集MCU、DSP、FPGA于一身的多核MCU，你造吗？

　　前不久，华为、博世、赛林思投资一家英国半导体公司XMOS的消息传出，引起不小关注，让业内颇为好奇的是，这家在半导体业界并不显眼的公司，为什么获得了华为和博世等的青睐？为深入了解和挖掘这家公司的技术和价值，《智慧产品圈》特地走访了XMOS的具有较强技术实力和方案开发能力的国内代理商深圳木瓜电子科技有限公司，从XMOS核心产品及其主要应用来看看这家公司的独具魅力之处。

　　XMOS是一家来自英国布里斯托尔市的无晶圆厂半导体公司，推出了一种称为xCORE体系架构的32位多核实时微控制器，该系列处理器具有多个时序可确定的、可并行执行任务的32位处理内核（有4、6、8、10、12、16、24、32核），单核主频最高可达200MIPS，支持诸如C和C++等高级编程语言，可使用软件准确的配置设计所需的外设接口。当然多核微控制器对于现在来说并不是让人耳目一新的产品，而让《智慧产品圈》笔者惊讶的是：xCORE内核兼具MCU、DSP、FPGA功能于一身！何以做到如此？我们可以从其内核架构和I/O特性得到答案。

　　xCORE内核深度解析

　　内核架构：

　　据木瓜电子技术支持工程师邱松晓介绍，简单来说，xCORE实质是多核的RTOS MCU架构，其中一个核的性能可相当于一个ARM Cortex M3，一个8核的XMOS MCU性能可以相当于8个Cortex M3，非常强大。xCORE目前应用最多的是8核和16核的产品，以型号为XU216的主控为例，其架构和特点如图1、图2所示：

　　xCORE中多个核就像一个团队并行运行，单个核的最高运行速度可达200 MIPS，16核累加最高可达2000MIPS，而且各个核执行任务互不干扰，使用通道实现线程间的通讯，可以执行庞大的任务量。其同时具有成熟的、开源的IP核外设，如UART、SPI、IIS、ETH、CAN等，也具有DSP运算库IP，工程师可以调用此库来完成复杂运算。xCORE中每个Tile可以管理8个核，并且通过其特有的xConnect功能，可将多个XMOS芯片进行级联，对开发者而言，可看做成一个具有更多核的单芯片。

　　I/O特性：

　　XMOS的I/O具有其独特的特性，兼备FPGA和MCU的I/O特点。其具备的1bit port可用于串行的输入和输出，并且用来实现一些特别的时序操作。同时也具有多位的并行口，如4bit 、8 bit、16bit这些I/O口，这些并行I/O口用来输入输出并行数据，如外接SDRAM，TFT屏等。如上述16核的XU216就有32个1bit、12个4bit、8个8bit、4个16bit、2个32bit口。xCORE突破了常用MCU的外设限制，可像FPGA一样软件定义接口、灵活增加外设。

　　实时性：

　　xCORE还有一个不得不说的优势就是实时性非常高，传统的MCU执行中断，需要停止当前的程序运行，进行相应的入栈操作，然后执行中断程序，中断程序执行完毕后，再执行出栈工作，继续执行被打断的程序。而XMOS事件中断可以被定时器、IO口和任务来触发中断，事件一旦被触发，立即执行。并且执行触发操作的线程可继续向下执行，不被打断。在触发事件中断的处理上，显得更为实时性和低延时，在响应速度上，比传统MCU快100多倍。
 

　　


　　总的来说，“虽然XMOS实质性是多核的MCU，但是与传统的MCU相比，又大不同。XMOS独特的xCORE体系架构，硬件的RTOS运行机制，使它具备很高的执行速度，可以使用多个核来做多个算法，所以体现出有DSP的运算能力；它可以像FPGA那样灵活的配置引脚，通过软件灵活定义硬件外设，而不像MCU那样外设已经固定。因此我们说它兼具了MCU的逻辑操作、DSP的运算能力和FPGA的灵活引脚等能力。”邱松晓说道。

图5：XMOS具MCU、DSP、FPGA功能于一身▲

　　而此特性带来的改变是，以往一些需要采用MCU、DSP和低端FPGA三颗芯片的方案，现在只用一个XMOS就能搞定。如图6所示，该系统中主要器件有一颗ARM Cortex M3 MCU，一颗DSP芯片和一颗CPLD可编程逻辑器件、一颗采样率转化芯片和一颗音频解码芯片。除了AD1895采样率转换芯片和CS8406音频解码芯片不能取代外，系统中的三个主控芯片可以用一颗XMOS芯片取代。这样的好处是，不仅整体方案成本可以大幅降低，而且也降低了设计复杂度，缩短了开发周期。而且，木瓜电子更是进一步做到：“现在我们的方案已经可以取代了AD1895，可以用软件实现SRC功能，这四个芯片撘起来的系统，用一个XMOS芯片就可以实现了，成本很有优势。”邱松晓说道。

