正确把握 MCU 的发展趋势，选择适合你的产品和开发工具，是保证产品质量、生产成本和开发周期的关键。同时关注 MCU 的动态，选择具有特色的 MCU 能够帮助你的产品创新和差异化设计，收到与众不同的效果。
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