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32位元MCU应用趋势
大厂角逐的新战场

【作者: 葉奕緯】2018年02月13日 星期二

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MCU可以类比为一台弱化的笔记型电脑,它的记忆体偏低,运算能力弱,就连体积也小,但也相对便宜、功耗低,可以应用於仅需简单功能的设备上。在一般的住家和工厂都能看见它的踪影,如LED灯具、自动化机台等。


MCU是将电脑的记忆、控制、算术逻辑、输入、输出单元与常用周边功能(如ADC、USART、I2C、SPI、TIMER、WDT)整合进一颗晶片中,如今的MCU为了能更好串联各个装置,实现物联网时代的需求,因此搭配了多颗内核,且具备更大的储存容量,以及更多元的功能。


MCU从8位元开始,一路发展成16、32位元,如今32位元MCU的发展也已届成熟,并被广泛应於在物联网(IoT)、工业、嵌入式应用、汽车、消费性电子与通讯等领域,成为市场主流。


尽管32位元MCU的发展潜力巨大,但8位元与16位元MCU在成本、功耗上,仍具有一定的优势,目前多数的冰箱、洗衣机、烘乾机仍使用8位元MCU;车载的车窗、门锁、後照镜与车内照明,以及智慧卡、低阶马达也多由8位MCU来控制。8位元MCU在满足需求後,其处理器稳定性也就越强,产品的安全维护也更容易。


而16位元MCU则多用在数位相机、马达控制、车用电子、医疗电子上,当前的新兴领域如智慧型手机、医疗电子用品、穿戴式电子装置、无人车,因为需要更庞大的运算功能、电池的续航力,才会需要用到32位元MCU。


从物联网终端产品的角度看来,MCU极可能成为主要的控制器,以提供低功耗,无线连接与支援人机介面功能。而从物联网主机角度看来,MCU扮演与主控MPU沟通的角色,并整合了无线连接技术,扮演无线互联不同设备的角色。此外,因整合触控及语音驱动功能,未来也将提供设备端的人机介面。


各厂多采ARM Cortex设计

MCU众多功能是在出厂前就设计好,工程师只需用软体将功能实现,不必自己从无到有地创造。除少数厂商以自家架构开发产品,或采用美普思(MIPS)架构外,多数厂商如新唐科技、德州仪器、飞思卡尔、爱特梅尔、意法半导体、恩智浦等一线微控制器厂商都选择授权ARM Cortex的核心。


以MCU常用的架构ARM Cortex-M来说,依照市场需求区隔成M0至M4与M7的等级,Cortex-M0主打初阶8/16位元应用,Cortex-M3主打中阶的16/32位元应用,Cortex-M4则支持所有Cortex-M3的所有功能,并额外支持各种面向DSP应用的指令,以及可选的单精度浮点运算指令,包括管线与程式开发模式。Cortex-M7则主打旗舰级的高阶自动化生产与IoT应用,并增加可选的双精度浮点数据处理指令,M4/M7的最高时脉频率可达400MHz。


Cortex-M系列处理器指令集的特性是可以向上兼容。Cortex-M3的指令是Cortex-M0//M1的超集。所以运行在Cortex-M0/M1上的二进位文件可以直接运行在Cortex-M3上。同样的原理也适用於Cortex-M4/M7上。


Cortex-M系列广受厂商欢迎,难免造成各家产品相似度高的疑虑,然而ARM的客户也深知此点,因此透过支援不同的周边设计,与强化产品特性来提高差异化。


目前根据研究机构IC Insights的报告来看,目前MCU前三名的供应商分别为恩智浦(NXP)、瑞萨电子(Renesas Electronics)与微芯科技(Microchip Technology),紧接着的则是三星、意法半导体(ST)、英飞凌(Infineon)。


MCU大厂如何找出利基?

=NXP=

NXP在2015年收购全球第二大MCU供应商後,取代日商Renesas并跃升为全球最大的MCU供应商,全球市占率达19%,其所开发的32位元MCU,多数采用ARM的Cortex-M处理器核心。包括ARM Cortex M0+、M4以及M7。


目前NXP主要搭载於马达电机控制、电力控制、人机介面(HMI)、穿戴式装置、无线充电以及物联网设备,恩智浦半导体大中华区微处理器及微控制器产品行销经理黄健洲表示,目前恩智浦的32-bit MCU多数采用130、90奈米制程,为能达到更低功耗,符合即时作业系统,以及RF/NVM/混合讯号的整合,未来可能走向90、40奈米制程。


NXP也推出了i.MX RT跨界应用处理器,结合Cortex-M及Cortex-A晶片的性能,兼具低成本与高效能。i.MX RT系列在FreeRTOS中便於使用,且有生态系统支援包含MCUXpresso IDE、SDK和组态工具。Keil和IAR亦是生态系统中的支援工具。


另外i.MX RT1050的核心是使用Cortex-M7处理器内核,对NXP而言是一个全新的CPU设计。此CPU运行的频率高达600 MHz。在I/O前端,晶片拥有10/100 乙太网,具有USB OTG、PHY、CAN、SPI、I2C、UARTs和其他熟悉序列介面。


=ST=

意法半导体(STMicroelectronics,简称ST)推出的STM32H7系列的MCU晶片,是ST在市面上的新产品线,目前ST的产品线已扩增到10大系列,共有700款以上的型号在市面上贩售,目前被大量应用於智慧医疗、消费性电子、工业控制、穿戴式装置等领域。


而STM32系列MCU累积出货量已突破20亿颗,服务超过4万家系统设计与整合应用的客户,并成为全球32位元微控制器主要供应商。


STM32H7系列的MCU晶片采用40奈米的半导体先进制程,使用ARM的Cortex-M7的核心,时脉可达400MHz,使用在工业闸道器、家庭自动化设备、智慧型消费性电子产品,以及高性能的马达控制、丰富显示萤幕的智慧型家电产品。


ST有完整的开发平台,以STM32H7系列为例,硬体开发工具就包含专用评估板、Nucleo开发板和功能探索硬体套件,软体则包含STM32CubeMX软体开发平台,具备程式码产生器,以及功率消耗计算工具,支援Windows、Linux和mac OS作业系统下的开发工作,简化系统开发的工作。


=盛群=

盛群32位元MCU新品以ARM Cortex M0+/M3系列为主,其中M0+(HT32F5系列)强调高C/P值与高能源效率,M3(HT32F1/HT32F2系列)则诉求高性能与多功能。两系列适用於智慧家电、物联网、穿戴式装置和智能玩具等产品。


M0+的系列提供的5V电压新品,客户能直接采用於家电设计,Flash容量也提供16K至128K的范围选择。


盛群也发表一款与Semtech合作的内建LoRa技术的智慧火灾警报模组,此智慧防火警报模组内建Semtech的LoRa技术和Holtek新推出的烟雾侦测MCU,包含报警器和主控制器两部分。主控制器以Holtek M0+ MCU监测器进行烟雾侦测并搭配LoRa技术实现远距离通讯。


此外,盛群於也推出两款USB Type-C PD(Power Delivery)快充产品━━HT32FP2350与HT32FP2450两款专用MCU,达成PD 3.0通讯,可应用於PD快充产品上。


未来在MCU的应用面也将越来越广,包括无线连接、居家设备/家电、马达电机控制、无线充电以及语音驱动等都会有更多元的扩充应用,届时在万物联网的时代,大家对MCU这颗处理器也将有更广泛的使用体验。


刊头图来源:(source: tech-on1.blogspot.com)


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