 

　　说说功耗：

　　与高性能相随的往往是高功耗，那么xCORE的功耗会不会也很大？邱松晓表示：“概括来说，常用的8核XMOS芯片功耗在180mW～330mW，不算特别适合于智能穿戴等对功耗敏感的应用，并不算是低功耗的32位MCU。但是在传统的一些需要使用MCU、FPGA、DSP的场合，使用XMOS会显得功耗更低。”

　　应用方案盘点

　　XMOS内核性能强大、实时性非常高，外设扩展灵活，适合包括音频传输、电机控制、实时网络、麦克风阵列、USB多声道音频等对性能和实时性比较高的应用场合。目前XMOS推出有两代产品，最新的产品系列是xCORE200，在性能和价格上都比第一代xCORE有优势。

　　xCORE200产品可以分为L系列、U系列和Ethernet系列，其中L系列为通用系列，适合做接口扩展以及伺服电机控制方面的应用；U系列为USB系列，即在L系列的基础上集成了USB 2.0 PHY芯片，外部USB差分信号可以直接接到XMOS芯片；而Ethernet系列带有千兆以太网控制器，在U系列的基础上添加了千兆以太网控制器，但内部没有集成Ethernet PHY芯片，需要外接。Ethernet系列产品适合做需要千兆以太网的产品，如1000M带宽的AVB方案。

　　接下来看看采用XMOS芯片开发的典型应用方案。

　　USB Audio

　　XMOS芯片最为知名的应用莫过于USB Audio方案，包括HiFi级别的耳放、USB耳机、HiFi级音响、专业录音设备、电脑/手机外置声卡等。XMOS USB Audio在数字音频上可实现高达384khz的采样率，且可灵活实现多种音频接口，如IIS、DSD、S/PDIF和MIDI等。该方案在音频行业内得到了非常高的认可，得到包括哈曼、IFI、OPPO、索尼等国际品牌采用。

　　XMOS USB Audio方案最新应用是USB耳机。可以看到最近不断有手机厂商新发布的手机支持Type-C接口，而且音频传输直接使用Type-C接口，以取代原有的3.5mm耳机口。实际上在Type-C之前就有耳机厂商使用USB2.0/1.0的接口设计USB耳机，主要针对的市场是USB游戏耳机和发烧级耳机，由于手机3.5mm的耳机口取消，USB耳机将会成为大众的选择，高清无损数字音频传输将会让更多消费者获得Hi-Fi级音乐享受。

　　XMOS为此应用最新发布了小封装、低功耗的XU208芯片，据悉已经得到不少耳机厂商的青睐。使用此方案的USB耳机可以实现高达384KHz采样率，而普通耳机一般只有44.1KHz采样频率（采样率越高，音质越好）。结合XMOS的DSP运算能力，还可以实现3D增强效果、主动降噪、多声道环绕等算法来使得USB耳机呈现更优越的音频效果。

　　XMOS USB耳机方案的硬件架构清晰简单，使用XU208作为主控来完成USB解码、数字音频传输和算法，外置的DAC实现数字模拟转化，使用2路PDM麦克风实现录音功能，按键实现相应的控制，可兼容Window、MAC和android平台。

　　麦克风阵列

　　XMOS的麦克风阵列方案以其芯片的灵活性突破了传统MCU的I/O限制，单芯片可以实现16个I2S或PDM来实现扩展高达32个麦克风的阵列，配合beam forming、噪声消除、回音消除等DSP算法来实现诸如声源定位、远场拾音等功能，为高性能的语音识别做好前端的优质处理，可适用于视频会议摄像头的定位、安防监控摄像头定位、机器人定位、家庭管家等。

　　与传统MCU麦克风方案相比，一个32位MCU连接麦克风通常为4个，同时需要增加DSP，加长开发流程和增加成本。而XMOS是单芯片方案，不仅具有出色的性能，同时可以缩短软硬件设计周期和降低硬件成本。

　　伺服电机控制

　　XMOS高实时性的特点，非常适合应用于多路伺服电机控制，可具备Ehercat、CAN等通信接口，并实现FOC等电机控制算法。适用于机器人、机械手、无人机等产品。例如在无人机中，四个手臂分别需要四个MCU来实现电机驱动，但是XMOS单芯片可定义24个I/O作为电机的PWM信号输出，实现4路电机驱动。

　　当然XMOS的应用还有很多，如以太网会议系统、调音台、车载娱乐系统、直播音频传输系统等AVB方案；短信猫、车载CAN扩展、动环监测以及医疗设备、工业机器手臂等等实时性要求高、系统复杂的工业应用。“XMOS能实现的应用还有很多很多，没有做不到，只有想不到。”邱松晓说道。