来源：集成电路应用 作者：孔文

中心议题
    *2011年MCU发展趋势

引言：物联网、电子设备智能化加大了市场对32位MCU的需求，而面向32位通用MCU的ARM Cortex-M内核正助推32位MCU快速蚕食8/16位市场，这两种趋势将MCU带入了“ARM标准”新时代。

在一切电子设备正在向多功能、高性能以及智能化演进的当下，32位MCU市场份额正在逐月扩大。调研机构IC Insight预计2010年32位MCU的市值将为46亿美元，首次超过市值为43亿美元的8位MCU。与此同时，ARM面向32位通用MCU的 Cortex-M核由于具有高性能、低功耗以及低成本的优势，也在快速蚕食8/16位MCU市场。包括恩智浦(NXP)、意法半导体(ST)、飞思卡尔 (Freescale)、德州仪器(TI)以及富士通在内的主流MCU厂商市场布局均表明，Cortex-M系列内核已成为32位MCU快速发展的主推力。

Cortex-M推动32位MCU取代8/16位产品

虽然很多厂商认为8位MCU存在的市场空间还很大，不会被32位MCU所取代，但市场需求和技术发展都正在加速8位MCU向32位演变。业内人士认为，坚持 8位MCU市场的保守派是因为考虑到开发工具的转移、开发人员的更替带来的初次成本等问题而坚守8位市场，但当他们意识到32位MCU在性能、功耗、开发便捷度、成本、产品易于升级等因素后，会逐渐转向32位产品，而且随着物联网大旗下的各种产品智能化升级，32位已然是大势所趋。

MCU 厂商的反馈则证实了ARM Cortex-M系列内核是推动32位MCU渐成主流的关键因素这一事实。新唐电子科技(香港)有限公司总经理罗至圣直接表示：“2013年，ARM将是标准的MCU。”支持他这一观点的主要论据包括ARM MCU价格与市面上8位MCU持平、ARM MCU以每年2.4倍的增长速度快速成长，以及8/16位MCU市场成长趋缓等。ARM公司预测，2009~2013年间，基于ARM内核的嵌入式产品将一直呈快速增长趋势，其中面向32位MCU应用的Cortex-M的出货量增长最为迅速，5年间的年复合增长率达160%(如图2所示)。而据该公司嵌入式应用市场经理罗霖透露，基于ARM内核的实际出货量仅在2010年二季度即达到了约1亿片，而2008年全年的出货量才600万片。“这是一个爆发性的增长，比我们预计的还要快。” 他表示。

恩智浦半导体大中华区市场总监金宇杰认为，除了6pin、8pin这种太低端以及太高端的MCU产品之外，其余的MCU市场均可用ARM Cortex-M来覆盖。“恩智浦将不再提8位、16位、32位MCU这个概念，以后全用Cortex-M系列来覆盖整个MCU产品线，MCU产品的分类也将基于ARM的不同系列。”他表示。虽然对正在MCU领域迅速成长的意法半导体来说，也许不是很愿意接受8/16位MCU产品快速消亡的事实，但该公司香港/南中国区MCU市场部经理吴建明还是中肯地指出其75%的营业额来自32位MCU，32位是大势所趋。事实上，意法半导体从2007年就开始发布基于Cortex-M系列的单片机产品，目前ARM Cortex-M3 80%的出货量来自该公司，而且该公司MCU产品线的定位是推出业界基于Cortex-M系列最全的产品。另一个Cortex-M将一统MCU天下的有力证据是，一向谨慎封闭、只采用自己的架构的日本MCU厂商，如富士通、东芝等，也都推出了基于Cortex-M3的MCU，而且Cortex-M花开日系 MCU产品的局面正加速扩大。

ARM在MCU领域的布局思路

ARM在MCU业界受欢迎的原因主要有两个：兼容性和标准架构。但从ARM的角度来看，要做的事情远不止以上这两项。罗霖指出，为了进一步优化32位Cortex-M的性价比，首先需要了解MCU市场目前面临的种种挑战，然后逐一攻破。

