更先进的应用推动设计界正从8/16位转向功能更强大的32位MCU。不过,这一过程也提出了一系列需要处理全新问题,如器件和开发工具的成本、存储器使用率、可选器件的种类等。综合考虑总的系统成本对设计师决定是否向32位转移将提供很大帮助。
InStat/MDR预计在2001至2006年期间,32位微控制器(MCU)的复合年增长率可望达到22.6%,目前推动这一增长的因素主要有以下两个:一是要求更高性能的新应用的推出,包括数码相机、手机及MP3播放机等小型设备；二是像电视机、汽车音响及电子玩具等大家非常熟悉的应用变得越来越先进,以致它们对拥有超出8位微控制器范围的性能及存储器的需求正在增长。
在讨论从8位向32位转移之前,搞清楚16位微控制器到底适合于哪类应用是很重要的。对许多不同市场嵌入式应用工程师的一些主要调研表明:大部分从8位MCU起家的工程师正直接升级到32位控制器。对于他们中的大多数人而言,16位MCU似乎并不是一种可行的升级选择。
与过去十年中所发生的从4位向8位大规模转移相比,这种情况显得特别有趣。很明显,历史不再重演,因为过去很少有设计直接从4位转移到16位。与过去不同的一个原因是,ARM7TDMI已将它自己确立为标准的CPU内核。目前,有超过30家半导体厂商正在付运基于ARM7TDMI的产品,因此该内核甚至比目前广泛使用的80C51更多地变成一种事实标准。而在主要由单一来源专有内核组成的16位世界中,从未被设想过能有这种占统治地位的体系架构。
此外,半导体工艺几何尺寸的缩小也几乎完全消除了16位与32位MCU之间的价格差异。因为片上存储器及外围电路占去了如此多的硅面积,使得MCU内核的成本在整个器件预算中几乎可以忽略不计。对于大多数应用而言,甚至不会考虑从4位MCU升级到16位,因为其价格差别很大。
驱动因素
那么从8位转换到32位架构又有哪些特定驱动因素呢？首先是对更宽寻址范围需求的增长,今天许多8位架构都被限制在64k寻址范围内,使得一些微控制器不能对外部程序存储器进行寻址,这就限制了对芯片上所实现的各种存储器进行寻址的范围。只有少数几种8位架构可寻址多达数MB的片外存储器,虽然在某些情况下,可扩大现有架构的寻址范围,但解决方案随厂商的不同而各不相同,而且相互之间代码不兼容,因此所扩展的寻址能力仍缺少32位架构所拥有的功效。故8位微控制器仍是8位,而且计算地址所涉及的大量运算已成为大多数8位架构的沉重负担。目前许多32位微控制器具有同步DRAM,因此可极大地减少使用更大容量数据储存器的成本。比较而言,8位架构只能对SRAM进行寻址。
对更多性能的需求也在驱动着MCU向32位架构转换。不仅各种应用在时钟速度方面需要更多的原始CPU能力,而且像嵌入式应用中不断增加的以太网及USB这类通信接口也提高了对片上外围电路的要求。带片上以太网MAC的8位MCU之所以少之有少,是因为TCP/IP协议过于复杂以至于无法适当地在大多数8位架构上运行。
除了处理应用控制功能之外,在MCU运行TCP/IP或其他协议的情况下,对RTOS的需求正迅速成为一种现实。大多数8位微控制器并未构建成可进行实时任务切换,因此几乎没有好的实时操作系统可用。此外,DMA控制器在32位MCU上很常见,且被用于在控制器收、发大量数据时对CPU进行卸载。
值得注意的还有,客户中避免使用单一来源架构的倾向日益明显。除80C51以外,单一来源架构在8位MCU市场中占据统治地位,这意味着极大的工具投资,以及每次将代码从一种架构移植到另一种架构时所带来的切实工作量。随着ARM7TDMI成为32位嵌入式领域较低端应用的事实标准架构,嵌入式设计工程师们又重新获得了既可对来自不同供应商的众多微控制器种进行选择、同时又不会在代码库及开发工具上浪费投资的自由度。
各种障碍
尽管如此,从8位架构转移到32位架构所涉及的远不止代码再编译及电路板再布局等工作,相反,32位MCU虽在可能性方面打开了一个全新的世界,但同时也带来了一系列全新的、已经被觉察到需要处理的问题。
首先面临的就是有关更高器件成本的说法。人们似乎总是有这么一种感觉,即“位数越多,成本也就越高”,但这种感觉并非总是正确。目前许多32位架构是用0.18微米工艺制造,而且人们必须考虑应用的总原材料清单(BOM)。在很多情况下,由于具有额外的性能及片上外围电路,因此一片32位MCU可取代好几种器件。工程师们常常只比较微处理器的价格,而不是比较总的系统成本,这甚至阻碍了许多工程师去考虑实施这种从8位向32位的转移。
例如,对联网图像设备的成本分析表明,使用32位MCU只给32位解决方案增加2美元的器件成本,但考虑到能包括JPEG解压缩及速度更快的100Mbps以太网连接,这只是一个很小的数字。而由功能增加所创造的额外市场价值,迄今为止已远远超过了所增加的器件成本。不仅如此,重新设计还能提供用于未来扩展的丰富性能。
存储器使用率被认为是另一个障碍。目前很少有32位 MCU拥有片上程序存储器,尽管情况正在改变。使用片外存储器带来的主要问题是EMI、功耗、存取时间及安全等。
开发工具成本并非是一个必然障碍。一套8位开发工具套件通常包括编译器与仿真器/调试器,价格高达4,000美元。在某些情况下,人们可以低得多的价格获得这种开发套件,但很少有免费编译器可用,而且几乎所有8位器件均要求有专用仿真器。通常情况下,采用几种基于单一架构的衍生器件就需要使用几种仿真器。
在投资32位开发工具时,开销很容易超过4,000美元。但由于有免费的GNU调试器及编译器供应,且由于大多数32位架构并不需要用于实时调试的仿真器,因此人们可从适度的开发工具投资开始着手。当然这需要芯片供应商承担更多移植、测试及支持免费工具链的工作。
在一些情况下,对复杂性的恐惧,可能足以使工程师们在向32位转移时犹豫不前。基于8位微处理器的开发者通常只拥有很少的RTOS及编程经验。害怕学习过程过于艰难而漫长,将他们裹足不前的重要障碍。而当性能要求达到8位微控制器能实现的极限时,包括增加更多特性在内的设计考虑开始对资源变得极端渴求,这时能有一次跨越会更好。
然后要考虑的是器件种类绝对数。8位MCU产品包含了由40多家供应商所提供的近1,300种器件。而类似数量的厂商则在32位类别中只提供了240种器件。尽管最近两年在器件选择上的差别可望能有所减小,但这仍是一个切实存在的事实。
在做出向32位MCU升级的决定时,陷入思想斗争的工程师们必须考虑一下总的系统成本,因为情况经常是,成本上的微小增加可带来应用性能的成倍增长。在学习一种新的架构及新的工具集时,可能会涉及一些额外的工作,但从已陷入困境中的8位架构中“挤出”最后一点点Mips,也很容易耗费掉实验室中的最后几小时开发时间。
作者:Geir Kjosavik
业务拓展总监
Triscend公司
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