Freescale的果断新决策--8~12位可伸缩的微处理器统一体

虽然微处理器领域的报道都集中在高端CPU微结构的不断发展方面，在微控制器厂商之间却爆发了一场甚嚣尘上的有趣战争。一些32位MCU生产商如Atmel、 Freescale、Oki、Philips、ST Microelectronics等开始争夺新的客户，因为他们感觉到8位和16位CPU的客户数已达极限。
微处理器评论家经常忽略，MCU的市场非常巨大，2005年市场规模超过120亿美元，其中8位和16位产品占100亿美元。然而，近年来32位MCU的功耗和封装尺寸不断下降，于是，32位产品的厂商希望能吸引系统设计师采用新的32位产品进行开发。

Freescale 领跑32位MCU产品

Freescale半导体站在32位MCU竞争的前沿，同时又占有8位MCU年销量的最大份额。图1是2005年9月关于Freescale的8位、16位和32位MCU各年度所占的市场份额。以占有 MCU市场总额比例而论，2005年Freescale在8位和16位的产品厂商中居第二(14%)，仅次于 Renasas (23%)，而在32位领域则占据首位。当前，Freescale面临的最大挑战是如何保住其8位产品的客户，在他们需要使用更高性能MCU时不换用其他厂家的产品。

Motorola将其半导体部门分离出来成立Freescale公司已经近两年了，依靠更具竞争性的产品策略取得了非常可观的市场业绩。这本是一项异常困难的任务，因为Motorola经历数十年的开发，为适应不同市场需要开发了许多种微处理器结构，范围包括从磁盘驱动器到PC桌面，从控制接口到数据中心，从蜂窝电话到卫星通信。Motorola研发这些芯片的主要目的是为自己的各种产品体系提供硬件支持，而现在的Freescale公司是一个不依赖于Motorola的独立运作、管理、核算以及市场开发的生产商。Freescale已经不在受Motorola的控制，Motorola的开发人员必须做出抉择——是继续采用现有芯片还是去适应一个新的架构。比较麻烦的是，虽然很多MCU的架构都包含在6800到 68000系列中，但由Motorola继承而来的8位、16位和32位MCU具有完全不同的指令系统。Freescale需要面对的挑战是让客户相信从原来Motorola的产品转到Freescale更高性能MCU的成本比换另一个厂商产品的成本低。

Freescale进退两难：何方是路?

任何产品的发展策略都在于既巩固眼前创造主要产值的看家产品，又能投资于将来有增值可能的业务，不管是自己现有的业务还是其他对手的业务领域。尽管现存的业务仍旧表现出丰盛的增值，例如无处不在的MCU业务，目前一辆汽车需要嵌入100多个微控制器。关于对手的业务，Freescale本可以选择消费电子。众所周知，Motorola是消费电子的大户。以Freescale出生于Motorola的密切关系，很容易搭上Motorola蓬勃发展的手机业务及其他会聚产品的便车。可惜这样一来，Freescale的CPU生产线又将重新回到跨越广阔市场的老路，公司难于集中精力于现存的业务和其他值得投资的应急业务。异常别致的是， Freescale启动了强化其MCU生产线的策略，使那些需要不断提升其MCU性能的用户可以从8位开始梯级地爬向32位。下面从分析Freescale品种繁多的系列产品清单看清Freescale如何理性地简化了这条迁徙路线。

产品系列过多 加大选型困惑

Freescale's网站提供的如图2所示的性能-特点图，用于指导客户按照其所需要的性能和特点来选择最合适的MCU。低端应用的器件有8位的HC08 和 HCS08。它们相当许多厂家生产的基于8051产品。2006年3月Freescale更发布了仅售50美分的极为低端的超微型8位 RS08，尺寸小到可穿越胡椒面瓶盖上的小孔。

