嵌入式應用對微處理器的需求

嵌入式產(chǎn)品的生產(chǎn)商總是期待能使自己的產(chǎn)品成本更低、更快地走向市場(chǎng)的微處理器解決方案。高性?xún)r(jià)比、高集成度、高度靈活的微處理器能幫助終端產(chǎn)品在性能、價(jià)格競爭日益激烈的市場(chǎng)環(huán)境中脫穎而出。

更高的集成度

高集成度不僅意味著(zhù)有更豐富的功能、更小的封裝尺寸，還能有效地降低系統功耗，簡(jiǎn)化工程師的設計。隨著(zhù)對集成度更高的要求，微處理器片上不但要集成高性能內核、大容量?jì)却?、大量靈活的I/O和外設接口，還可能要有加密、定時(shí)和系統保護等高級功能模塊。例如，看門(mén)狗電路能夠讓器件識別跑飛代碼并復位處理器，從而避免鎖死狀態(tài)；加密碼增速單元（CAU）可支持DES、AES、MD5和SHA-1等加密算法。

以Freescale的ColdFire系列32位微處理器為例，其100%的模塊化架構更易于與存儲器、系統模塊和通信外設相集成，有效提高了芯片的集成度，且更容易適應新的加工工藝。如圖1所示，最新推出的基于ColdFire V1內核的MCF51JM128除了集成16KB SRAM，還有高達128KB的片上閃存，使用戶(hù)在各種實(shí)際環(huán)境中都可以充分利用在線(xiàn)編程功能。有效地利用片上存儲器能使工程師不需要再用損失性能的代價(jià)，去換取更低的系統成本。

圖1 MCF51JM128頂層方框圖

更豐富的外設

根據系統的性能需求，USB、I2C和SPI接口等外設都已能夠集成于單芯片之上。例如，針對工業(yè)自動(dòng)化和控制應用的微處理器需要集成控制器局域網(wǎng)（CAN）模塊，而對于尋求靈活的USB連接的開(kāi)發(fā)人員，集成的USB控制器大大簡(jiǎn)化了設計復雜度。以MCF51JM128為例，它具有一個(gè)集成的USB控制器，支持USB 2.0全速主機、設備和On-The-Go（OTG）的配置，可以讓各種應用實(shí)現通用的、經(jīng)濟型即插即用連接。

更低的功耗

對于電池供電的便攜產(chǎn)品，電池使用壽命是設計者和用戶(hù)共同關(guān)注的指標。因此，能在產(chǎn)品設計階段就對電池使用壽命了如指掌將給工程師帶來(lái)極大的便利。Freescale的電池功耗計算器就提供了這樣的功能。這一工具能夠通過(guò)設置工作環(huán)境、電池型號、運行周期和其他相關(guān)參數，計算出電池的使用壽命，如圖2所示。

圖2 電池功耗計算器

包括微處理器在內，所有電子元器件都不斷追求進(jìn)一步降低功耗，不僅僅是針對電池壽命要求越來(lái)越長(cháng)的便攜市場(chǎng)，工業(yè)產(chǎn)品和白色家電等應用的功耗要求也越來(lái)越苛刻。微處理器由于本身耗電，又控制著(zhù)系統中其他組件的功耗，所以在實(shí)現低功耗設計的過(guò)程中扮演著(zhù)重要的角色。

以MCF51JM128為例，它共有四種低功耗模式，能在低功耗的狀態(tài)下繼續執行采樣功能，有助于降低系統總功耗。如表1所示，Flexis系列的首款產(chǎn)品Q(chēng)E128（MC9S08QE128 和MCF51QE128）除了正常工作模式還有以下五種節能模式。

● 與普通運行模式相比，低功耗運行模式將穩壓器設置為待機狀態(tài)，從而節省更多的電能。
● 在等待模式下，中央處理器（CPU）將關(guān)閉。等待模式根據總線(xiàn)頻率的不同可以比運行模式節省30％～60％的電流?？偩€(xiàn)頻率越高，電能節省的幅度就越大。
● 用戶(hù)只能由低功耗運行模式進(jìn)入低功耗等待模式，與低功耗運行相比，低功耗等待一般可以節省50％的電流消耗。
● 停止3模式將系統時(shí)鐘終止，并將穩壓器置為等待狀態(tài)。
● 停止2模式是QE128耗能最低的模式，該模式將中斷系統時(shí)鐘，并使穩壓器斷電。

更強大的軟件和開(kāi)發(fā)工具支持

除了上述幾種需求，強大的軟件和開(kāi)發(fā)工具支持將帶給工程師極大的自由度和更多樣的手段。充分利用編譯器、匯編器、連接器、調試器、代碼轉換器、仿真器和評估測試工具的支持，不但能有效縮短產(chǎn)品的設計周期，使其更快速的進(jìn)入市場(chǎng)，還能夠使最終產(chǎn)品更有特色。

Flexis JM系列的兩種評估工具套件可有效簡(jiǎn)化設計流程。經(jīng)濟型的DEMOJM演示套件配有8位或32位的Flexis JM子板，使開(kāi)發(fā)人員體驗真正的8位到32位的兼容性。

更高的兼容性

使用相同的外設和開(kāi)發(fā)工具能夠實(shí)現最終的移植靈活性。多種器件之間引腳對引腳的兼容性保證了微處理器之間可以在不需重新設計電路板的條件下實(shí)現互換，工程師無(wú)須再將寶貴的資源耗費在重新設計上，外設的兼容性也使得在產(chǎn)品轉移的過(guò)程中可以重復使用軟件。

以Freescale的微處理器為例，從入門(mén)級的RS08到最高性能的ColdFire V4，控制器統一結構系列為上下兼容移植提供了簡(jiǎn)單的路徑。Flexis系列的推出更是實(shí)現了8位和32位微處理器間簡(jiǎn)單方便的移植，單一開(kāi)發(fā)工具和相同的外設也節省了8位和32位之間的軟件投資，并且引腳兼容使得在8位和32位之間互換時(shí)，最大可能地實(shí)現了硬件的重復使用，如圖3所示。

以新推出的Flexis JM系列為例，它包括32位的MCF51JM128（ColdFire V1內核）和8位的MC9S08JM60（S08內核），它們的軟件和引腳都是兼容的，設計人員能夠快速輕松地從簡(jiǎn)單的8位設計移植到需要32位性能的更復雜的應用設計上去。此外，由于V1內核是V2 內核的簡(jiǎn)化版本，保留了ColdFire內核微架構所共用的尋址模式和指令定義，一旦從 S08架構轉換到V1內核，就有機會(huì )進(jìn)一步沿性能路線(xiàn)圖向上移植到其他所有的ColdFire內核（V2～V4）。

除了對集成度、外設、功耗、軟件和開(kāi)發(fā)工具以及兼容性的需求，對于成本敏感的應用，價(jià)格也是最關(guān)鍵的因素之一，滿(mǎn)足上述需求的微處理器由于能夠為產(chǎn)品帶來(lái)競爭優(yōu)勢而將成為工程師的首選。