嵌入式處理器最近的一些動(dòng)向

2004年4月A版

　　近日，筆者及同事參加了嵌 入式方面的一些會(huì )議，根據這些資料，我們總結了嵌入式處理器方面的一些發(fā)展動(dòng)向。

　　8位：年年花不同

　　32位處理器越來(lái)越火了，8位MCU往往是IC設計師入門(mén)練手的小技巧。盡管8位很重要，不過(guò)今天再談8位MCU的性能，是否顯得有些乏善可陳了？帶著(zhù)這樣的疑問(wèn)，筆者參加了世界8位MCU付運量最大的公司——Microchip的電機芯片發(fā)布會(huì )。Microchip先進(jìn)單片機及存儲產(chǎn)品部副總裁Ganesh Moorthy先生的回答是否定的。他認為未來(lái)8位單片機無(wú)處不在，遍及每一個(gè)角落；在功能上將變得更加豐富多彩，滿(mǎn)足各種個(gè)性化的需要。

　　Moorthy先生說(shuō)，2002年業(yè)界共銷(xiāo)售了30億塊8位MCU(單片機或微控制器)。整個(gè)單片機微控制器的市場(chǎng)空間是100億美元左右，其中50%約50億美元為8位MCU的天下。據Gartner Dataquest的調查顯示，微控制器有不同的市場(chǎng)區分，有8位的，16位的，還有32位的，從2002到2007年的五年間，單片機微控制器的發(fā)展要翻一番，具體來(lái)講，就是從100億美元發(fā)展到200億美元；就8位機而言，也要翻一番，也就是從50億美元增長(cháng)到100億美元，因為有更多的應用要使用8位單片機。

　　與PC這種通用產(chǎn)品不同，嵌入式解決方案是完全不同。通用PC處理器追求高性能；而嵌入式方案所要求的量都是非常具體的、一定的。因此，嵌入式是為特定市場(chǎng)量身定造的。

　　滿(mǎn)足電機節能的需要

　　節能是世界性的潮流，8/16位MCU在節能方面大有潛力可挖。Microchip十分重視電機控制方面的應用，已于今年3月成立了電機控制設計中心(www.microchip.com/motor)。

　　據Motion Tech Trends統計，盡管全球每年生產(chǎn)70多億臺電機，但其中僅有約20%采用了電子控制。電機的節能控制對廣大消費者而言很有好處，例如：中國三種常見(jiàn)產(chǎn)品——空調、洗衣機和電冰箱。如果能在這些產(chǎn)品中使用變速馬達控制，可以把能耗降低25%~30%，除此之外，還能降低這些電子產(chǎn)品的噪音。

　　過(guò)去一年Microchip推出了10種產(chǎn)品，主要為三類(lèi)電機方案：低端的分立方案，主要為一速、二速的開(kāi)環(huán)控制方案；中端的單片機控制方法，主要是單一的控制方法；高端的可進(jìn)行復雜定位、精確計算的控制(圖1)。

　　Microchip稱(chēng)該公司的PIC 8位單片機和dsPIC 16位數字信號控制器(DSC)進(jìn)行變速控制，可節能14%~30%。其中DSC是該公司創(chuàng )新的技術(shù)，是16位MCU與DSP融合的產(chǎn)品，市場(chǎng)定位介于MCU與DSP之間，擁有強控制功能和高性能的算法，且價(jià)格比DSP低廉。
　　
　　考慮到一些電機驅動(dòng)產(chǎn)品的設計人員不熟悉電子電機控制，Microchip還推出了電機控制圖形用戶(hù)界面(MC-GUI)軟件。不過(guò)，對于復雜的電機設計，單片機專(zhuān)家馬忠梅女士建議：在采用GUI等開(kāi)發(fā)工具時(shí)，廠(chǎng)商最好能幫助用戶(hù)生成一些源文件，以促進(jìn)大家學(xué)習。因為節能電路一般是很簡(jiǎn)單的，關(guān)鍵是看里面的軟件、算法。10年前馬女士曾做過(guò)一個(gè)電機節能項目，電路很簡(jiǎn)單，但在軟件上卡住了，做出的東西雖節能了，但沒(méi)勁了，因此希望工程師能與芯片廠(chǎng)商共同探索、提高。Microchip的回答是，該公司實(shí)際上提供了一些算法，GUI使設計師首先確定開(kāi)發(fā)的結果，例如用于什么樣的應用上，GUI可以自動(dòng)地生成算法。

