關注ＭＣＵ發展的新動向

摘要：如何在新品設計、老產品更新換代中正確選擇MCU和供應商將是開發者面臨的一個重要題目。32位MCU正在受關注，MCU呈現單一功能和高集成度，功耗更低并注重能耗管理技術，開發工具更加融合。

關鍵詞：MCU；低功耗；開發工具；Cortex-M3

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。

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STM32Coretex—M3是1.25DMIPS，PIC32有1.5DMIPS；32位MCU還擁有更大的片內閃存空間(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、Cortec-M3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隨后發表的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0.19mW/MHz(8051是0.5mW/MHz)。以ST32F10X為例，它可以在2.0V～3.6V電壓下工作，在待機模式(RTCon)只有3.5μA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MCU后，ST(意法半導體)在2007年推出ST32MCU，到2008年9月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，2008年Atmel也宣布獲得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。筆者認為，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。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ColdfireVl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 MCl321X；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，例如NEC的USB 2.0主機和外設的MCU，Microchip的PICl8F13K50和PICl8F14K50是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是一款引入針對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、SPT、I²C、GPIO、CAN和Ethernet；因為隨之帶來軟件的復雜度增加和嵌入式操作系統等軟件組件的使用，內置大容量的閃存/RAM等，這些也將是MCU未來的發展趨勢，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

隨著包括移動終端、無線傳感網絡裝置、新型智能玩具、手持醫療設備等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，各種新產品應運而生。

Silicon Laboratories公司是一家以提供8051核MCU為主的公司，2008年發表的單電池供電的80C51 MCU—8051F9XX，最低電壓可到0.9V，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50hA)，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關系。

另外一款MCU是Atmel公司發布的超低功耗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)。

TI公司的MSP430543X 16位超低功耗MCU是在MSP430家族衍生出的一種強調低功耗的芯片，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5μs以內，已經非常接近8位MCU8051F9XX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主要的開發語言，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。

近一兩年發生的兩件事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IAREW可以支持各種8、16和32位MCU，而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。