Cortex-M3 MCU如何走出差異化的8位單片機(jī)替代之路

前陣子，MCU市場(chǎng)“噩耗”頻頻傳出。由于微控制器產(chǎn)品利潤(rùn)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(chǎng)。不過(guò)，在眼下陰云密布的MCU市場(chǎng)上也并非只有壞消息，日前，Silicon Labs就宣布簽署了收購(gòu)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(qiáng)負(fù)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(rùn)下滑太厲害，技術(shù)優(yōu)勢(shì)不足以彌補(bǔ)。目前除了國(guó)際老牌MCU廠商，臺(tái)灣和中國(guó)大陸新晉廠商也不斷涌入，更是進(jìn)一步拉低了價(jià)格?！?

市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)慘烈，不進(jìn)則退！尤其是在使用同一內(nèi)核的市場(chǎng)上，如何實(shí)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的差異化、本地化以及如何提升產(chǎn)品的性價(jià)比等，正成為半導(dǎo)體廠商必須面對(duì)的挑戰(zhàn)。

例如，對(duì)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(jià)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(chǎng)轉(zhuǎn)向主攻Cortex-M0、M4，剩下的玩家又將如何實(shí)現(xiàn)差異化競(jìng)爭(zhēng)，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(hào)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(wú)線終端、電腦外設(shè)等市場(chǎng)如何開(kāi)辟差異化的8位替代之路。



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


32位單片機(jī)是8位廠商向上開(kāi)拓應(yīng)用市場(chǎng)的必由之路，最重要的是如何做好集成?？雌饋?lái)似乎張三李四都會(huì)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(gè)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(jiàn)的，它能夠優(yōu)化布局，沒(méi)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(gè)內(nèi)部crossbar，能夠使任意I/O功能連接到不同引腳。

設(shè)計(jì)人員可以配置芯片引腳以簡(jiǎn)化電路板設(shè)計(jì)，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(duì)最終電路板變動(dòng)難題。

當(dāng)選擇哪些功能連接到引腳，哪些懸空時(shí)，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(shí)，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(gè)引腳上僅支持一種或兩種功能，限制了選項(xiàng)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(lái)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(jì)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(shí)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(qiáng)大的多，被業(yè)界普遍認(rèn)為是用于替換8位MCU市場(chǎng)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(guò)許多關(guān)鍵性創(chuàng)新降低了工作模式功耗。例如動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)可以根據(jù)應(yīng)用情況變化來(lái)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(shí)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(jìng)爭(zhēng)對(duì)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(jìng)爭(zhēng)對(duì)手低33%。

而且自治型外設(shè)無(wú)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(shí)也無(wú)需CPU介入；增強(qiáng)型直接存儲(chǔ)器存?。―MA）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(yùn)行在任意需要的頻率；而如果采用8MHz外部晶體，MCU運(yùn)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(dú)立設(shè)置，而不是固定比例。這種靈活性使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠任意微調(diào)CPU頻率，提供所需的性能，同時(shí)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(shí)還專注于降低系統(tǒng)功耗，因?yàn)樵S多MCU應(yīng)用是由電池或通過(guò)USB規(guī)范的受限等級(jí)供電。對(duì)于開(kāi)發(fā)人員而言，集成多種優(yōu)勢(shì)模擬器件，例如振蕩器和USB終端，可以縮短信號(hào)路徑長(zhǎng)度和集成外圍元器件，從而降低整個(gè)系統(tǒng)功耗。

開(kāi)發(fā)環(huán)境——更快更易用、可感知功耗、圖形化

為簡(jiǎn)化基于Precision32系列產(chǎn)品的嵌入式應(yīng)用開(kāi)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(kāi)發(fā)平臺(tái)（UDP），可適應(yīng)各類開(kāi)發(fā)人員的應(yīng)用需求。

開(kāi)發(fā)人員能夠利用為ARM架構(gòu)而優(yōu)化的大量軟件和開(kāi)發(fā)工具，包括Keil和IAR工具鏈。為了加速開(kāi)發(fā)和在MCU平臺(tái)間進(jìn)行代碼移植，Silicon Labs同時(shí)提供Cortex單片機(jī)軟件接口標(biāo)準(zhǔn)（CMSIS）兼容代碼。通用外設(shè)ARM軟件接口可以讓外設(shè)驅(qū)動(dòng)重新使用，簡(jiǎn)化與其他基于ARM的單片機(jī)間進(jìn)行代碼移植工作。

Silicon Labs UDP硬件工具包括經(jīng)濟(jì)型SiM3U1xx-B-DK和SiM3C1xx-B-DK開(kāi)發(fā)套件。增強(qiáng)型SiM3U1xx-B-EDK和SiM3C1xx-B-EDK開(kāi)發(fā)套件，含有I/O擴(kuò)展卡和額外的演示功能，旨在提升開(kāi)發(fā)體驗(yàn)。

作為Silicon Labs國(guó)內(nèi)的最大代理商之一，世強(qiáng)最近正在開(kāi)展Silicon Labs MCU開(kāi)發(fā)工具獨(dú)家促銷活動(dòng)，世強(qiáng)的XXX透露：“活動(dòng)期間，這三個(gè)產(chǎn)品系列的MCU開(kāi)發(fā)套件不但都有優(yōu)惠，前100位購(gòu)買者還送價(jià)值300元的藍(lán)牙音箱！”欲了解詳情請(qǐng)點(diǎn)擊：http://www.sekorm.com/Ecactivity/82。



圖4：Precision32完整的工具包縮短上市時(shí)間。

此外，Precision32開(kāi)發(fā)工具還具有可感知功耗的特性， Silicon Labs免費(fèi)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(jì)。

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(gè)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(guò)餅形圖顯示出每個(gè)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(shí)可自動(dòng)更新，讓設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)人員最大限度減少電流消耗。當(dāng)光標(biāo)懸停在某個(gè)可配置設(shè)置上時(shí)，該功能自動(dòng)出現(xiàn)在AppBuilder中。在配置MCU時(shí)能同時(shí)看到電源優(yōu)化提示標(biāo)簽的功能特性，可大大節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間。

全系列型號(hào)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(qiáng)調(diào)的是高集成度（功耗特性也不錯(cuò)），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(chǎng)合。并且其6mm封裝將有助于滿足10Gbps光收發(fā)器對(duì)外形尺寸的需求。

對(duì)于工業(yè)用途，在電機(jī)控制和監(jiān)測(cè)中，MCU所具備的5V兼容輸入和高驅(qū)動(dòng)輸出格外有用。例如SiM3Cxxx系列具備的1個(gè)6路PWM輸出，加上2個(gè)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(chǎng)合，如：

物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)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(wú)線設(shè)備；手持終端；智能家居；表計(jì)類（水表、氣表））的理想選擇。

圖3列出Silicon Labs Precision32全系列MCU的型號(hào)供參考，總有一款適合你！



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

世強(qiáng)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(qiáng)大很多，加之Precision32系列獨(dú)創(chuàng)的Crossbar架構(gòu)使得Precision32系列MCU成為替換8位市場(chǎng)的首選32位MCU。此外，收購(gòu)Energy Micro，將使Silicon Labs的32位MCU產(chǎn)品擴(kuò)展到250種，未來(lái)前景廣闊。”