他认为，整个MCU市场正处于转型期，厂商面临的来自市场的挑战主要有四点。一是消费者希望用更低的成本得到更多的功能，比如物联网领域中的各个节点有日益增长的互联要求，这其中包括USB、以太网、NFC以及802.15等连接需求。二是传统的模拟器件已经集成了越来越多的数字处理和通信功能。以物联网前端的智能传感器为例，以前采集信号只需要简单的A/D转换，而现在需要通过一个MCU内核对前端的数据进行预处理，并将处理后的信号通过有线/无线网络传到后台进行分析。三是对能效的要求，这就需要MCU提供更好的能效控制，这些低功耗需求的典型应用市场包括无线传感器、先进的马达控制、变频控制，以及智能电网中的智能电表需要10~20年不更换电池等。四是随着应用复杂度的增长，过去传统的8位、16位MCU在性能方面遇到一些瓶颈，如CPU的频率和存储的需求都在大幅地增长等。
 
除了8/16/32位MCU共同面临的以上四点挑战外，MCU市场转型还体现在许多因素正推动32位MCU的需求增长。这个需求主要来自两个方面：一是产品算法的复杂度正在大幅增加。“比如触摸屏以前多用电阻式的，一个2.4英寸或3.2英寸的电阻式触摸屏只需要一个8位的8051即可处理，而现在热门的具有10英寸电容式触摸屏的iPad支持比较复杂的触摸算法，必需32位的CPU进行处理。” 罗霖举例道。二是集成化趋势推动了8/16位MCU向32位MCU演进。眼下系统厂商为了降低成本，将以前产品或系统里面的很多子模块整合到单个处理器中，如用32位的单芯片产品替代原来的4个8位子系统等。

为了解决MCU面临的以上挑战，并顺应MCU向32位过渡的趋势，ARM在和领先MCU厂商沟通后，推出了Cortex-M处理器方案。据罗霖介绍，该处理器方案可从四个方面解决上述的四点挑战。1. 降低系统成本。MCU成本的很大一部分是片上Flash，如果MCU代码的尺寸越大，则要求Flash越大。ARM专门提供了一个Thumb2指令集，极大地缩短了代码尺寸，降低了对Flash容量的要求。2. 提高性能。Cortex-M采用32位架构，因此具有很高的性能。3. 提高能效。ARM一直以来致力于低功耗设计，而且在手机应用市场取得了很大的成功，因此可以很自然地将手机应用中的低功耗技术引入到MCU中来。此外，ARM在Cortex-M架构上提供了很多低功耗模式的支持，包括睡眠模式以及创新的唤醒中断控制技术等。4. 提高易用性。Cortex-M具备广泛的工具链和对操作系统的支持，同时兼容二进制，100%用C语言开发。

面向MCU应用的Cortex-M家族包含Cortex-M0、Cortex-M3、Cortex-M4这三种内核产品。其中前两种为32位通用MCU内核，而近期发布的Cortex-M4则主要面向数字信号控制(DSC，Digital signal control)应用。在Cortex-M之外，ARM还有两个系列，一个是Cortex-A，另一个是Cortex-R。后者性能介于Cortex-M 与Cortex-A之间，一部分可以做DSC，另一部分则可以做更高性能的MPU。前者针对高端应用，主频达800M~1GHz，可以提供非常高的运算性能。“所以Cortex系列可以从最低端的MCU一直做到最高端的MPU，提高了厂商选择产品的灵活性。” 罗霖表示。

在 Cortex-M家族中，Cortex-M0主要针对8位和16位的应用，特性包括超低功耗、低成本和经过优化的简单互联；Cortex-M3面向中高端的16位和32位应用，特性为高性能和丰富的互联；Cortex-M4集成了一个32位MCU和一个DSP，该融合架构提供很强的DSP指令集，可以做实时高效的信号处理，内含一个浮点运算单元，同时还支持单指令多数据运算。Cortex-M0据称是目前世界上最小的、最省电的32位处理器，面积和功耗仅为ARM7的1/3，却和ARM7具有相同的性能(0.9DMIPS/MHz)，它的典型应用包括便携式医疗设备、PC/游戏的外设、汽车里面的智能传感器、白色家电的控制器、低功耗Zigbee、蓝牙等无线技术、大容量USB闪存等，这些应用大多为电池供电，因此可以很好地发挥Cortex-M0的功耗优势。Cortex-M4则进一步拓展了MCU的应用领域，该内核在M0、M3的基础上加上了信号处理，包括单周期的乘、加运算单元，还支持浮点运算、硬件除法等，因此适用于马达、音频均衡处理、数字电源、DC/DC、UPS、工业自动化等复杂运算。
 
