微控制器开发的当前发展趋势

嵌入式世界通常形成一系列重要产品公告的背景，今年是嵌入式世界大会10周年纪念日。展览，也不例外。在德国纽伦堡展览中心举办了三天，吸引了900多家参展商和超过20，000名专业观众。在本文中，我们将介绍微控制器领域中最重要的公告。

虽然每年都会带来微控制器（MCU）设计和支持方面的创新，但这些创新通常都是由深远的趋势驱动的。不久之前，这些趋势可以通过“更小，更快，更便宜”来概括，但今天它们最好描述（虽然不那么简洁），因为对低功耗的需求，软件开发日益复杂，以及更高的集成度。智能外设。每一款新的和创新的MCU，以及今年在Embedded World上宣布的许多演进发展，都有这些趋势的基础。

具体而言，电池供电应用现在是MCU制造商的重要推动因素，这意味着待机和主动模式下的超低功耗至关重要。这一趋势塑造了新公司的发展，例如Energy Micro，以及那些更成熟的公司，包括德州仪器和意法半导体。客户对更好的软件开发支持的需求也体现在对新MCU和现有产品线的支持上，例如赛普拉斯半导体的PSoC系列。最后，市场对更大程度整合的渴望使得一些公司 - 硅实验室和英飞凌仅举两例 - 让已经拥挤的ARM Cortex-M竞技场进入‘迟到’。在这里，我们展示了所有这些趋势和发展的综述，正如今年嵌入式世界大会上宣布的那样。

ARM支持者

虽然看起来无所不能，但ARM对微控制器市场的渗透率仍然仅占可用市场总量的15％左右;这个数字反映了每年出货的数百万台设备，这些设备有利于16位或更可能的8位架构。话虽如此，ARM自己的数据显示，现在每个月都有超过1亿个ARM内核出货。如果该数字包括未被归类为MCU的标准部件，则将接近2亿。

在未来几年内，目标市场份额为40％，ARM的上市途径仍然是其授权商，因此今年嵌入式世界的许多重要公告都是由Cortex-M系列推出的，这并不奇怪。

也许最重要的（尽管可能最不令人惊讶）是Silicon Labs凭借其Precision32系列混合信号MCU进入32位市场。该MCU嵌入了ARM Cortex-M3内核，被誉为最灵活的32位MCU。造成这种情况的部分原因在于获得专利的“横杆”技术，几乎可以将任何外围设备连接到任何引脚。增加这种灵活性的是一种开发环境，它采用支持自动代码生成的GUI前端，允许工程师“拖动”。将外围设备放入设计并以可视方式配置它们，然后自动生成源代码。

然而，Precision32系列与其他基于Cortex-M3的MCU的区别在于其混合信号功能。 Silicon Labs利用其在混合信号方面的专业知识来集成一些有用的功能，这些功能还可以显着降低任何应用的总BoM成本。这些包括一个电压调节器，允许MCU直接从USB端口供电;上拉电阻和USB端接电路;无晶体振荡器，可用于USB端口以及为处理器内核提供时钟;和电容式触摸电路。在图1中，我们看到Precision32系列中实现的交叉开关技术如何在不影响性能的情况下实现几乎任何引脚输出，所有这些都可以通过GUI实现。

图1：Silicon Labs新推出的Precision32系列专利Crossbar技术几乎可以让任何外设使用任何引脚。

除高性能模拟外，Precision32系列还拥有比竞争对手Cortex-M3产品更多的低功耗模式，表明它可以比同类竞争器件降低5到100倍的睡眠电流。这些电平在实时时钟（RTC）运行时仅为0.35μA，而在高达80 MHz时钟频率下仅消耗275μA/MHz有功电流。图2以图形方式显示了低功耗模式如何帮助延长电池供电应用的使用寿命。

图2：Precision32系列的低功耗模式针对电池供电应用。

Precision32系列最初将有两种变体：用于USB应用的SiM3U和用于非USB应用的SiM3C。基于Eclipse的开发环境包括一个编译器，调试器和“仪表板”，用于访问最新文档，如数据表。它还支持标准ARM库，CMSIS以及一系列第三方编译器和调试器。

