Cortex-M3 MCU如何走出差異化的8位單片機替代之路

前陣子，MCU市場“噩耗”頻頻傳出。由于微控制器產(chǎn)品利潤的不斷下滑，先是富士通半導(dǎo)體宣布出售其MCU業(yè)務(wù)，緊接著三星半導(dǎo)體也不得不斷臂淡出MCU市場。不過，在眼下陰云密布的MCU市場上也并非只有壞消息，日前，Silicon Labs就宣布簽署了收購Energy Micro AS的最終協(xié)議。

代理Silicon Labs MCU產(chǎn)品線的知名分銷商世強負責(zé)微控制器業(yè)務(wù)的張園根先生也表示：“富士通半導(dǎo)體和三星半導(dǎo)體退出的主因應(yīng)該是MCU利潤下滑太厲害，技術(shù)優(yōu)勢不足以彌補。目前除了國際老牌MCU廠商，臺灣和中國大陸新晉廠商也不斷涌入，更是進一步拉低了價格。”

市場競爭慘烈，不進則退!尤其是在使用同一內(nèi)核的市場上，如何實行產(chǎn)品開發(fā)的差異化、本地化以及如何提升產(chǎn)品的性價比等，正成為半導(dǎo)體廠商必須面對的挑戰(zhàn)。

例如，對于電池供電的手持設(shè)備類應(yīng)用8位MCU替代方案, 基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位產(chǎn)品恐怕是最合適的選擇，性價比足夠高、功耗更低、靈活性大。但就連富士通的FM3系列都玩不轉(zhuǎn)要出售、TI幾乎也要放棄這塊市場轉(zhuǎn)向主攻Cortex-M0、M4，剩下的玩家又將如何實現(xiàn)差異化競爭，殺出一條生路呢?

張園根先生以Silicon Labs公司已獲成功的Precision32混合信號MCU全系列產(chǎn)品(包括適用于USB應(yīng)用的SiM3Uxxx系列、適用于非USB應(yīng)用的SiM3Cxxx系列、適用于超低功耗應(yīng)用的SiM3Lxxx系列)為例，分析了Cortex-M3 MCU在工控儀表、智能家居、便攜醫(yī)療、物聯(lián)網(wǎng)無線終端、電腦外設(shè)等市場如何開辟差異化的8位替代之路。

圖1. Silicon Labs —— 混合信號MCU創(chuàng)新歷程。

32位單片機是8位廠商向上開拓應(yīng)用市場的必由之路，最重要的是如何做好集成。看起來似乎張三李四都會集成ARM內(nèi)核，但是最終的效果是有差別的。張園根指出：“Precision32 系列產(chǎn)品采用Silicon Labs的專利技術(shù)Crossbar架構(gòu)，確保了最大的靈活性，加之SiM3Lxxx系列的令人贊嘆的超低功耗特性、使得Silicon Labs的Precision32 32位MCU系列在眾多ARM Cortex-M3 MCU中脫穎而出。”

專利的Crossbar架構(gòu)確保最大靈活性

Crossbar是Silicon Labs的專利技術(shù)。如下圖1所示，Precision32系列包括兩個Crossbar，可以連接任意I/O功能到不同引腳。這樣做的益處是顯而易見的，它能夠優(yōu)化布局，沒有引腳沖突，可定制外設(shè)功能集(有益于選擇低引腳數(shù)量MCU)。

圖2. Precision32 I/O crossbar——Silicon Labs MCU包括兩個內(nèi)部crossbar，能夠使任意I/O功能連接到不同引腳。

設(shè)計人員可以配置芯片引腳以簡化電路板設(shè)計，例如配置輸出引腳靠近他們所要連接的芯片。在某些情況下，這種方法甚至可以允許使用更少布線層PCB，從而節(jié)省成本。此外，引腳再配置還可輕松應(yīng)對最終電路板變動難題。

