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嵌入式处理器最近的一些动向

发布时间:2020-06-30 21:55:51 阅读: 来源:热缩带厂家

2004年4月A版

近日,笔者及同事参加了嵌 入式方面的一些会议,根据这些资料,我们总结了嵌入式处理器方面的一些发展动向。

8位:年年花不同

32位处理器越来越火了,8位MCU往往是IC设计师入门练手的小技巧。尽管8位很重要,不过今天再谈8位MCU的性能,是否显得有些乏善可陈了?带着这样的疑问,笔者参加了世界8位MCU付运量最大的公司——Microchip的电机芯片发布会。Microchip先进单片机及存储产品部副总裁Ganesh Moorthy先生的回答是否定的。他认为未来8位单片机无处不在,遍及每一个角落;在功能上将变得更加丰富多彩,满足各种个性化的需要。

Moorthy先生说,2002年业界共销售了30亿块8位MCU(单片机或微控制器)。整个单片机微控制器的市场空间是100亿美元左右,其中50%约50亿美元为8位MCU的天下。据Gartner Dataquest的调查显示,微控制器有不同的市场区分,有8位的,16位的,还有32位的,从2002到2007年的五年间,单片机微控制器的发展要翻一番,具体来讲,就是从100亿美元发展到200亿美元;就8位机而言,也要翻一番,也就是从50亿美元增长到100亿美元,因为有更多的应用要使用8位单片机。

与PC这种通用产品不同,嵌入式解决方案是完全不同。通用PC处理器追求高性能;而嵌入式方案所要求的量都是非常具体的、一定的。因此,嵌入式是为特定市场量身定造的。

满足电机节能的需要

节能是世界性的潮流,8/16位MCU在节能方面大有潜力可挖。Microchip十分重视电机控制方面的应用,已于今年3月成立了电机控制设计中心(。

据Motion Tech Trends统计,尽管全球每年生产70多亿台电机,但其中仅有约20%采用了电子控制。电机的节能控制对广大消费者而言很有好处,例如:中国三种常见产品——空调、洗衣机和电冰箱。如果能在这些产品中使用变速马达控制,可以把能耗降低25%~30%,除此之外,还能降低这些电子产品的噪音。

过去一年Microchip推出了10种产品,主要为三类电机方案:低端的分立方案,主要为一速、二速的开环控制方案;中端的单片机控制方法,主要是单一的控制方法;高端的可进行复杂定位、精确计算的控制(图1)。

Microchip称该公司的PIC 8位单片机和dsPIC 16位数字信号控制器(DSC)进行变速控制,可节能14%~30%。其中DSC是该公司创新的技术,是16位MCU与DSP融合的产品,市场定位介于MCU与DSP之间,拥有强控制功能和高性能的算法,且价格比DSP低廉。考虑到一些电机驱动产品的设计人员不熟悉电子电机控制,Microchip还推出了电机控制图形用户界面(MC-GUI)软件。不过,对于复杂的电机设计,单片机专家马忠梅女士建议:在采用GUI等开发工具时,厂商最好能帮助用户生成一些源文件,以促进大家学习。因为节能电路一般是很简单的,关键是看里面的软件、算法。10年前马女士曾做过一个电机节能项目,电路很简单,但在软件上卡住了,做出的东西虽节能了,但没劲了,因此希望工程师能与芯片厂商共同探索、提高。Microchip的回答是,该公司实际上提供了一些算法,GUI使设计师首先确定开发的结果,例如用于什么样的应用上,GUI可以自动地生成算法。

现场可编程MCU

在8位MCU领域,Cypress公司的PSoCTM以现场可编程在业界引起了很大的震动,从问世两年多来,多次被美国媒体评为热点产品。许多人把PSoC归为8位MCU,但Cypress不这样认为,“PSoC是一个完整的SoC(系统芯片)解决方案”。Cypress半导体中国区区域经理关锦明说。的确,8位MPU只占PSoC管芯(die)的不足5%,其他是原来在MCU周边的模拟电路集成起来的。“但客户常把我们的PSoC当MCU来用,只是比传统的MCU更灵活。”

的确,可编程性是PSoC的一大优势。因为很多MCU厂商都把必要的模拟电路集成到了MCU中,但Cypress的独特之处在于模拟量可编程。Cypress的市场经理裘浩解释PSoC的原理:有些客户要求MCU前面要有运放、滤波等,然后才是A/D。可配置从我们的角度看,所有的数字模块核心是定时器。例如,PSoC上有基本的8位定时器、计数器、带死区的PWM。有的客户要求有8位输出、16位输出,16位时是两个8位定时器/计数器串联起来,3个串联起来就是24位。PWM的核心也是定时器,只要把核心做好,其他就是逻辑计数器的配置。模拟也是如此原理,模拟就是一个运放,我们做连续时间可编程的运放,做比较器、滤波,都要用到运放。在PSoC中有一个电阻阵列,通过选不同的电阻档,就可改变放大倍数。Cypress的运放精度很高,后面可以做16位A/D转换。