如果8位无法满足客户需要，可以选择16位MCU，推荐HCS12 和 S12X系列产品。它们已有很长的生产历史，还在不断地派生出新的器件。16位结构在功耗和速度方面都比32位结构具有明显的极小的特点。Freescale 还有属于 56K系列的 DSP产品。它实际上是数字信号处理MCU，因为芯片上集成有外部设备和闪存。类似地，基于ARM的 MAC系列是用于汽车上的器件。此外，还有初始为生产PDA而开发的，基于ARM的Dragonball低功耗器件系列。选择指南的上端是32位的ColdFire系列，2006年下半年还会有一些新产品出来。ColdFire是嵌入式控制流水线上的器件，它继承了68K 的遗产。最后，32位的高端器件是PowerPC系列。仅重点介绍了MPC55x系列，它具有PowerPC e200内核，片上集成有专为汽车应用而优化的外设。图中未能包括两个32位MPU(非 MCU)产品系列——PowerQUICC 和Mcore，也有些用户把他们用于高端的控制系统。PowerQUICC正处于繁荣时期，不断地有新的介绍在正常地发布。Mcore曾有一段因ARM的影响而遭冷落。现在又从新用于32位的ColdFire的嵌入式应用。

低端应用 遭遇对手ARM

Freescale的微处理器目录清单中有上千种器件。只要你能想到的应用，都会有多个系列供你选择。但是，尽管Freescale有那么多的产品系列，也总会在某些点上暴露出来新的漏洞。有漏洞，必然会受到某些竞争对手的攻击。设想，Freescale的老客户为提高性能从新选定MCU的时候，必须从头学习新的处理器结构，必须再购买新的开发装置，那么，客户为什么不会去考虑其他厂家的产品呢。生产32位ARM基MCU的厂家很多，在MCU性能升级的竞争中，他们都是竞争对手，如Atmel, Oki, Philips, ST Microelectronics, Luminary Micro等等。形成竞争关系的还有外线对手，他们是提供知识产权(IP)的厂家，如ARC International, MIPS Technologies和Tensilica等等。另外，广大的MCU市场中，还存在各色的基予ARM的标准产品。

ARM基的32位MCU已被做成如同8位芯片一样的外形，价格也被将低到1美元一片。形势是严峻的，2005年Philips将集成有闪存的32位ARM7的 MCU降价到了1.47美元。2006年3月，Luminary Micro将基于32位ARM的MCU再降到批量达到10,000片时的每片1美元。Freescale不仅受到来自ARM的围攻，此外，还有许多来自8051新设计的侵扰。

CPU被挤压到难以想象的小

处理器核的尺寸在整个MPU结构之中长期以来受到挤压。在MCU之中，因为片上外设和存储器所占硅片面积的比例越来越大，这种挤压处理器核的偏向更加严重。现在应用系统的整个程序和数据都装入MCU的片上存储器中，模拟的外设器件以及大量通信接口所需的缓冲器也都要集成在片上，留给CPU核的硅粒面积就可怜到家了。用远观的眼光来看，一个需付专利费的8051核需要12,000门，小的ARM 核总得60,000门。若要集成不算大的64KB闪存就会挤到它们。由于处理器核所占硅片相对较小，在器件的总价中所占比例也就不大了。

功耗是32位微处理器的较大问题。如果其他一切情况一样， 32位微处理器的功耗比8位和16位的要大。如果主要任务仅是处理某特定写过程，随后可以从新进入待机状态的那些应用，使用速度较快的32位器件迅速地完成该项过程，那么比8位、16位器件所多消耗的仅是动态功率。另一方面，32位处理器需用的寄存器、缓冲器、数据通道和其它结构较宽，需要更多的晶体管。那末，器件的漏电流增大，即使待机时也一样。32位处理器比起8位的，其待机时的漏电流约大两个数量级。是否选。

