MCU的高集成度与低功耗设计权衡

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。

图 1 MCU 市场的价值

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MCU的高集成度与低功耗设计应对市场需求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 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 USBMCU 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。