微控制器及其协同芯片

2004年9月A版
　
　　如果构建嵌入式产品，你会非常熟悉它们的紧迫要求：更便宜、更小型、更低功耗，最后还有不可缺少的上市时间。

　　你能够用较少的元件使产品小型化。减少元件意味着占用较小的电路板面积，亦即降低生产成本。因此，既然在微控制器周围要使用一系列分立元件，为什么不只用一个元件来代替它们呢？

　　事实上，采用一个处理器协同芯片、或者系统管理芯片(根据不同供应商的名称)的概念并非新的想法。在这方面的一家先驱性供应商是加州的Wafer Scale Integration (WSI)公司，它开发出称为可编程系统器件，这是一种闪存基的用于支持微控制器的器件。这种器件是该公司的成功的(或者具有潜力的)产品，WSI 2000被意法微电子(STM)公司并购。

　　此后，协同(Companion)芯片市场变得不太活跃，但活动仍然继续进行。STM开发WSI的技术，例如，目前提供集成在它的8051微控制器芯片内的规模为16个宏单元的PLD。

　　虽然，设计者可用PLD代替外部的粘接逻辑器件，但PLD阵列亦可用来构成移位寄存器、计数器、键盘和控制屏接口、时钟分频器和握手迟延电路。

　　最近，Ramtron公司是进入该市场的新供应商，它在2003年底推出FM31X处理器协同芯片族。同时，Ramtron公司FRAM产品副总裁Mike Alwais说：处理器协同芯片为系统设计者提供最高集成度的系统管理解决方案，以支持实际上任何微控制器或微处理器基的设计。通过非易失性存储器的精心集成，协同芯片的全部特性都比分立元件有所改善，整个封装达到极低的材料成本和电路板占用面积。”现在，Ramtron公司已利用FM32X产品来扩大在这方面的供货。

　　这显然遇到来自Xicor公司的竞争，它已经生产主要针对嵌入式控制应用的系统管理器件五、六年了。Xicor在它的产品清单中增加X45620。X45620具有电压监视、复位、电压基准和看门狗定时器等功能，Xicor说该器件可替代约10~20个分立元件。由于STM采用闪存基的办法和Ramtron利用自己的FRAM技术，Xicor则使用EEPROM。

　　Xicor的高级现场应用工程师Jani Isoo认为EEPROM优点很多：“它是非易失性的，即在你上电时，数值就存在了。而且，它还具有可再编程的灵活性。”

　　Isoo相信系统管理芯片具有广泛用途。“任何有微控制器的地方，你都需要某种监视器件用来监视电压或者照顾微控制器本身。如果功耗或空间是重要的问题，则设计师可选用一种这类器件，并且将几种功能集成在一起。”

　　Ramtron有比较紧凑的生产线，而Xicor在产品清单中有更多元件。Isoo说“这是市场的驱动。例如，它们可提供不同的电压阀值或者看门狗有不同的数值。如果你再深入看一下就知道。它们都做同样的事情，只是参数有所不同。”

　　实际上，Xicor的办法是让设计师选择最适合应用的器件，Isoo说“最少应监视一条轨线和一种电压。在某种情况下，一个输出就足够使微控制器复位了。”
　　根据Alwais的意见，他认为处理器外围芯片曾有过兴旺的市场，自从WSI公司被并购后，市场开始变得不活跃。他说“集成方式在开发阶段发展良好，但是在批量生产时经济效益不够好。最终，集成产品会比它所替代的元件更便宜。”

业界的商业争论

　　Alwais称，Ramtron去年在处理器协同芯片方面情况严峻，引起的原因是0.3μm制程的开发费用。这种工艺足够精细，可用于制造某些有经济效益的集成。Ramtron亦拥有广泛的用户基础，能够“从下而上”检讨它的开发计划。他继续说，“我们可用0.5mm工艺生产处理器协同芯片。这是一个价格问题。把所有有用的比特集成在一个太大的封装内缺乏吸引力。”

　　非常明显，处理器协同芯片是许多设计者需要解决的问题。Alwais说“从电路板提出许多要求，只要有可能，我们都试图使芯片更加通用。”他还认为Ramtron将开发一些更好的器件，但是，从覆盖最可能广泛的市场入手是最好的想法。

　　根据Alwais的意见，认为存在愉快的巧合，这是有利于从仪表至汽车无线电的广泛应用。Alwais称“我们发现不少用户有意开发终端市场的硬件平台，有些用户需要计时的功能，而有些用户却没有这种要求。但是，他们在另一方面是十分类似的，例如，电度表可能要求适用于某一国家的基于使用时间的计费表，然而，需要测量电功率却完全相同。”

　　FM32X族具有多种特点，如处理器监控、电源失效报警、看门狗定时器、串行数字事件计数器、涓流充电器和存储器(从4~256kb的非易失性铁磁随机存储器FRAM)。Alwais说“功能包是根据我们遇到的各种应用而设置的。一般来说，它主要是针对已经购买FRAM的用户的数据收集。”

　　Xicor公司Isoo说系统管理芯片同样可用于模拟电路板上，虽然它们的重点工作属于微控制器方面。大部分应用都有某种微控制器参与，但是仍然需要监视模拟电路板上的电压。例如，你可用系统管理芯片的输出加到比较器上。

　　Alwais 认为，设计处理器协同芯片是比较容易的课题，Ramtron尝试使这些芯片具有‘防止无知动作(idiot proof)’的特点。每个芯片有一组电压范围，由你决定需要的工作电压范围。它采用通用的I2C接口，可连接任何4~32位的微控制器。

　　Xicor也提供同样易用的接口。Isoo指出I2C在欧洲很普遍，但是Xicor同时支持SPI接口。

　　Alwais相信经常需要支持器件。他说：“微控制器供应商会推出某种芯片，但是，如果你要写入规定的代码时，由谁来提供支持呢？作为设计师，这些支持器件能够为你提供最好的解决方案。”

　　当前，不能够期望处理器协同芯片采用最新工艺来生产。Alwais的结束语是：“我们不是处在技术前沿，0.35mm工艺就足够了。你要记住，模拟功能与线宽尺寸并无明显关系。”