硬件仿真如何讓嵌入式系統(tǒng)便宜可靠

越來(lái)越多的系統(tǒng)設(shè)計(jì)或整機(jī)制造企業(yè)意識(shí)到，要保證產(chǎn)品的創(chuàng)新或是獨(dú)特性，必須要有自家獨(dú)特的設(shè)計(jì)。如果是能夠在核心的控制芯片或是處理芯片，采用自家專(zhuān)有的技術(shù)，同時(shí)還能降低對(duì)供應(yīng)商的依賴(lài)或是材料成本，這將會(huì)是在市場(chǎng)上取得成功的重要，甚至是關(guān)鍵的因素。

在本文中，筆者很樂(lè)意來(lái)分享一個(gè)無(wú)人機(jī)市場(chǎng)上，一家方案公司自己設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)MCU的故事，給大家一些啟發(fā)。

在過(guò)去的一年中，玩具級(jí)無(wú)人機(jī)的出貨增長(zhǎng)逐漸放緩，在澄海眾多玩具無(wú)人機(jī)廠商激烈的低成本競(jìng)爭(zhēng)中，玩具無(wú)人機(jī)對(duì)于方案商的要求不斷增加。玩具無(wú)人機(jī)不僅能手控各種飛行，還要增加越來(lái)越多的功能，包括拍攝高清視頻、遠(yuǎn)距離無(wú)線視頻傳輸、甚至還要配有簡(jiǎn)單的云臺(tái)。最后價(jià)格還要定在1000元以下。這對(duì)于無(wú)人機(jī)的上游方案公司來(lái)說(shuō)，要保持出貨量，就必須不斷地增加功能，同時(shí)還要降低成本。

“能夠降一毛錢(qián)，對(duì)于我們的BOM成本來(lái)說(shuō)都很重要。價(jià)格越低的方案，成本壓力越大，因?yàn)榈蛢r(jià)格的方案往往出貨量更大。”一位深圳的方案公司研發(fā)老總C先生對(duì)電子工程專(zhuān)輯表示。

業(yè)內(nèi)人士估計(jì)，2016年玩具級(jí)無(wú)人機(jī)中國(guó)廠商的出貨量在3千萬(wàn)至5千萬(wàn)臺(tái)，現(xiàn)在主要由深圳的為數(shù)不多的方案公司在主打這個(gè)市場(chǎng)。由于技術(shù)不斷升級(jí)更新，原本很多的方案公司，逐漸選擇退出。原因一方面是研發(fā)與設(shè)計(jì)人才，不斷地被無(wú)人機(jī)龍頭企業(yè)挖走，培養(yǎng)新的人才根本很難適應(yīng)。“我們來(lái)不及培養(yǎng)一個(gè)新人去做出有競(jìng)爭(zhēng)力的方案，老的工程師現(xiàn)在根本留不住。”一家退出市場(chǎng)的方案公司老板苦笑著感嘆說(shuō)。

進(jìn)入2017年以來(lái)，玩具級(jí)無(wú)人機(jī)的市場(chǎng)增長(zhǎng)放緩也是很多方案公司選擇退出的原因?？蛻?hù)少了，再增加投入的意義不大。

但在這個(gè)時(shí)候，有一家深圳的方案公司，卻選擇去開(kāi)一顆ARM Cortex-M0的MCU。設(shè)計(jì)上，他們采用了設(shè)計(jì)外包，一個(gè)幾個(gè)人的內(nèi)地開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)，幾十萬(wàn)的流片費(fèi)用，看起來(lái)是可以承受的范圍內(nèi)。畢竟，如果這顆芯片成功了，今后所有的方案都有機(jī)會(huì)采用自家的芯片了。“一方面可以解決市場(chǎng)缺貨的問(wèn)題，另一方面以后自己的方案要增長(zhǎng)新的功能，就可以用自己定制化的MCU，成本降下來(lái)的同時(shí)，用起來(lái)還更省心。”C先生解釋說(shuō)。

也許在很多個(gè)成熟的應(yīng)用市場(chǎng)，都已經(jīng)被中國(guó)本土公司設(shè)計(jì)的芯片滲透進(jìn)來(lái)。這得益于中國(guó)本土IC設(shè)計(jì)人才在過(guò)去十幾年中，在與客戶(hù)接觸的過(guò)程中，了解到了客戶(hù)的需求。同時(shí)，還在參與到外資芯片公司IC設(shè)計(jì)的項(xiàng)目中，積累了很多的經(jīng)驗(yàn)。