SiLabs IDE的主要区别之一是“AppBuilder”，它允许工程师以图形方式配置外设，设置时钟模式，并在自动生成代码之前自定义引脚。作为32位市场的新进入，SiLabs已经从更习惯于使用8位MCU架构的工程师的角度解决了为相对更复杂的架构编写代码的问题。一个正在发展成为ARM许可证持有者趋势的主题。赛普拉斯在其PSoC系列中使用Cortex-M3内核，使用Embedded World宣布其IDE的最新扩展，PSoC Creator 2.0现在包括组件包。第一包包括SD卡接口和免版税的FAT文件系统，图形LCD驱动器和免版税图形库，4线电阻式触摸界面和增强型数字滤波器支持。赛普拉斯表示，它打算每六到八周发布一个新的元件包。

Atmel还专注于Cortex-M3内核并减轻了工程师的工作量，为其SAM3系列推出了两款新型号，这是该系列首次增加了CAN功能。在SAM3N和SAM3X这两个新系列中，X系列集成了以太网PHY，同时提供双CAN接口和高速USB On The Go PHY; Atmel声称将SAM3与竞争对手区分开来的功能。新器件还提供高达512 KB的闪存密度 - 在发布时，Precision32限制为256 KB。

或许更重要的是，Studio 6是Atmel IDE的最新版本，现在在一个统一的IDE中支持公司的基于AVR和ARM Cortex的MCU，旨在为工程师提供从8位到32位的“无缝”迁移架构。提供图形设计界面和自动代码生成的统一开发环境是ARM兄弟会的明确趋势，展示了对更高级别软件抽象的需求以及标准指令集架构的强大优势。然而，难怪每个IDE都与核心周边的外围设备紧密集成，因为大多数设计环境都是免费提供的。

虽然Cortex-M3已经从许可证持有者和行业中获得了巨大的提升，但Cortex-M4可能需要更长的时间才能达到显着的渗透率。这主要是由于缺乏可用的产品，但ARM认为该行业已经用了大约一年的时间来实现生态系统，现在预计将看到Cortex-M4的重大发展。今年早些时候，英特尔长期授权的英飞凌宣布推出首款使用ARM Cortex内核的标准产品，而它选择的是M4，这是第一次开发，可能有很多。与SiLabs一样，英飞凌认为仅提供另一款基于Cortex的MCU系列还不够;需要区别对待。因此，英飞凌推出的第一款基于Cortex的MCU系列 - XMC4x--采用了支持浮点的Cortex-M4F变体，专门针对工业控制应用，可以充分利用核心的额外计算能力。

然而，虽然XMC4x系列的目标是电机控制，但MCU所消耗的功率可能不如所控制电机的功率效率重要，但Energy Micro也选择在最新系列中使用Cortex-M4F。超低功耗MCU。 Wonder Gecko系列（图3）是该公司首次使用M4核心，但仍保持其他产品的超低功耗凭证，其中增加了60个Wonder Gecko设备，现在数量超过240个变种。据记载，在活动模式下仅消耗180μA/MHz，仅在RTC运行时消耗400 nA，这不仅可以很好地抵抗其他Cortex-M4F器件，还可以替代Cortex-M3替代品。

图3：Energy Micro最新的Gecko系列使用Cortex-M4F内核。

尽管Cortex-M3（在某种程度上是M4）受到了很多关注，但Cortex-M0还在Cortex系列的“低端”发布了声明。这是ARM代码兼容的Cortex系列中最小的，也许是“功能最少”的变体，但它提供它被视为为许多制造商提供完整的“性能路线图”的重要部分。恩智浦长期以来一直在提供基于Cortex-M0的MCU，可以说是Cortex领域中超低功耗和超小型封装的首选制造商。其最新产品LPC1100XL和LPX11E00代表了第四代恩智浦Cortex-M0系列，XL（代表超低功耗）将有效电流消耗从130μA/MHz降至110μA/MHz，同时运行到50 MHz。它还将Flash页面大小从2 KB减少到256字节，并使用恩智浦计划在其MCU范围内推出的新型低功耗“嵌入式闪存”技术（图4）。 LPC11E00使用另一种专有存储器技术来模拟EEPROM，最高可达4 KB。恩智浦表示，它将满足对需要外部EEPROM的应用的需求。