　　現場(chǎng)可編程MCU

　　在8位MCU領(lǐng)域，Cypress公司的PSoCTM以現場(chǎng)可編程在業(yè)界引起了很大的震動(dòng)，從問(wèn)世兩年多來(lái)，多次被美國媒體評為熱點(diǎn)產(chǎn)品。許多人把PSoC歸為8位MCU，但Cypress不這樣認為，“PSoC是一個(gè)完整的SoC(系統芯片)解決方案”。Cypress半導體中國區區域經(jīng)理關(guān)錦明說(shuō)。的確，8位MPU只占PSoC管芯(die)的不足5%，其他是原來(lái)在MCU周邊的模擬電路集成起來(lái)的?！暗蛻?hù)常把我們的PSoC當MCU來(lái)用，只是比傳統的MCU更靈活?！?/P>

　　的確，可編程性是PSoC的一大優(yōu)勢。因為很多MCU廠(chǎng)商都把必要的模擬電路集成到了MCU中，但Cypress的獨特之處在于模擬量可編程。Cypress的市場(chǎng)經(jīng)理裘浩解釋PSoC的原理：有些客戶(hù)要求MCU前面要有運放、濾波等，然后才是A/D?？膳渲脧奈覀兊慕嵌瓤?，所有的數字模塊核心是定時(shí)器。例如，PSoC上有基本的8位定時(shí)器、計數器、帶死區的PWM。有的客戶(hù)要求有8位輸出、16位輸出，16位時(shí)是兩個(gè)8位定時(shí)器/計數器串聯(lián)起來(lái)，3個(gè)串聯(lián)起來(lái)就是24位。PWM的核心也是定時(shí)器，只要把核心做好，其他就是邏輯計數器的配置。模擬也是如此原理，模擬就是一個(gè)運放，我們做連續時(shí)間可編程的運放，做比較器、濾波，都要用到運放。在PSoC中有一個(gè)電阻陣列，通過(guò)選不同的電阻檔，就可改變放大倍數。Cypress的運放精度很高，后面可以做16位A/D轉換。

　　由于PSoC放了這么多的計數器、邏輯電路，當大馬拉小車(chē)時(shí)，用PSoC成本相對就太高了。不過(guò)，Cypress也在努力降低PSoC的成本。今年1月，Cypress宣布了開(kāi)始量產(chǎn)兩款成本敏感型PSoC，售價(jià)分別為1.07美元和0.76美元。其手段主要是把其中的存儲器容量減小等方法。8位是成本敏感型產(chǎn)品，人們通常認為8位要想在市場(chǎng)成功，價(jià)格應低于1美元。經(jīng)過(guò)此番瘦身，PSoC把目光瞄向了大批量應用市場(chǎng)，如電機控制、數字電表等.

　　32位鬧春忙

　　根據WSTS(世界半導體貿易統計)在2003年12月進(jìn)行的“嵌入式設計調查”中，52%的回復者希望在未來(lái)兩年內考慮轉向32位架構。WSTS的市場(chǎng)報告顯示，8位MCU市場(chǎng)規模為36億美元，出貨量增長(cháng)，但價(jià)值與去年持平。32位市場(chǎng)規模約25億美元，年增長(cháng)率約為25%(圖27)。因此，從這個(gè)角度，不難理解越來(lái)越多的公司都在推出32位產(chǎn)品了。

　　甚至連多年以80C51結構在8位十分吃香的Philips半導體，也在向32位進(jìn)軍了，今年3月Philips推出了基于A(yíng)RM7TDMI-S的LPC2100。集成了高達512K的片上閃存，有多達4個(gè)CAN接口，應用范圍高達105/125℃。目標市場(chǎng)鎖定為POS終端、電表、STB(機頂盒)、安全系統等。

　　基于A(yíng)RM芯核的產(chǎn)品不勝枚舉。夏普美國微電子公司2月也向中國市場(chǎng)發(fā)布了以ARM為芯核的BlueStreakTM系列MCU和SoC技術(shù)的升級產(chǎn)品。日本Oki兩年多前與ARM合作，現在也推出了基于A(yíng)RM的ML674001及μPLAT開(kāi)發(fā)平臺。德國英飛凌公司有基于A(yíng)RM的手機平臺。美國國家半導體(NS)公司今年2月在美國的Electronic Summit2004會(huì )議上，介紹與ARM合作的節電移動(dòng)產(chǎn)品方案。Cirrus Logic也推出了基于A(yíng)RM 7與ARM 9處理器的一系列產(chǎn)品，打算用在其老本行—音、視頻市場(chǎng)，并揮師通用市場(chǎng)。