現(xiàn)在很多公司的老板常說(shuō)的一句就是：“不行咱們就自己開(kāi)一顆。”也許在深圳的電子企業(yè)，或者是更廣泛的消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品制造企業(yè)里，越來(lái)越多的公司會(huì)選擇采用ARM授權(quán)的IP，來(lái)自主開(kāi)發(fā)MCU，甚至更高端的芯片。

ARM公司特別推出了一個(gè)基于Cortex-M0的在線設(shè)計(jì)平臺(tái)“Design Start”。除了有易用的設(shè)計(jì)工具、豐富的IP與專(zhuān)家社群資源，也提供低成本的原型制作與低門(mén)坎授權(quán)條件，能在使用者將創(chuàng)意化為實(shí)際量產(chǎn)成品的過(guò)程中提供充分的協(xié)助。

常用單片機(jī)系列

1.8051系列單片機(jī)

Intel公司于1980年推出8位的高性能8051單片機(jī)，在工業(yè)控制領(lǐng)域引起不小的轟動(dòng)，并迅速確立了其不可動(dòng)搖的地位。之后不久，Intel公司徹 底開(kāi)放了8051單片機(jī)的技術(shù)，引來(lái)世界上很多半導(dǎo)體廠商加入了開(kāi)發(fā)和改造8051單片機(jī)的行列中，這其中貢獻(xiàn)最大的有Philipe公司，它著力發(fā)展了 單片機(jī)的控制功能和外圍單元;Atmel公司，它在單片機(jī)內(nèi)部植入了Flash ROM，使得單片機(jī)應(yīng)用變得更靈活，在我國(guó)擁有大量的用戶(hù);ADI公司，它推出的AduC8 xx系列單片機(jī)，在單片機(jī)向SOC發(fā)展的模/數(shù)混合集成電路發(fā)展過(guò)程中扮演了很重要的角色;Cygnai公司，它采用一種全新的流水線設(shè)計(jì)思路，使單片機(jī) 的運(yùn)算速度得到了極大的提高，在向SOC發(fā)展的過(guò)程中邁出了一大步。

目前8051系列單片機(jī)各生產(chǎn)廠商的主流產(chǎn)品有幾十個(gè)系列，幾百個(gè)品種。盡管其各具特色，名稱(chēng)各異，但作為集CPU、RAM、ROM(或EPROM)、 I/O接口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)為一體的單片機(jī)，其原理大同小異?，F(xiàn)以Intel公司的系列產(chǎn)品為例，說(shuō)明其各系列之間的區(qū)別。

Intel公司從其生產(chǎn)單片機(jī)開(kāi)始，發(fā)展到現(xiàn)在，大體上可分為3大系列： MCS-48系列、MCS-51系列、MCS-96系列。該3大系列的性能簡(jiǎn)介見(jiàn)表1。

表1 Intel單片機(jī)系列性能簡(jiǎn)介

這里，我們僅對(duì)MCS-51系列作一簡(jiǎn)要介紹。MCS-51系列單片機(jī)雖已有10多種產(chǎn)品，但可分為兩大系列：MCS-51子系列與MCS-52子 系列。 MCS-51子系列中主要有8031、8051、8751 三種類(lèi)型。而MCS-52子系列也有3種類(lèi)型8032、8052、8752。各子系列配置見(jiàn)表1.2所示。

表1.2中列出了MCS-51系列單片機(jī)的兩個(gè)子系列，在4個(gè)性能上略有差異。 由此可見(jiàn)，在本子系列內(nèi)各類(lèi)芯片的主要區(qū)別在于片內(nèi)有無(wú)ROM或EPROM;MCS-51與MCS-52子系列間所不同的是片內(nèi)程序存儲(chǔ)器ROM從4 KB增至8 KB;片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器由128個(gè)字節(jié)增至256個(gè)字節(jié);定時(shí)器/計(jì)數(shù)器增加了一個(gè);中斷源增加了1～2個(gè)。另外，對(duì)于制造工藝為CHMOS的單片機(jī)，由于采用 CMOS技術(shù)制造，因此具有低功耗的特點(diǎn)，如8051功耗約為630 mW，而80C51的功耗只有120 mW。

其它單片機(jī)

