Cortex-M3 MCU如何走出差异化的8位单片机替代之路

    前阵子，MCU市场“噩耗”频频传出。由于微控制器产品利润的不断下滑，先是富士通半导体宣布出售其MCU业务，紧接着三星半导体也不得不断臂淡出MCU市场。不过，在眼下阴云密布的MCU市场上也并非只有坏消息，日前，Silicon Labs就宣布签署了收购Energy Micro AS的最终协议。
    代理Silicon Labs MCU产品线的知名分销商世强负责微控制器业务的张园根先生也表示：“富士通半导体和三星半导体退出的主因应该是MCU利润下滑太厉害，技术优势不足以弥补。目前除了国际老牌MCU厂商，台湾和中国大陆新晋厂商也不断涌入，更是进一步拉低了价格。” 
    市场竞争惨烈，不进则退！尤其是在使用同一内核的市场上，如何实行产品开发的差异化、本地化以及如何提升产品的性价比等，正成为半导体厂商必须面对的挑战。
    例如，对于电池供电的手持设备类应用8位MCU替代方案, 基于ARM Cortex-M3内核的32位产品恐怕是最合适的选择，性价比足够高、功耗更低、灵活性大。但就连富士通的FM3系列都玩不转要出售、TI几乎也要放弃这块市场转向主攻Cortex-M0、M4，剩下的玩家又将如何实现差异化竞争，杀出一条生路呢？
    张园根先生以Silicon Labs公司已获成功的Precision32混合信号MCU全系列产品（包括适用于USB应用的SiM3Uxxx系列、适用于非USB应用的SiM3Cxxx系列、适用于超低功耗应用的SiM3Lxxx系列）为例，分析了Cortex-M3 MCU在工控仪表、智能家居、便携医疗、物联网无线终端、电脑外设等市场如何开辟差异化的8位替代之路。

图1. Silicon Labs —— 混合信号MCU创新历程。

    32位单片机是8位厂商向上开拓应用市场的必由之路，最重要的是如何做好集成。看起来似乎张三李四都会集成ARM内核，但是最终的效果是有差别的。张园根指出：“Precision32 系列产品采用Silicon Labs的专利技术Crossbar架构，确保了最大的灵活性，加之SiM3Lxxx系列的令人赞叹的超低功耗特性、使得Silicon Labs的Precision32 32位MCU系列在众多ARM Cortex-M3 MCU中脱颖而出。”
    专利的Crossbar架构确保最大灵活性
    Crossbar是Silicon Labs的专利技术。如下图1所示，Precision32系列包括两个Crossbar，可以连接任意I/O功能到不同引脚。这样做的益处是显而易见的，它能够优化布局，没有引脚冲突，可定制外设功能集(有益于选择低引脚数量MCU)。