　　在32位市場(chǎng)上，最令國人驕傲的當屬擁有自主知識產(chǎn)權的“中國芯”在32位處理器上的群體突破了。2000年12月，北京大學(xué)自主研制成功32/16位混合指令系統的微處理器UniCore32及配套軟件系統，從此之后，32位處理器的研制或量產(chǎn)消息如春潮澎湃。例如，2001年7月，方舟科技公司發(fā)布了“方舟1號”，成為我國第一款商品化的CPU產(chǎn)品；在方舟1號產(chǎn)品發(fā)布近1年半之后，2002年11月方舟2號又推向市場(chǎng)，現在已被一些IT大廠(chǎng)用于了網(wǎng)絡(luò )計算機等產(chǎn)品上，推向國內、國際市場(chǎng)。2002年11月，上海復旦微電子公司的“神威1號”CPU研制成功。2003年7月29日，飛龍CPU在香港誕生，它內嵌中文造字的功能，由香港文化傳信集團公司研發(fā)。2003年10月17日，中科院計算機所的“龍芯2號”誕生。2003年12月8日，北京大學(xué)的“北大眾志－863CPU系統芯片”宣布成功批量生產(chǎn)。2004年2月18日，清華大學(xué)研制的32位微處理器THUMP經(jīng)過(guò)技術(shù)鑒定，該處理器以500MHz最高工作頻率，成為當前國內工作頻率最高的微處理器。

　　中國芯的推出振奮了國人，下一步就是如何應用在網(wǎng)絡(luò )計算、移動(dòng)通信、消費電子等領(lǐng)域上了。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)專(zhuān)家何小慶先生建議，為了更好地推廣新處理器，處理器研發(fā)單位最好在研發(fā)的同時(shí)就與眾多的軟件合作伙伴展開(kāi)合作。他解釋說(shuō)，象Intel、ARM等處理器、IP廠(chǎng)商，在研發(fā)產(chǎn)品的初期，就開(kāi)始與第三方合作伙伴合作，告訴他們未來(lái)的處理器的模樣，這樣，當新處理器面市時(shí)，操作系統、應用軟件、周邊硬件都幾乎同時(shí)推出，聲勢浩大，更有利于工程師迅速采用。

　　IP領(lǐng)域

　　在知識產(chǎn)權(IP)領(lǐng)域，英國ARM公司可謂最成功的公司，據ARM中國業(yè)務(wù)總裁譚軍博士介紹，去年底ARM IP付運量已超過(guò)20億個(gè)，其中僅2003年就付運了8億個(gè)。在今年3月17日上海的“移動(dòng)通信IC設計應用高級技術(shù)研討會(huì )”(本刊、《電子設計應用》與上海慕尼黑國際博覽集團共同舉辦)上，ARM公司的COO(首席運營(yíng)官)Tudor Brown先生介紹說(shuō)，ARM在無(wú)線(xiàn)設備領(lǐng)域成績(jì)驕人，例如在主流制式的手機市場(chǎng)占有率超過(guò)85%，ARM 標準幾乎成了事實(shí)上的手機處理器IP標準。為了滿(mǎn)足不同的客戶(hù)需要，ARM正在向這幾個(gè)方向發(fā)展：更低的功耗(IEM), 更高的性能(SIMD), 提高碼密度(Thumb2), 重視安全(TrustZone)等。

　　ARM的成功原因是多方面的，其中之一是ARM有龐大的第三方合作伙伴，例如ARM有128家半導體廠(chǎng)商，50家開(kāi)發(fā)工具伙伴，30家操作系統伙伴，40家技術(shù)伙伴。ARM還成立了ARM Connected Community，目前擁有200多名會(huì )員。

　　在IP領(lǐng)域，蘇州國芯科技公司也十分活躍。該公司的產(chǎn)品基于Motorola的M*Core，在中國有關(guān)部門(mén)的支持下，特別為中國開(kāi)發(fā)了C*Core芯核。2002年11月，該公司還推出了以C*Core芯核、C*Bus為總線(xiàn)的SOC設計平臺。2003年4月，由國芯發(fā)起的C*Core產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成立，聯(lián)盟會(huì )員超過(guò)了70家公司和大學(xué)，欲馳騁國內32位市場(chǎng)。

　　無(wú)獨有偶，象這樣又提供IP又有開(kāi)發(fā)工具的廠(chǎng)商可能是后進(jìn)入到IP領(lǐng)域廠(chǎng)商的共性。在今年2月Globalpress公司舉辦的Electronic Summit2004會(huì )議上，美國IP新秀—ARC公司也宣稱(chēng)不僅提供32位IP，還免費提供一整套軟件開(kāi)發(fā)工具。不過(guò)，該公司由于是后來(lái)者，用戶(hù)數與信譽(yù)度有限，用戶(hù)還主要是中、小IC設計公司，該公司在中國還沒(méi)有開(kāi)設辦事處。