由于PSoC放了这么多的计数器、逻辑电路,当大马拉小车时,用PSoC成本相对就太高了。不过,Cypress也在努力降低PSoC的成本。今年1月,Cypress宣布了开始量产两款成本敏感型PSoC,售价分别为1.07美元和0.76美元。其手段主要是把其中的存储器容量减小等方法。8位是成本敏感型产品,人们通常认为8位要想在市场成功,价格应低于1美元。经过此番瘦身,PSoC把目光瞄向了大批量应用市场,如电机控制、数字电表等.

32位闹春忙

根据WSTS(世界半导体贸易统计)在2003年12月进行的“嵌入式设计调查”中,52%的回复者希望在未来两年内考虑转向32位架构。WSTS的市场报告显示,8位MCU市场规模为36亿美元,出货量增长,但价值与去年持平。32位市场规模约25亿美元,年增长率约为25%(图27)。因此,从这个角度,不难理解越来越多的公司都在推出32位产品了。

甚至连多年以80C51结构在8位十分吃香的Philips半导体,也在向32位进军了,今年3月Philips推出了基于ARM7TDMI-S的LPC2100。集成了高达512K的片上闪存,有多达4个CAN接口,应用范围高达105/125℃。目标市场锁定为POS终端、电表、STB(机顶盒)、安全系统等。

基于ARM芯核的产品不胜枚举。夏普美国微电子公司2月也向中国市场发布了以ARM为芯核的BlueStreakTM系列MCU和SoC技术的升级产品。日本Oki两年多前与ARM合作,现在也推出了基于ARM的ML674001及μPLAT开发平台。德国英飞凌公司有基于ARM的手机平台。美国国家半导体(NS)公司今年2月在美国的Electronic Summit2004会议上,介绍与ARM合作的节电移动产品方案。Cirrus Logic也推出了基于ARM 7与ARM 9处理器的一系列产品,打算用在其老本行—音、视频市场,并挥师通用市场。

在32位市场上,最令国人骄傲的当属拥有自主知识产权的“中国芯”在32位处理器上的群体突破了。2000年12月,北京大学自主研制成功32/16位混合指令系统的微处理器UniCore32及配套软件系统,从此之后,32位处理器的研制或量产消息如春潮澎湃。例如,2001年7月,方舟科技公司发布了“方舟1号”,成为我国第一款商品化的CPU产品;在方舟1号产品发布近1年半之后,2002年11月方舟2号又推向市场,现在已被一些IT大厂用于了网络计算机等产品上,推向国内、国际市场。2002年11月,上海复旦微电子公司的“神威1号”CPU研制成功。2003年7月29日,飞龙CPU在香港诞生,它内嵌中文造字的功能,由香港文化传信集团公司研发。2003年10月17日,中科院计算机所的“龙芯2号”诞生。2003年12月8日,北京大学的“北大众志-863CPU系统芯片”宣布成功批量生产。2004年2月18日,清华大学研制的32位微处理器THUMP经过技术鉴定,该处理器以500MHz最高工作频率,成为当前国内工作频率最高的微处理器。

中国芯的推出振奋了国人,下一步就是如何应用在网络计算、移动通信、消费电子等领域上了。嵌入式实时操作系统(RTOS)专家何小庆先生建议,为了更好地推广新处理器,处理器研发单位最好在研发的同时就与众多的软件合作伙伴展开合作。他解释说,象Intel、ARM等处理器、IP厂商,在研发产品的初期,就开始与第三方合作伙伴合作,告诉他们未来的处理器的模样,这样,当新处理器面市时,操作系统、应用软件、周边硬件都几乎同时推出,声势浩大,更有利于工程师迅速采用。

IP领域

在知识产权(IP)领域,英国ARM公司可谓最成功的公司,据ARM中国业务总裁谭军博士介绍,去年底ARM IP付运量已超过20亿个,其中仅2003年就付运了8亿个。在今年3月17日上海的“移动通信IC设计应用高级技术研讨会”(本刊、《电子设计应用》与上海慕尼黑国际博览集团共同举办)上,ARM公司的COO(首席运营官)Tudor Brown先生介绍说,ARM在无线设备领域成绩骄人,例如在主流制式的手机市场占有率超过85%,ARM 标准几乎成了事实上的手机处理器IP标准。为了满足不同的客户需要,ARM正在向这几个方向发展:更低的功耗(IEM), 更高的性能(SIMD), 提高码密度(Thumb2), 重视安全(TrustZone)等。

