工業(yè)用３２位微控制器的挑戰(zhàn)

摘要：32位MCU可提供更高的計(jì)算性能和存儲(chǔ)器、低功耗、集成的連接性和軟件支持，滿足復(fù)雜電機(jī)控制等工業(yè)應(yīng)用需要。

關(guān)鍵詞：微控制器；32位；微處理器內(nèi)核；模擬IP

新一代微控制器

微控制器(MCU)可以連接和控制從洗碗機(jī)等基本家用電器到先進(jìn)豐富媒體消費(fèi)設(shè)備的系統(tǒng)。過(guò)去20年，8位器件已經(jīng)控制了市場(chǎng)，但是，增加了功能水平的范圍更廣泛的最終用戶系統(tǒng)正在推動(dòng)著從8位和16位器件向基于處理器的32位MCU的過(guò)渡，后者的性能和功能是更加先進(jìn)的應(yīng)用所必不可少的。

從8位和16位到32位MCU的過(guò)渡正在順利進(jìn)行。根據(jù)Semico Research的預(yù)測(cè)，到2011年，32位MCU的總出貨量將超過(guò)20億個(gè)，收入將以18％的年率增長(zhǎng)。

隨著行業(yè)向32位MCU的過(guò)渡，設(shè)計(jì)人員不僅需要增加功能，而且還需要增加各種外設(shè)，包括諸如USB和音頻編解碼器的高性能IP。

利用各種豐富的處理器內(nèi)核和全面而多樣化的驗(yàn)證模擬IP模塊庫(kù)，MIPS科技擁有處理器和外設(shè)IP產(chǎn)品組合一可為客戶提供用于32位MCU應(yīng)用的完整的系統(tǒng)解決方案。

8位和16位MCU的局限性

8位和16位MCU非常適用于低端應(yīng)用。這些應(yīng)用趨于使用單片電路一需要的是一個(gè)單處理器，利用一個(gè)簡(jiǎn)單的核進(jìn)行控制，只需執(zhí)行一個(gè)簡(jiǎn)單而特定的任務(wù)。這種應(yīng)用的存儲(chǔ)器需求可以利用8位和16位處理器的最大尋址范圍。

具備有限的一系列基本外設(shè)的8位或16位微控制器的平均銷售價(jià)格在1至2美元之間，這使之成為了過(guò)分要求超低成本和最低性能解決方案的有效選擇。

但是，盡管8位和16位MCU仍然適用于低端場(chǎng)合，這些MCU的局限性還是使之無(wú)法適合那些要求更加計(jì)算密集、功能豐富的性能的應(yīng)用。這樣的局限性包括數(shù)據(jù)通道寬度、最大尋址范圍、相對(duì)較低的功率效率、受限的C代碼支持和缺乏可用的先進(jìn)調(diào)試開(kāi)發(fā)工具。16位微控制器還會(huì)受到缺乏一個(gè)主導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)、受限的生態(tài)系統(tǒng)支持的影響。

32位MCU的優(yōu)勢(shì)

為了說(shuō)明32位處理器相較于8位處理器的優(yōu)勢(shì)，可以來(lái)看看一個(gè)電機(jī)控制設(shè)計(jì)，這是許多工業(yè)和家庭產(chǎn)品中的一種普通應(yīng)用。

電機(jī)的速度和功率是由MCU的脈寬調(diào)制器(PWM)電路調(diào)節(jié)的。8位MCU通常能夠測(cè)量電機(jī)速度，并因此每100 ms修改一次PWM信號(hào)。一個(gè)運(yùn)行于相同時(shí)鐘頻率的32位處理器，具有8位MCU四或五倍的速率，有助于改善精度和進(jìn)行更有效的控制。

因使用32位處理器獲得的額外裕量能夠使它同時(shí)運(yùn)行其他程序，增加其功能，例如功率因數(shù)校正或TCP/IP控制的遙控/診斷任務(wù)。

32位處理器可提供改善的計(jì)算性能和存儲(chǔ)器、低功耗、集成的連接性和軟件支持，這是今天許多基于MCU的先進(jìn)最終產(chǎn)品所必需的。而且，中高端8位或16位MCU的價(jià)格也與32位MCU的價(jià)格相當(dāng)。

微控制器系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)問(wèn)題

32位處理器具有滿足新一代MCU所需的更高水平的性能和改善的軟件支持能力。開(kāi)發(fā)人員面對(duì)的挑戰(zhàn)是確定哪一個(gè)MCU架構(gòu)可以充分滿足設(shè)計(jì)規(guī)范，最大限度地降低系統(tǒng)成本，同時(shí)為降低風(fēng)險(xiǎn)和加快上市時(shí)間提供所需的工具。