當(dāng)選擇哪些功能連接到引腳，哪些懸空時，這種方法能提供更大的靈活性。特別是在使用帶有少量I/O引腳的小型封裝時，靈活性顯得尤為重要。其他大多數(shù)MCU也提供一些配置，但是可能在每個引腳上僅支持一種或兩種功能，限制了選項數(shù)量，導(dǎo)致潛在的引腳沖突。

使用者不用擔(dān)心如此多的配置可能帶來的混亂，應(yīng)用程序構(gòu)建器(AppBuilder)工具提供圖形界面，允許設(shè)計人員使用拖拽功能配置引腳。一旦配置完成，工具能夠產(chǎn)生加載配置到MCU的引導(dǎo)代碼。該工具可以與商業(yè)IDE協(xié)同工作，包括Keil和IAR以及流行的Eclipse，Silicon Labs已經(jīng)加以調(diào)整Eclipse以支持Precision32產(chǎn)品。

多種創(chuàng)新技術(shù)實現(xiàn)超低功耗32位MCU

Precision32系列產(chǎn)品采用能和8位MCU媲美的低功耗Cortex-M3內(nèi)核MCU，而性能又強大的多，被業(yè)界普遍認為是用于替換8位MCU市場的首選32位MCU。

尤其是主打超低功耗電池供電應(yīng)用的SiM3L1xx通過許多關(guān)鍵性創(chuàng)新降低了工作模式功耗。例如動態(tài)電壓調(diào)節(jié)可以根據(jù)應(yīng)用情況變化來調(diào)整內(nèi)部器件的電壓。與其他32位MCU相比，其集成的高效率DC-DC轉(zhuǎn)換器可以實現(xiàn)系統(tǒng)功耗降低40%，電池壽命提高60%!其休眠模式下的表現(xiàn)更加令人贊嘆，功耗比同類競爭對手低5-10倍(最低休眠電流可低至50nA)，工作模式下功耗比同類競爭對手低33%。

而且自治型外設(shè)無需CPU介入就可操作，數(shù)據(jù)傳輸管理器(DTM)執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)傳輸時也無需CPU介入;增強型直接存儲器存取(DMA)可以降低90%協(xié)議相關(guān)功耗，RAM和寄存器保持狀態(tài)能夠在4μs內(nèi)快速喚醒。該系列MCU產(chǎn)品還具有專利技術(shù)LCD控制器，其電荷再分配架構(gòu)能夠在不影響性能的情況下降低約40%顯示器功耗。

此外，片上振蕩器使CPU可以運行在任意需要的頻率;而如果采用8MHz外部晶體，MCU運行頻率必須是8MHz的倍數(shù)。出于同樣的原因，Silicon Labs允許CPU和USB頻率獨立設(shè)置，而不是固定比例。這種靈活性使系統(tǒng)設(shè)計人員能夠任意微調(diào)CPU頻率，提供所需的性能，同時保持最低速度和功耗。

圖3.SiM3L1xx亮眼的超低功耗表現(xiàn)。

Silicon Labs同時還專注于降低系統(tǒng)功耗，因為許多MCU應(yīng)用是由電池或通過USB規(guī)范的受限等級供電。對于開發(fā)人員而言，集成多種優(yōu)勢模擬器件，例如振蕩器和USB終端，可以縮短信號路徑長度和集成外圍元器件，從而降低整個系統(tǒng)功耗。

開發(fā)環(huán)境——更快更易用、可感知功耗、圖形化

為簡化基于Precision32系列產(chǎn)品的嵌入式應(yīng)用開發(fā)，Silicon Labs提供豐富的硬件和軟件工具集，包括具有可替換MCU、射頻元件和其他子系統(tǒng)的統(tǒng)一開發(fā)平臺(UDP)，可適應(yīng)各類開發(fā)人員的應(yīng)用需求。

開發(fā)人員能夠利用為ARM架構(gòu)而優(yōu)化的大量軟件和開發(fā)工具，包括Keil和IAR工具鏈。為了加速開發(fā)和在MCU平臺間進行代碼移植，Silicon Labs同時提供Cortex單片機軟件接口標(biāo)準(CMSIS)兼容代碼。通用外設(shè)ARM軟件接口可以讓外設(shè)驅(qū)動重新使用，簡化與其他基于ARM的單片機間進行代碼移植工作。