ARM的成功原因是多方面的,其中之一是ARM有庞大的第三方合作伙伴,例如ARM有128家半导体厂商,50家开发工具伙伴,30家操作系统伙伴,40家技术伙伴。ARM还成立了ARM Connected Community,目前拥有200多名会员。

在IP领域,苏州国芯科技公司也十分活跃。该公司的产品基于Motorola的M*Core,在中国有关部门的支持下,特别为中国开发了C*Core芯核。2002年11月,该公司还推出了以C*Core芯核、C*Bus为总线的SOC设计平台。2003年4月,由国芯发起的C*Core产业联盟成立,联盟会员超过了70家公司和大学,欲驰骋国内32位市场。

无独有偶,象这样又提供IP又有开发工具的厂商可能是后进入到IP领域厂商的共性。在今年2月Globalpress公司举办的Electronic Summit2004会议上,美国IP新秀—ARC公司也宣称不仅提供32位IP,还免费提供一整套软件开发工具。不过,该公司由于是后来者,用户数与信誉度有限,用户还主要是中、小IC设计公司,该公司在中国还没有开设办事处。

可编程性

PLD(可编程逻辑器件)公司也参与到32位的大家庭中了。Altera也感到风水有些转了,在Electronic Summit 2004会议上,公司CEO John Daane透露,该公司在成功付运1万余套含16位软芯核—Nios的基础上,今年更将推出32位的软芯核。Xilinx也在32位上软硬兼施,MPU可用在其最新的Virtex-II Pro FPGA中。笔者认为,PLD公司的加盟,主要是围绕着其老本行—PLD。32位MPU是个亮点,可编程逻辑似乎更重要,因此适用于对PLD需求的MCU场合,例如功能或标准需不断变化的应用。不过,32位MPU+可编程的推出,将使32位世界更加丰富多彩!

64位:阳春白雪

在国内8位、32位打得火热时,64位的枪声已经在电子发达国家打响。提到64位,就不能不想到多年奋战在这个领域的MIPS公司,更会联想到MIPS的忠实追随者——加拿大PMC-Sierra。在Electronic Summit 2004上,PMC-Sierra微处理器产品部产品行销经理Jason Chiang向我们介绍了该公司的新动向:其64位MIPS基的MPU解决方案挺进数字音频娱乐市场,用于数字轿车娱乐系统、数字家庭娱乐系统及未来的高端数字产品等。

PMC-Sierra的64位MIPS基处理器速度很高,从200MHz到1GHz都有,并且可从250MHz到9000MHz间无缝升级,性价比合理。非常适用于路由器、交换机、服务器/存储设备、打印机、机顶盒、高清晰度电视(HDTV)和PVR(个人视频录像机)。

为了进一步加快上市速度,考虑到64位外围应用的难度增大,PMC-Sierra还特别为先进的消费电子应用推出了32位的伴侣芯片——PM8172,可与PMC-Sierra的任何一款MPU连接,为客户提供了一站式采购的可扩展的解决方案。PM8172适用于连接瘦客户机、先进的数字电缆/卫星机顶盒与PVR/DVR,HDTV与娱乐网关/服务器、汽车通信/娱乐设备等。

芯核可配置

如果客户对上市时间要求不高,要求的处理速度更高,也可考虑可配置的64位IP,做自己的SoC。Tensilica的总裁兼CEO Chris Rowen博士在Electronic Summit2004上预言:未来十年,一块芯片中需要上千个处理器芯核,每秒要完成1012运算!回顾CPU的发展历史,Chris总结道:1990年代是第一代SoC,特点是1个片上CPU+逻辑+I/O;2000年代出现了是第二代SoC,有很多的可配置的处理器+I/O;未来的SoC处理器将可扩展(图4)。数码相机、网络接入、打印机等将会是这类可配置IP的市场。Tensilica称其产品已授权于60多家半导体公司进行设计,每个SoC用1~100个处理器,平均每个设计用6个Tensilica处理器。不过,Tensilica的技术还是有点叫好不叫座。据美国EETimes杂志今年初报道,尽管Tensilica宣称有很多大公司都在用Tensilica的IP进行研发,但少有公司宣称其新产品中含有Tensilica的软芯核。Tensilica在中国目前还没有开设办事处。

在可编程领域,Xilinx二、三年前就宣布在其FPGA中植入了IBM PowerPC芯核,数量最多可达4个,以帮助工程师在短时间内进行高端通信系统的设计。

前两年,网络、通信泡沫的破灭影响了高端处理器的脚步,随着今年美国经济的反弹,64位也该行行好运了。

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