传统上,低端8位及16位MCU器件一直是微控制器应用市场的主流,这一市场的特点是对功能的要求有限和用户对成本高度敏感。但随着应用需求的发展和业界希望将多个MCU整合进单个器件中,整机企业开始关注他们如何才能切换到一个价格能够承受得起的32位平台上。
随着众多新技术的涌现,现在似乎已能肯定,与传统的16位和高端8位MCU成本相当的32位微控制器将很快面市。
MCU应用的丰富意味着新型微处理器架构内核必须是可综合的和可得到的。此外,大量的应用要求微处理器架构必须是开放式的,以使得硅芯片供应商能够集成他们所需要的外围器件。
挑战在于如何使得32位微控制器的内核的成本接近16位MCU的成本标准。制造微控制器的成本主要由其封装决定,因此如果要降低32位微控制器的成本,业界应该考虑如何利用较旧的且不那么昂贵的生产工艺(如0.35、0.25及0.18微米工艺等)、如何通过减少微控制器尺寸来减少硅面积、以及如何消除多余的引脚(尤其对于50以下引脚的封装)等。
一般来讲,微控制器中的最大标准器件是用于存储指令的闪存和用于存储数据的SRAM。为了将器件的物理面积减到最小,业界需要考虑如何才能帮助最终用户更好地利用这些资源,这反过来能帮助减少封装尺寸,从而允许采用较旧和较便宜的工艺技术。
通过采用下一代32位指令集架构来提供更高的代码密度,并进而优化完成某个特定任务所需的闪存容量,可对闪存本身进行优化。
SRAM的优化则主要考虑微控制器如何从存储器中调用数据和将数据存储进存储器。技术包括多格式数据支持,它允许控制器能将多种类型的数据存储在一起。也可采用位分段技术,这使得程序员无需处理开销即可操作存储器的单个位,从而确保在要求进行单位数据存储及操作的应用(如旗标状态、开关或LED等)中能有100%的存储器利用率。
亦可通过用新技术实现主处理器内核来减少32位MCU器件的成本。此外,一些关系密切系统外围电路的紧密集成(如总线开关、中断控制器和调试电路等)也能减少整体系统门数,并由此而减少所需的硅面积。另外,一些更特殊的电路可集成在板上,包括硬件分割器和单周期乘法器。这两种电路已被证明能减少30%以上的系统门数。
图:为减少制造32位MCU的成本,
可采用多格式数据支持及位分段等特性
来获得更好的SRAM使用率及更小
的内核尺寸。此外,单线调试端口亦可
减少总引脚数,并完全消除大多数“隐藏”电路。
类似地,极紧密耦合中断控制器的实现也已经减少了通用控制器所需的门数,并使得进入一个中断的指令周期数减半,以及可将在待处理中断之间转换的指令周期数减少80%。这在控制领域尤为关键。
外围器件是微控制器中最重要的组成部分。不过,让一些人感到惊讶的是,它们能为制造更低成本的32位MCU器件提供最多的物理面积节省。在仔细考察8位及16位微控制器上所用的许多常见外围器件后,很清楚的一点是,很多模块都包含有大量的附加电路来弥补微处理器中的局限性。例如:深度FIFO、UART上的附加寄存器组、以及数模转换器上的附加插入电路等。
向更高性能32位微控制器的转移可消除对大多数这些“隐藏”电路的需要,从而使得可实现更小的外围器件。例如,更宽的总线架构使得数据在多个通信端口之间的传输更加快捷,以及更高的内核处理能力消除了对外部插入的需要。
所有32位微控制器都拥有比传统8位及16位微控制器更好的调试性能,不过,这种在系统可见性及易调试性方面的巨大进步,是以支持JTAG调试端口的5引脚开销为代价的。尽管此开销对于拥有较高引脚数(如高于50引脚)的器件来说并不是问题,但它肯定会给仅拥有20或更低)引脚数的低端器件带来某些问题。对于这些器件来说,开销可能代表25%的引脚数,并因此而增加25%的封装成本。
为制造价格低于1美元的32位微控制器,设计人员一直在研究新的方法以更少侵入性的方式获得片上调试信息。其中一个例子便是单线调试端口,这种端口使微控制器设计者能在一个引脚上提供全部JTAG功能(除传统JTAG端口外,或完全取代它)。
Haydn Povey (@) 为ARM公司MCU产品经理。
作者:Haydn Povey
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