開(kāi)發(fā)人員必須考慮的一個(gè)問(wèn)題是電源管理，尤其是在電池供電的設(shè)備、工業(yè)控制系統(tǒng)和家用電器設(shè)計(jì)當(dāng)中，這些都要求符合最大額定功率標(biāo)準(zhǔn)。動(dòng)態(tài)功耗與CV2F成正比，這意味著功耗是隨頻率而增加的。隨著為實(shí)現(xiàn)工作頻率使工藝尺寸不斷縮小，漏電流量將增加，從而進(jìn)一步增：加了功耗。

嵌入式閃存占據(jù)了MCU芯片的大部分面積，因此，對(duì)最終產(chǎn)品成本的影響也最大。為了使軟件能夠支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)、復(fù)雜算法代碼和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，MCU需要嵌入至少256KB的共用閃存，才能滿足OEM廠商的產(chǎn)品規(guī)范。該MCU架構(gòu)必須采用可以減少執(zhí)行該應(yīng)用所需代碼量的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，這樣才能減少閃存的數(shù)量，進(jìn)而降低器件成本。

許多電機(jī)控制應(yīng)用中的確定性操作非常關(guān)鍵。對(duì)某些32位處理器來(lái)說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)期望的性能，需要使用復(fù)雜的、多路關(guān)聯(lián)式高速緩存(multi-way associative cache)架構(gòu)和多段流水線來(lái)最大限度地實(shí)現(xiàn)吞吐量。不過(guò)，緩存缺失和流水線停頓可能對(duì)產(chǎn)品的實(shí)時(shí)行為產(chǎn)生不利的影響。這類系統(tǒng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)可能需要服務(wù)數(shù)以百計(jì)的中斷，以確保自動(dòng)防故障裝置的工作(例如高速機(jī)床或車輛制動(dòng)系統(tǒng))。因此，很重要的是用于這種類型環(huán)境的基于高速緩存的處理器需要采用一種高頻流水線架構(gòu)，它可以有效地處理可能的停頓和異常，而高速緩存設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)很高的命中率。

其他設(shè)計(jì)不需要這樣高的性能，可以不使用高速緩存而在較低的頻率下工作，這是一種集成了基于無(wú)高速緩存的SRAM設(shè)計(jì)。

為了最大限度地重復(fù)使用和滿足不同的應(yīng)用需求，使用有一個(gè)內(nèi)置高度可配置性和靈活性的標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)是非常有利的。

根據(jù)定義，MCU包含一系列數(shù)字和模擬器件。在一般情況下，8位MCU可能采用低成本的0.25um工藝制造，以實(shí)現(xiàn)其具體應(yīng)用所需的性能。過(guò)渡到高性能的系統(tǒng)不僅需要采用32位處理器，而且MCU還要采用更精細(xì)的0.13um和90nm工藝制造。

微控制器市場(chǎng)與應(yīng)用概述

工業(yè)是MCU器件較大消費(fèi)者。工業(yè)界擁有所有MCU市場(chǎng)中最廣泛的最終產(chǎn)品，預(yù)計(jì)到2010年出貨量將超過(guò)4億個(gè)。產(chǎn)品范圍從用于工廠和家用電器的單功能電機(jī)、電源轉(zhuǎn)換器和儀表到更加集成的安全網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和醫(yī)療設(shè)備。

工業(yè)產(chǎn)品中的一個(gè)普遍趨勢(shì)是朝著機(jī)電一體化類型的系統(tǒng)發(fā)展，其中更加智能的電子系統(tǒng)將取代機(jī)械系統(tǒng)或加入到機(jī)械系統(tǒng)當(dāng)中。機(jī)電應(yīng)用方面的一個(gè)例子是家庭溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)器，這類電子產(chǎn)品可以提供更高水平的可編程能力和精度，最終將降低能源成本。

在一個(gè)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)中集成MCU可能因增加的功能而改善了其功能性，例如LCD顯示器，可以通過(guò)如脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)改進(jìn)其效率——更精確地控制系統(tǒng)變量，增加更多易于使用的功能并降低成本。它還能夠增加設(shè)計(jì)流程中的靈活性，有助于將相同的硬件應(yīng)用干各種應(yīng)用，只需改變軟件就可以滿足不同產(chǎn)品的需要。