Silicon Labs UDP硬件工具包括經(jīng)濟型SiM3U1xx-B-DK和SiM3C1xx-B-DK開發(fā)套件。增強型SiM3U1xx-B-EDK和SiM3C1xx-B-EDK開發(fā)套件，含有I/O擴展卡和額外的演示功能，旨在提升開發(fā)體驗。

作為Silicon Labs國內(nèi)的最大代理商之一，世強最近正在開展Silicon Labs MCU開發(fā)工具獨家促銷活動，世強的XXX透露：“活動期間，這三個產(chǎn)品系列的MCU開發(fā)套件不但都有優(yōu)惠，前100位購買者還送價值300元的藍牙音箱!”欲了解詳情請點擊：http://www.sekorm.com/Ecactivity/82。

圖4：Precision32完整的工具包縮短上市時間。

此外，Precision32開發(fā)工具還具有可感知功耗的特性， Silicon Labs免費的基于Eclipse IDE和AppBuilder軟件集成全新的功耗估算和配置向?qū)芰Γ斯δ苁鞘卓顚楂@得系統(tǒng)最低功耗而設(shè)計。

功耗估算器為總電源電流消耗和外設(shè)電流消耗提供圖形化視圖。每個外設(shè)的原始電流值清楚顯示當(dāng)前的電能消耗量，并通過餅形圖顯示出每個外圍裝置的功耗使用狀況所占總功耗百分比。功耗估算器在配置改變時可自動更新，讓設(shè)計人員可以優(yōu)化每種模式，以獲得最低功耗。

電源提示標(biāo)簽可提供軟件配置指導(dǎo)，幫助開發(fā)人員最大限度減少電流消耗。當(dāng)光標(biāo)懸停在某個可配置設(shè)置上時，該功能自動出現(xiàn)在AppBuilder中。在配置MCU時能同時看到電源優(yōu)化提示標(biāo)簽的功能特性，可大大節(jié)省開發(fā)時間。

全系列型號滿足不同應(yīng)用需求

Precision32芯片能夠很好的滿足多種終端應(yīng)用。例如，SiM3Uxxx系列強調(diào)的是高集成度(功耗特性也不錯)，非常適合條形碼掃描儀、讀卡器和其他外圍設(shè)備需要高集成度USB接口的場合。并且其6mm封裝將有助于滿足10Gbps光收發(fā)器對外形尺寸的需求。

對于工業(yè)用途，在電機控制和監(jiān)測中，MCU所具備的5V兼容輸入和高驅(qū)動輸出格外有用。例如SiM3Cxxx系列具備的1個6路PWM輸出，加上2個2路的PWM輸出，是LED調(diào)光控制系統(tǒng)的理想選擇。

而SiM3Lxxx的主打特性是超低功耗。非常適用于需要高性能、低功耗、小封裝的應(yīng)用場合，如：

物聯(lián)網(wǎng)的無線終端設(shè)備;

水表、氣表、熱表等;

安全、能源管理終端;

智能樓宇/家居

此外，SiM3Lxxx帶有低功耗的LCD接口，能夠降低40%的顯示功耗并且封裝也很小，這使其成為電池供電的LCD應(yīng)用(便攜醫(yī)療;搖控、無線設(shè)備;手持終端;智能家居;表計類(水表、氣表))的理想選擇。圖3列出Silicon Labs Precision32全系列MCU的型號供參考,總有合適的一款。

圖5. Silicon Labs的Precision32全系列MCU的型號。

世強的張園根總結(jié)道：“功耗上接近甚至優(yōu)于8位MCU，性能上卻強大很多，加之Precision32系列獨創(chuàng)的Crossbar架構(gòu)使得Precision32系列MCU成為替換8位市場的首選32位MCU。此外，收購Energy Micro，將使Silicon Labs的32位MCU產(chǎn)品擴展到250種，未來前景廣闊。”