當(dāng)很多公司在改造MCS-51系列單片機(jī)的同時(shí)，世界上一些有影響力的大公司也在開(kāi)發(fā)自己的單片機(jī)，比如Motorola、TI、Microchip、OKI、Epson等。這些單片機(jī)的指令系統(tǒng)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)都和MCS-51系列單片機(jī)不同，功能也各有千秋。

(1)Motorola的單片機(jī)

Motorola是世界上最早開(kāi)發(fā)單片機(jī)的著名廠商，是目前全球最大的8位單片機(jī)生產(chǎn)商。現(xiàn)在已經(jīng)擁有8位、16位和32位約十幾個(gè)系列的單片機(jī)，這其中 8位機(jī)主要有68HC05、68HC08和68HC11等3個(gè)系列;16位機(jī)主要有HCS12、68HC12、DSP56800和68HC16等4個(gè)系 列;32位機(jī)主要有Coldfire的MC683xx、MCORE、MPC500和MCF5 xxx等系列。Motorola單片機(jī)的功能一般都很強(qiáng)，進(jìn)入我國(guó)的時(shí)間也很早，在單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域有很高的威望，但由于其開(kāi)發(fā)工具價(jià)格較高，影響了普及率。

(2)Microchip公司的PIC單片機(jī)

Microchip公司是當(dāng)今世界上第二大8位單片機(jī)生產(chǎn)商，Microchip單片機(jī)在我國(guó)也有比較多的用戶(hù)，近幾年隨著Microchip不斷推出頗 具特色的各型單片機(jī)，Microchip已越來(lái)越受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。目前，市面上比較常見(jiàn)的單片機(jī)主要有以下3個(gè)系 列：PIC12C5xxx/16C5x系列，這兩個(gè)系列的單片機(jī)是PIC單片機(jī)中的低端產(chǎn)品，其中PIC16C5x系列是最早在市場(chǎng)上得到發(fā)展的系列，因其價(jià)格較低，且有較完善的開(kāi)發(fā)手段，因此在國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛;而PIC12C5xx是世界上第一個(gè)8腳低價(jià)位單片機(jī)，可用于一些對(duì)單片機(jī)體積要求較高的簡(jiǎn) 單智能控制領(lǐng)域，前景十分廣闊。PIC12C6xx/ PIC16Cxxx系列是PIC中檔產(chǎn)品，是Microchip近年來(lái)重點(diǎn)發(fā)展的系列產(chǎn)品，品種最為豐富，其性能比低檔產(chǎn)品有所提高，指令周期可達(dá)到 200ns，增加了中斷功能、帶A/D、內(nèi)部E2PROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、雙時(shí)鐘工作、比較輸出、捕捉輸入、PWM輸出、I2C和SPI接口、異步串行通信 (USART)、模擬電壓比較器及LCD驅(qū)動(dòng)等，其封裝從8腳到68腳，可用于高、中、低檔的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，適合于高級(jí)復(fù)雜系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，其性能在中檔位單片機(jī)的基礎(chǔ)上增加了硬件乘法器，指令周期可達(dá)成160ns，它是目前世界上8位單片機(jī)中性?xún)r(jià)比最高的機(jī)種之一，可用于高、中檔產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，如馬達(dá)控制、音調(diào)合成。

(3)TI(Texas Instruments)公司的MSP430單片機(jī)

TI公司是聞名全球的DSP制造商，但其前幾年才推出的MSP430系列16位單片機(jī)同樣在業(yè)界掀起不小的波瀾。MSP430系列單片機(jī)最突出的特點(diǎn)是低電壓供電和超低功耗，非常適合應(yīng)用于采用電池長(zhǎng)時(shí)間工作的場(chǎng)合。電壓范圍為1.8~3.6V;在1MHZ2.2V下，活動(dòng)模式功耗為225μA，待機(jī)模式 功耗為0.8μA、掉電模式功耗為0.1μA。在這個(gè)系列中有很多個(gè)型號(hào)，它們是由一些基本功能模塊按照不同的應(yīng)用目標(biāo)組合而成的。MSP430系列單片 機(jī)的CPU采用16位RISC精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)，集成有16位寄存器和常數(shù)發(fā)生器，發(fā)揮了最高代碼效率;它采用數(shù)字控制振蕩器(DCO)，使得從低功耗模式到 喚醒模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于6μs;內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換器，工業(yè)應(yīng)用方便;其中MSP430x41x系列設(shè)計(jì)有一個(gè)16位定時(shí)器、一個(gè)比較器、96段LCD 液晶驅(qū)動(dòng)器和48個(gè)通用I/O口。