　　可編程性

　　PLD(可編程邏輯器件)公司也參與到32位的大家庭中了。Altera也感到風(fēng)水有些轉了，在Electronic Summit 2004會(huì )議上，公司CEO John Daane透露，該公司在成功付運1萬(wàn)余套含16位軟芯核—Nios的基礎上，今年更將推出32位的軟芯核。Xilinx也在32位上軟硬兼施，MPU可用在其最新的Virtex-II Pro FPGA中。筆者認為，PLD公司的加盟，主要是圍繞著(zhù)其老本行—PLD。32位MPU是個(gè)亮點(diǎn)，可編程邏輯似乎更重要，因此適用于對PLD需求的MCU場(chǎng)合，例如功能或標準需不斷變化的應用。不過(guò)，32位MPU+可編程的推出，將使32位世界更加豐富多彩！

　　64位：陽(yáng)春白雪

　　在國內8位、32位打得火熱時(shí)，64位的槍聲已經(jīng)在電子發(fā)達國家打響。提到64位，就不能不想到多年奮戰在這個(gè)領(lǐng)域的MIPS公司，更會(huì )聯(lián)想到MIPS的忠實(shí)追隨者——加拿大PMC-Sierra。在Electronic Summit 2004上，PMC-Sierra微處理器產(chǎn)品部產(chǎn)品行銷(xiāo)經(jīng)理Jason Chiang向我們介紹了該公司的新動(dòng)向：其64位MIPS基的MPU解決方案挺進(jìn)數字音頻娛樂(lè )市場(chǎng)，用于數字轎車(chē)娛樂(lè )系統、數字家庭娛樂(lè )系統及未來(lái)的高端數字產(chǎn)品等。

　　PMC-Sierra的64位MIPS基處理器速度很高，從200MHz到1GHz都有，并且可從250MHz到9000MHz間無(wú)縫升級，性?xún)r(jià)比合理。非常適用于路由器、交換機、服務(wù)器/存儲設備、打印機、機頂盒、高清晰度電視(HDTV)和PVR(個(gè)人視頻錄像機)。

　　為了進(jìn)一步加快上市速度，考慮到64位外圍應用的難度增大，PMC-Sierra還特別為先進(jìn)的消費電子應用推出了32位的伴侶芯片——PM8172，可與PMC-Sierra的任何一款MPU連接，為客戶(hù)提供了一站式采購的可擴展的解決方案。PM8172適用于連接瘦客戶(hù)機、先進(jìn)的數字電纜/衛星機頂盒與PVR/DVR，HDTV與娛樂(lè )網(wǎng)關(guān)/服務(wù)器、汽車(chē)通信/娛樂(lè )設備等。

　　芯核可配置

　　如果客戶(hù)對上市時(shí)間要求不高，要求的處理速度更高，也可考慮可配置的64位IP，做自己的SoC。Tensilica的總裁兼CEO Chris Rowen博士在Electronic Summit2004上預言：未來(lái)十年，一塊芯片中需要上千個(gè)處理器芯核，每秒要完成1012運算！回顧CPU的發(fā)展歷史，Chris總結道：1990年代是第一代SoC，特點(diǎn)是1個(gè)片上CPU+邏輯+I/O；2000年代出現了是第二代SoC，有很多的可配置的處理器+I/O；未來(lái)的SoC處理器將可擴展(圖4)。數碼相機、網(wǎng)絡(luò )接入、打印機等將會(huì )是這類(lèi)可配置IP的市場(chǎng)。Tensilica稱(chēng)其產(chǎn)品已授權于60多家半導體公司進(jìn)行設計，每個(gè)SoC用1~100個(gè)處理器，平均每個(gè)設計用6個(gè)Tensilica處理器。不過(guò)，Tensilica的技術(shù)還是有點(diǎn)叫好不叫座。據美國EETimes雜志今年初報道，盡管Tensilica宣稱(chēng)有很多大公司都在用Tensilica的IP進(jìn)行研發(fā)，但少有公司宣稱(chēng)其新產(chǎn)品中含有Tensilica的軟芯核。Tensilica在中國目前還沒(méi)有開(kāi)設辦事處。

　　在可編程領(lǐng)域，Xilinx二、三年前就宣布在其FPGA中植入了IBM PowerPC芯核，數量最多可達4個(gè)，以幫助工程師在短時(shí)間內進(jìn)行高端通信系統的設計。

　　前兩年，網(wǎng)絡(luò )、通信泡沫的破滅影響了高端處理器的腳步，隨著(zhù)今年美國經(jīng)濟的反彈，64位也該行行好運了。