图4：恩智浦最新的LPC1100XL系列使用Cortex-M0实现“极低功耗”操作。

STMicroelectronics重新推出其Cortex路线图，大量推出STM32 F0系列，这是第一款实现Cortex-M0系列的产品，该产品已于2010年底预先公布。它需要STM32系列中的MCU数量与其他制造商一样，ST正在使用Cortex-M0来弥合8位和16位用户与现有32位用户之间的差距。几年前，当ARM首次针对MCU市场时，人们经常提到典型应用无法利用额外的处理能力。随后，基于Cortex-M的设备普及的第一个应用空间是那些需要显着处理性能的应用空间，因此M3的使用范围更广。现在，该行业已经越来越习惯于32位范式 - 应用程序变得越来越苛刻 - M0可以说对制造商来说更加可行。 ST还选择采用STM32 F0系列的“混合信号”路径，集成了12位ADC，12位DAC和两个与DAC紧密耦合的可编程模拟比较器。 ST声称这提供了比竞争对手的设备更高的模拟功能。

超越ARM

虽然很容易假设所有新开发都是基于ARM的，但事实是其他核心 - 可授权和专有 - 继续在MCU领域占有一席之地。具体而言，Microchip继续开发其专有的8位和16位系列 - PIC12和PIC24。 PIC12系列中的新系列具有创新的外设，通过公司称之为“互补输出发生器”（COG），为比较器和PWM（脉冲宽度调制器）提供非重叠的互补波形。 Microchip称，这在电机控制应用中特别有用。此外，PIC24 Lite产品组合的扩展采用了该公司的极低功耗（XLP）技术，将有源和休眠电流分别降至1.5 V时的150μA/MHz和25°C时的30 nA（典型值）。 Microchip还使用嵌入式世界（Embedded World）推出PIC32系列的最新产品，该产品系列使用授权的MIPS 32位内核; MX1和MX2是低引脚数版本，但具有专用的音频和电容式触摸传感外设，以及USB OTG（图5）。

图5：Microchip最新的PIC32产品具有专用的音频和电容式触摸外设。

然而，今年嵌入式世界最积极的产品推出奖必将通过其推出的“Wolverine”系列MSP430 MCU推向德州仪器。 MSP430系列基于专有的16位内核，并且有一段时间针对低功耗应用，包括使用能量收集技术的智能传感器 - 从低功耗的角度来看可能是最苛刻的应用。与其竞争对手和现有的MSP430系列相比，Wolverine家族声称将电力需求“削减”50％。

这些声明可能是合理的（至少目前为止），因为它声称在RTC模式下有效电流小于100μA/MHz和360 nA。当然，这些声明将在“可比较”的警告下进行，并且它使用可能难以挑战的专有核心，特别是基于Cortex-M0核心的设备。然而，数据显示，更重要的是该工艺在很宽的温度范围内合格，这意味着功率要求稳定在25ºC以上。 TI称，这与其竞争对手的工艺并非如此，其中功率要求随温度显着增加。 TI表示已成功推出功率/温度曲线的“拐点”，因此消耗的电流持续时间更长。

该工艺被描述为混合信号超低泄漏和超低功耗工艺，已针对任何温度进行了优化。因此，在更高的温度下，TI预计功耗会有超过50％的改善，尽管在发布时这种情况还不合格。

Wolverine的另一个重要方面是利用FRAM存储器，它确定了部件运行速度的上限，但是TI表示它的目标频率范围在25到50 MHz之间，使用Wolverine，由于其在温度下的稳定性，因此专注于工业应用。

一段时间以来，更小，更快，更便宜的趋势已经让位于新趋势：低功耗，更智能的硬件和更简单的软件。今年嵌入式世界的公告突出了这一点，它们看起来将会持续一段时间。当然，制造商很清楚他们仍然必须满足这些新的需求，同时观察对更小，更快，更便宜的设备的需求。