可配置混合信号IC和异步状态机有助于优化嵌入式设计

更低功耗、更安全和更容易实现MCU的替代

I. 简介

SoC和MCU需要外部电路实现电源管理、人机接口或连接传感器。因此，设计中几乎总是需要比较器、运算放大器、电平转换器、各种逻辑和分立式晶体管。而SoC几乎从来就不是真的片上系统。

在某些情况下，所需的支持逻辑会被植入到低端FPGA中，但通常这些分立式元件的成本加起来并不低。这不是一个好的解决方案，因为FPGA不能满足模拟或分立式元件的需要。

对嵌入式器件来说，由于MCU或SoC不能满足所有可能的传感器、电源和连接选项，这一挑战将会变得更为明显。

II. 可配置混合信号IC

可配置混合信号IC（CMIC）为应对这些挑战提供了一个明智的解决方案。CMIC是通过一次性可编程（OTP）非易失性存储器配置的具有数字模拟电路功能的矩阵。

这类新器件的先驱和领导者就是Silego Technology。自2009年推出CMIC以来，Silego已经完成了超过1300种客户设计，而CMIC出货量在20亿以上。

Silego的CMIC提供了异步状态机（ASM）和各种模拟及数字资源，便于设计人员配置成混合信号电路。

设计人员可以抓取这些资源，并用原理图绘制工具对其进行布线，他们也可以利用Silego硬件开发工具来仿真设计。如果他们对设计感到满意，就可以用板上OTP存储器进行CMIC器件编程。

CMIC可用于各种基本混合信号功能，包括电机控制、系统复位、电源测序等等。

III. CMIC优势

相比传统分立式器件和模拟，CMIC为嵌入式设计人员和制造商带来了多种优势。

A. 嵌入式设计需要优化电板空间

十几个甚至更多元件可能占用宝贵的空间，而这些空间可供较大的电池或更薄的外形尺寸加以利用。CMIC可将几个元件集成在尺寸小至1.0x1.2mm的一个小的产品中。

B. 嵌入式设计需要更方便、更迅速的方式实现创新和原型设计

从印刷电路板设计、元件订购、电路板制造、组装、调试和修改，传统电路原型设计不是花上几周就是好几天。而CMIC设计、仿真和原型设计在一天之内便可完成。

C. 嵌入式设计需要更低的物料清单成本

CMIC有助于减少分立式与模拟元件的材料成本。最近在embedded.com上有一篇设计分析强调，用1个0.35美元的CMIC可替代1.50美元的电平转换和比较器电路。

D. 嵌入式开发人员想要难以复制的保密设计

CMIC内部的定制电路与全定制IC一样安全，只有设计人员、指定的ODM和供应链合作伙伴才可获得。

IV. 针对嵌入式应用的无静态功耗和无代码ASM与低功耗MCU的对比

便携式系统通常使用低功耗微控制器来解决尺寸和电池寿命的问题。Silego的带ASM的CMIC提供了一种替代解决方案。以下比较说明了微控制器和CMIC的ASM之间的设计权衡。

A. 处理MCU代码

Silego的第五代GreenPAK CMIC中的ASM包含8态和24个可能值推断。ASM代表一个有多达24个IF...THEN语句的MCU程序。当一起考虑8态ASM功能与硬件输入和输出电路时，CMIC可以表示为大致用于常见8位和16位MCU的100行标准C代码。

CMIC ASM是由事件驱动的，且无需时钟操作。因此，当没有事件时，ASM便会保持一种状态，而没有静态功耗。因此，带有有限输入周期的应用便可在室温下以漏电流功耗很好运行，仅消耗个位数纳安级平均电流。

B. 处理嵌入式控制问题

Silego优化了ASM，减轻了众所周知的风险和竞态条件、编程/配置难题，同时保留了针对需要不到100行代码的简单（多达8态）嵌入式控制问题所固有的低功耗、低延迟的好处嵌入式。

C. Over kill微控制器 与CMIC ASM值的对比

微控制器在尺寸和功率方面往往效率低下。不难发现，在应用中使用的MCU用到的马力不足1%。CMIC的ASM却非常适合简单的嵌入式控制应用，尤其是超低功耗应用。

D. 中断延迟 (ns与us)

微控制器的一个重要基准是，在核执行中断服务程序（ISR）的第一条指令之前，来自外部信号中断的时间有多短，这就是所谓的中断延迟。MCU中断延迟通常在5至10us。

ASM相当于以纳秒计算的中断延迟，如果CMIC以5V电源工作，延迟最长只有50ns。

E. VDD变化

CMIC ASM在宽电压范围内工作。正确设计的ASM得以保证无风险、无竞态条件，因为每个ASM信号路径都是由信号长度和门电路数来保证的。因此，随着VDD变化，传播延迟也是如此。不过，传播延迟都是匹配的，因而性能可以保证。

另一方面，微控制器用信号进行时钟控制，这与VDD关系不大。随着VDD变化，MCU传播延迟改变，因为时序不会改变，时序余量将很快受到影响。

F. 崩溃与否

设计和系统缺陷可能导致微控制器崩溃，包括：写得很差的软件、时序问题、中断延迟的误判、栈内存不够、内存泄漏，以及程序内存的误写。

Silego的ASM用NVM位进行了硬件配置，没有时序问题、以纳秒衡量的延迟、无栈内存、无内存泄漏、而且不会有意无意地写程序内存，因此本质上更能防止VDD噪声和电压过低的情况。

G. 基于无代码GUI的工具与典型MCU工具的对比

CMIC ASM利用GreenPAK Designer开发环境进行配置。该软件是一款简单易用的原理图捕获编辑器，可以将典型MCU工具几个月的学习时间缩短到Silego的GPAK的几天时间。

H. CMIC尺寸与低功耗MCU的对比

CMIC没有MCU架构的复杂性，通常也比较小。如果CMIC产品可以执行控制功能，那么它通常也是市场上最小的可编程选项。

V. CMIC让嵌入式设计更简单，产品更好

综上所述，有8态ASM的小型CMIC可用于各种嵌入式控制应用，而这在以前本该是微型控制器的专属领域。轻松配置的ASM为对IoT、便携式、嵌入式应用很重要的超快状态转换、泄漏等级静态电流消耗、鲁棒设计，以及电源电压容差等带来了主要优势。此外，CMIC还提供了很多好处，将有助于嵌入式设计人员实现更大的产品利润。详情请登录silego 官网：

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