今天，電機(jī)控制產(chǎn)品越來(lái)越多地生產(chǎn)出來(lái)以符合“綠色”能源標(biāo)準(zhǔn)，例如能源之星(Energy Star)，這需要系統(tǒng)具備一種性能和功耗的優(yōu)化平衡能力。MCU的性能通常是以每MHz的DMIPS(每秒執(zhí)行百萬(wàn)條Dhrystone指令數(shù))表示的，而功率效率則是以mW/DMIIX3表示的。DMIIX3/MHz等級(jí)越高，功率效率也越高，需要實(shí)現(xiàn)所需性能的頻率也越低。

為了用最低的工作頻率實(shí)現(xiàn)高DMIPS的性能等級(jí)，MIPS科技用于MCU市場(chǎng)的處理器采用了非常有效的微架構(gòu)，它構(gòu)建了一個(gè)5段或8段流水線，可以實(shí)現(xiàn)高于1.5 MIPs/MHz的性能水平。此外，整數(shù)乘/除單元(MDU)可以加速通常用于電機(jī)控制軟件的數(shù)學(xué)函數(shù)類型。

越來(lái)越多的工業(yè)設(shè)備已經(jīng)開(kāi)始利用高速有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互連，不論是在建筑物外部還是內(nèi)部。在一個(gè)有線網(wǎng)絡(luò)配置中，系統(tǒng)MCU執(zhí)行TCP/IP協(xié)議棧軟件和數(shù)據(jù)鏈接固件，以便于數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的傳輸。在諸如ZigBee或藍(lán)牙的無(wú)線連接中，微控制器通過(guò)執(zhí)行復(fù)雜的媒介訪問(wèn)控制(MAC)層軟件來(lái)控制空中接口和基帶之間的鏈接。這些配置中的任何一個(gè)都需要具備存儲(chǔ)器管理能力的高性能32位處理器，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的高數(shù)據(jù)傳輸率，支持用于這類環(huán)境的RTOS。

在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)越敏感，需要的嵌入數(shù)據(jù)保護(hù)安全功能的MCU就越大。作為4K內(nèi)核系列一部分的MIPS32 4KSd內(nèi)核，可以通過(guò)一個(gè)叫做SmartMIPS的特定應(yīng)用擴(kuò)展(ASE)提供這種保護(hù)能力，它增加了用于算法的密碼加速，例如RSA、ECC、DES和AES。

SmartMIPS還包括一個(gè)安全存儲(chǔ)管理單元(MMU)，它可以加入高速緩存接口，進(jìn)一步提高所提供的保護(hù)水平。增加SmartMIPS擴(kuò)展只增加了不到10％的內(nèi)核尺寸，卻可以利用軟件唯一的實(shí)現(xiàn)方法實(shí)現(xiàn)高達(dá)10倍的性能。

為了提高安全水平，所有MIPS科技的處理器內(nèi)核都是可合成的，有助于MCU設(shè)計(jì)人員安排器件的定制布局規(guī)劃。這可以通過(guò)避免值得注意的熱點(diǎn)而減少“欺騙”的可能性，這些熱點(diǎn)能夠幫助發(fā)現(xiàn)代碼處理(codeactivity)。

醫(yī)療設(shè)備通常要比其他大多數(shù)工業(yè)設(shè)備具有更高的性能，需要在設(shè)備中整合若干復(fù)雜的功能和接口。從各種傳感器獲取的數(shù)據(jù)需要利用△—∑轉(zhuǎn)換器從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字，并利用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)進(jìn)行處理，該技術(shù)通常不用于標(biāo)準(zhǔn)的微控制器。MIPS科技的微控制器有一個(gè)包括DSP ASE的選項(xiàng)，它是一系列超過(guò)40個(gè)DSP中心指令，可以加速常見(jiàn)于醫(yī)療設(shè)備軟件類型的DSP算法：快速傅立葉變換(FFT)和有限(FIR)及無(wú)限(IIR)脈沖響應(yīng)濾波器。

乘法和乘加(MAC)操作構(gòu)成了許多DSP算法的基礎(chǔ)。執(zhí)行這些指令所需的性能通過(guò)一個(gè)集成的整數(shù)MDU進(jìn)行加速，該MDU具有僅在兩個(gè)周期完成32×32乘法或MAC指令的能力，32位寬的SRAM或高速緩存數(shù)據(jù)接口有助于擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍和精度。醫(yī)療設(shè)備還具備局域網(wǎng)和個(gè)人區(qū)域網(wǎng)通信能力，類似于其他工業(yè)設(shè)備的能力。