Cortex-M3 MCU如何走出差异化的8位单片机替代之路

上网时间: 2013年07月16日? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:Cortex-M3? 低功耗? 32位MCU?

前阵子,MCU市场“噩耗”频频传出。由于微控制器产品利润的不断下滑,先是富士通半导体宣布出售其MCU业务,紧接着三星半导体也不得不断臂淡出MCU市场。不过,在眼下阴云密布的MCU市场上也并非只有坏消息,日前,Silicon Labs就宣布签署了收购Energy Micro AS的最终协议。

代理Silicon Labs MCU产品线的知名分销商世强负责微控制器业务的张园根先生也表示:“富士通半导体和三星半导体退出的主因应该是MCU利润下滑太厉害,技术优势不足以弥补。目前除了国际老牌MCU厂商,台湾和中国大陆新晋厂商也不断涌入,更是进一步拉低了价格。”

市场竞争惨烈,不进则退!尤其是在使用同一内核的市场上,如何实行产品开发的差异化、本地化以及如何提升产品的性价比等,正成为半导体厂商必须面对的挑战。

例如,对于电池供电的手持设备类应用8位MCU替代方案, 基于ARM Cortex-M3内核的32位产品恐怕是最合适的选择,性价比足够高、功耗更低、灵活性大。但就连富士通的FM3系列都玩不转要出售、TI几乎也要放弃这块市场转向主攻Cortex-M0、M4,剩下的玩家又将如何实现差异化竞争,杀出一条生路呢?

张园根先生以Silicon Labs公司已获成功的Precision32混合信号MCU全系列产品(包括适用于USB应用的SiM3Uxxx系列、适用于非USB应用的SiM3Cxxx系列、适用于超低功耗应用的SiM3Lxxx系列)为例,分析了Cortex-M3 MCU在工控仪表、智能家居、便携医疗、物联网无线终端、电脑外设等市场如何开辟差异化的8位替代之路。

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图1. Silicon Labs —— 混合信号MCU创新历程。

32位单片机是8位厂商向上开拓应用市场的必由之路,最重要的是如何做好集成。看起来似乎张三李四都会集成ARM内核,但是最终的效果是有差别的。张园根指出:“Precision32 系列产品采用Silicon Labs的专利技术Crossbar架构,确保了最大的灵活性,加之SiM3Lxxx系列的令人赞叹的超低功耗特性、使得Silicon Labs的Precision32 32位MCU系列在众多ARM Cortex-M3 MCU中脱颖而出。”

专利的Crossbar架构确保最大灵活性

Crossbar是Silicon Labs的专利技术。如下图1所示,Precision32系列包括两个Crossbar,可以连接任意I/O功能到不同引脚。这样做的益处是显而易见的,它能够优化布局,没有引脚冲突,可定制外设功能集(有益于选择低引脚数量MCU)。

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图2. Precision32 I/O crossbar——Silicon Labs MCU包括两个内部crossbar,能够使任意I/O功能连接到不同引脚。

设计人员可以配置芯片引脚以简化电路板设计,例如配置输出引脚靠近他们所要连接的芯片。在某些情况下,这种方法甚至可以允许使用更少布线层PCB,从而节省成本。此外,引脚再配置还可轻松应对最终电路板变动难题。

当选择哪些功能连接到引脚,哪些悬空时,这种方法能提供更大的灵活性。特别是在使用带有少量I/O引脚的小型封装时,灵活性显得尤为重要。其他大多数MCU也提供一些配置,但是可能在每个引脚上仅支持一种或两种功能,限制了选项数量,导致潜在的引脚冲突。

使用者不用担心如此多的配置可能带来的混乱,应用程序构建器(AppBuilder)工具提供图形界面,允许设计人员使用拖拽功能配置引脚。一旦配置完成,工具能够产生加载配置到MCU的引导代码。该工具可以与商业IDE协同工作,包括Keil和IAR以及流行的Eclipse,Silicon Labs已经加以调整Eclipse以支持Precision32产品。

多种创新技术实现超低功耗32位MCU

Precision32系列产品采用能和8位MCU媲美的低功耗Cortex-M3内核MCU,而性能又强大的多,被业界普遍认为是用于替换8位MCU市场的首选32位MCU。

尤其是主打超低功耗电池供电应用的SiM3L1xx通过许多关键性创新降低了工作模式功耗。例如动态电压调节可以根据应用情况变化来调整内部器件的电压。与其他32位MCU相比,其集成的高效率DC-DC转换器可以实现系统功耗降低40%,电池寿命提高60%!其休眠模式下的表现更加令人赞叹,功耗比同类竞争对手低5-10倍(最低休眠电流可低至50nA),工作模式下功耗比同类竞争对手低33%。

而且自治型外设无需CPU介入就可操作,数据传输管理器(DTM)执行复杂的数据传输时也无需CPU介入;增强型直接存储器存取(DMA)可以降低90%协议相关功耗,RAM和寄存器保持状态能够在4μs内快速唤醒。该系列MCU产品还具有专利技术LCD控制器,其电荷再分配架构能够在不影响性能的情况下降低约40%显示器功耗。

此外,片上振荡器使CPU可以运行在任意需要的频率;而如果采用8MHz外部晶体,MCU运行频率必须是8MHz的倍数。出于同样的原因,Silicon Labs允许CPU和USB频率独立设置,而不是固定比例。这种灵活性使系统设计人员能够任意微调CPU频率,提供所需的性能,同时保持最低速度和功耗。

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图3.SiM3L1xx亮眼的超低功耗表现。

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