Freescale的微控制器统一体

对于现存的8位用户，在考虑处理器升级时，如果仍旧希望他们仍会选用Freescale的 32位结构的话，应保证做到若仍选用Freescale的结构比改换它厂的结构成本低而且方便。想要做到这一点，关键是需将开发装置标准化和使外部设备对于CPU的转换尽可能地透明化。这就是为什么Freescale最近宣布，用户在使用8位S08 MCU时尽可能使用软件工具CodeWarrior的原因。 CodeWarrior是 Freescale 从Motorola传承下来的软件工具(由Metrowerks提供)，已经支持 Freescale的 32位产品很长时间了。CodeWarrior向8位用户转移的策略在于，这样做可以令程序员看到在开发8位和32位用户接口时仅出现极少的变化，即使CPU的指令集非常不一样也如此。Freescale期望C-code语言的程序能够在汇编语言无效时随意装载和调试，为实现在这种策略下调试8位和32位MCU，需要使用公用的硬件的调试模式。多数MCU要求对其特殊外设进行代码的微调，这样做会增加嵌入式系统的软件开发费用。Freescale并未发布的32位器件也将集成和S08 MCU一样的外设。因此，在MCU升级时对软件驱动程序需作少量的修改。

还有，Freescale宣布过，一些32位MCU具有和8位芯片一样的物理引脚。

ARMs的新软件工具

嵌入式处理器的设计者要经常深入到应用系统的设计人员中间，了解他们是如何挑选CPU的，从而受到启发。使CPU结构设计师们困扰不已的最终结论性判据，不是性能、功耗、价格乃至特色，最重要的和最终结论性的判据是开发工具。正是Freescale对CodeWarrior的投资，使他能够对选择CPU过程的进行质量控制。在32-位MCU的战役中，开发工具对于战局走向影响巨大。8位MCU的开发装置是廉价的，根本买不起像Green Hills Software那样的第三方软件工具，导致软件开发工具的不完整。并非没有8位软件工具供应商，而是他们现正为32位的ARM结构提供支持工具。

去年，ARM 并购了一家小型的8位的MCU软件开发工具商Keil公司。许多8051的系统设计者都使用过Keil的工具软件。 用8位的优秀软件工具钩住用户，以赢得日后的32位订单是一个成功的开端。ARM紧紧地搂住了Keil，于是，Freescale的CodeWarrior所特有软件技术和战术上的优势将一夜之间损失殆尽。

Freescale宣布将8位到32位的MCU芯片实现引脚的兼容算，算是一次大的回敬，当从低速的8-位在向高速的32位MCU伸缩时，还将留下等同大小的存储脚印。系统设计者在开发硬件时再也不必担心软件的开发者会用完所有的存储净空而被迫从新设计，甚至也不会再需等到项目的的某个后续阶段才能确定所需要的MCU结构。系统开发者可以只用一个单板机代替过去多种形式的样机来伸缩MCU的速度和结构以满足各个阶段的性能需要。无疑这些目标都是有价值的，Freescale也肯定需要一段时间，才能充其量只对少数结构实现如此宽广范围的片脚兼容。而且，片脚的兼容也仅限于在高端只用到低端的32位器件。高端的32位需要许多电源引脚，不可能与低端的8位外设取得很好的平衡。

Freescale确信，统一体片脚兼容会从高于40脚开始，再低的将是8脚，仅能在8位器件之间兼容。对于高端的32位器件将仍单独地使用上百条的引脚。

最后的赢家是系统设计者

Freescale的合理的策略始终是集中精力于回报最高的业务。推动微处理器的统一体也仅是为了简化Freescale的产品系列多到令用户眩晕妨碍结构选择的最好途径。Freescal是在修补自己盔甲中的断裂点，抵御来自ARM基MCU非常现实的威胁。 Freescale 也是拥有ARM许可用户，CodeWarrior也支持ARM基的器件。Freescale认可ARM是手机的事实标准和其相关的应用。ColdFire 是Freescale在工业应用方面受欢迎的 32位结构, 而PowerPC是Freescale首选用于汽车的32位产品。虽然Freescale明白需要限制使用竞争对手也在使用的第三方的结构，因为这样有些汽车客户可能转向ARM，但不管是那种情况，Freescale都会抓紧自己的业务。

竞争的现实，凸显出Freescale具有最为广泛外部设备的优越性，很少有公司能与之比拟。成套而健壮的软件开发工具和上述可供选择的广泛外部设备，用户会发现选用何种处理器核已经变得不那么重要了。Freescale 脱离Motorola之后，已经成长为独立的半导体供应商。现在，更加应该对用户的需要负责。Freescale创建的微处理器统一体相信必将受到市场的欢迎。