据介绍，Cortex-M的技术特点表现为：1. 指令集互相兼容。Cortex-M0/3/4指令集互相兼容，其中Cortex-M0是Cortex-M3的一个子集，Cortex-M3是 Cortex-M4的一个子集。2. 强化中断控制。以前ARM7和ARM9没有标准的中断控制器，但从Cortex-M开始，CPU旁边有一个嵌套使用中断控制器，可以使中断响应更快。以前 ARM7需要26~42个时钟处理周期处理中断，现在Cortex-M3只需要12个时钟处理周期。3. 采用低功耗技术。实现低功耗的方式包括：集成时钟门控、支持睡眠模式和深度睡眠模式、提供唤醒中断控制器、集成一些先进的物理IP等。据悉，ARM支持的动态功耗模式包括：工作模式(CPU全速跑)、睡眠模式(CPU时钟停掉，但是某些必要模块还有时钟)、深度睡眠模式(电源打开，大部分时钟已经停掉，只有漏电流)、状态保存模式(大部分芯片断电、所有时钟停掉)、完全断电模式。“基本上，32位ARM MCU的能效完全取决于活动周期的占空比。假设活动周期占空比是0.1，功耗则为13μW；而占空比为0.05时，功耗则为6.5μW。跟8位MCU对比，由于8位的性能比较低，所以占空比比较大，造成功耗也大。”罗霖进一步解释道。

此外，Cortex-M采用CMSIS接口标准，可以使代码在不同的硬件平台复用，因此可降低开发成本，加快产品上市。此外，ARM还提供相应的DSP软件库和简单的原型开发工具。

除了具有很好的性价比之外，罗霖认为Cortex-M还解决了困扰产业很久的一个问题，即MCU市场架构太多太杂。“MCU市场是一个非常分散的市场，有8 位、16位、32位MCU，还有日系、欧系、美系的MCU，各个厂商的指令集和开发工具并不兼容。如果全部迁移到Cortex-M系列，则可以解决同系列产品升级的问题，而且开发工具统一，简化了研发工作。”罗霖表示。

Cortex-M目前受到了很多厂商的欢迎，据悉全球共有超过60家芯片厂商取得了授权，并陆续推出了基于Cortex-M的芯片产品，其中大部分产品都是MCU。“除了国外厂商，还有中国的部分芯片厂商得到了授权，而且数量还在增加。”罗霖强调。

高性价比产品层出不穷

如果说ARM的Cortex-M内核从性能、功耗等根本上奠定了其在MCU市场的根基，那么芯片厂商在外围集成上的锦上添花以及所作出的低成本努力都是加速MCU向32位演进所不可忽视的力量。

金宇杰表示，恩智浦认为今后的MCU产品都将基于ARM核，因此该公司在外围上下了不少功夫，以突出自己独特的优势，例如添加USB、以太网、PWM控制等。此外，恩智浦还最新推出了世界首款非对称双核架构的数字信号控制器LPC4000。该产品包括一个Cortex-M0核和一个Cortex-M4核，其中Cortex-M4用来做实时信号处理，Cortex-M0做一些简单的I/O控制。“在LPC4000中，不同的核承担不同的任务，这对开发工程师来说，对两种核不同的任务分配可导致产品的性能相差很大，因此设计中变数大、挑战大、意义也很大。” 金宇杰表示。

吴建明则指出意法半导体正在全面打造Cortex-M全系列MCU产品，除了已经拥有很大市场份额的Cortex-M3相关产品外，该公司还拿到了 Cortex-M0和Cortex-M4的授权。意法半导体最近刚在法国发布了其基于Cortex-M3、采用90nm工艺的微控制器产品STM32F- 2。该产品将主频从前代的72MHz升级到120MHz，并内置实时加速器ART，具有高效率、高速度。“STM32F-2已经将Cortex-M3内核性能发挥到了极致，市面上不会再有比它速度更快的Cortex-M3 MCU产品。”据悉，STM32F-2目前已有样品提供，预计将在2011年一季度量产。

在高端MCU产品阵营中，飞思卡尔于2010年8月在国内发布了基于Cortex-M4、名为Kinetis的MCU系列，该系列产品也基于90nm制程。

罗霖指出，在32位MCU性能不断提升的同时，ARM MCU正向“亚一美元”迈进，例如恩智浦65美分的LPC1100和新唐55美分的M051。而最近一两年之内，还会进一步迈入到“深亚一美元”(50美分以内)，即32位的MCU价格和8位的MCU持平，从而有利于推动32位MCU进一步蚕食8位及16位MCU市场。