  图2. Precision32 I/O crossbar——Silicon Labs MCU包括两个内部crossbar，能够使任意I/O功能连接到不同引脚。

    设计人员可以配置芯片引脚以简化电路板设计，例如配置输出引脚靠近他们所要连接的芯片。在某些情况下，这种方法甚至可以允许使用更少布线层PCB，从而节省成本。此外，引脚再配置还可轻松应对最终电路板变动难题。
    当选择哪些功能连接到引脚，哪些悬空时，这种方法能提供更大的灵活性。特别是在使用带有少量I/O引脚的小型封装时，灵活性显得尤为重要。其他大多数MCU也提供一些配置，但是可能在每个引脚上仅支持一种或两种功能，限制了选项数量，导致潜在的引脚冲突。
    使用者不用担心如此多的配置可能带来的混乱，应用程序构建器（AppBuilder）工具提供图形界面，允许设计人员使用拖拽功能配置引脚。一旦配置完成，工具能够产生加载配置到MCU的引导代码。该工具可以与商业IDE协同工作，包括Keil和IAR以及流行的Eclipse，Silicon Labs已经加以调整Eclipse以支持Precision32产品。
    多种创新技术实现超低功耗32位MCU
    Precision32系列产品采用能和8位MCU媲美的低功耗Cortex-M3内核MCU，而性能又强大的多，被业界普遍认为是用于替换8位MCU市场的首选32位MCU。
    尤其是主打超低功耗电池供电应用的SiM3L1xx通过许多关键性创新降低了工作模式功耗。例如动态电压调节可以根据应用情况变化来调整内部器件的电压。与其他32位MCU相比，其集成的高效率DC-DC转换器可以实现系统功耗降低40%，电池寿命提高60%！其休眠模式下的表现更加令人赞叹，功耗比同类竞争对手低5-10倍（最低休眠电流可低至50nA），工作模式下功耗比同类竞争对手低33%。
    而且自治型外设无需CPU介入就可操作，数据传输管理器（DTM）执行复杂的数据传输时也无需CPU介入；增强型直接存储器存取（DMA）可以降低90%协议相关功耗，RAM和寄存器保持状态能够在4μs内快速唤醒。该系列MCU产品还具有专利技术LCD控制器，其电荷再分配架构能够在不影响性能的情况下降低约40%显示器功耗。
    此外，片上振荡器使CPU可以运行在任意需要的频率；而如果采用8MHz外部晶体，MCU运行频率必须是8MHz的倍数。出于同样的原因，Silicon Labs允许CPU和USB频率独立设置，而不是固定比例。这种灵活性使系统设计人员能够任意微调CPU频率，提供所需的性能，同时保持最低速度和功耗。

图3.SiM3L1xx亮眼的超低功耗表现。

    Silicon Labs同时还专注于降低系统功耗，因为许多MCU应用是由电池或通过USB规范的受限等级供电。对于开发人员而言，集成多种优势模拟器件，例如振荡器和USB终端，可以缩短信号路径长度和集成外围元器件，从而降低整个系统功耗。
    开发环境——更快更易用、可感知功耗、图形化
    为简化基于Precision32系列产品的嵌入式应用开发，Silicon Labs提供丰富的硬件和软件工具集，包括具有可替换MCU、射频元件和其他子系统的统一开发平台（UDP），可适应各类开发人员的应用需求。
    开发人员能够利用为ARM架构而优化的大量软件和开发工具，包括Keil和IAR工具链。为了加速开发和在MCU平台间进行代码移植，Silicon Labs同时提供Cortex单片机软件接口标准（CMSIS）兼容代码。通用外设ARM软件接口可以让外设驱动重新使用，简化与其他基于ARM的单片机间进行代码移植工作。
    Silicon Labs UDP硬件工具包括经济型SiM3U1xx-B-DK和SiM3C1xx-B-DK开发套件。增强型SiM3U1xx-B-EDk和SiM3C1xx-B-EDK

开发套件，含有I/O扩展卡和额外的演示功能，旨在提升开发体验。
    作为Silicon Labs国内的最大代理商之一，世强最近正在开展Silicon Labs MCU开发工具独家促销活动，世强的XXX透露：“活动期间，这三个产品系列的MCU开发套件不但都有优惠，前100位购买者还送价值300元的蓝牙音箱！”欲了解详情请点击：

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图4：Precision32完整的工具包缩短上市时间。

    此外，Precision32开发工具还具有可感知功耗的特性， Silicon Labs免费的基于Eclipse IDE和AppBuilder软件集成全新的功耗估算和配置向导能力，此功能是首款专为获得系统最低功耗而设计。
    功耗估算器为总电源电流消耗和外设电流消耗提供图形化视图。每个外设的原始电流值清楚显示当前的电能消耗量，并通过饼形图显示出每个外围装置的功耗使用状况所占总功耗百分比。功耗估算器在配置改变时可自动更新，让设计人员可以优化每种模式，以获得最低功耗。
    电源提示标签可提供软件配置指导，帮助开发人员最大限度减少电流消耗。当光标悬停在某个可配置设置上时，该功能自动出现在AppBuilder中。在配置MCU时能同时看到电源优化提示标签的功能特性，可大大节省开发时间。
    全系列型号满足不同应用需求
    Precision32芯片能够很好的满足多种终端应用。例如，SiM3Uxxx系列强调的是高集成度（功耗特性也不错），非常适合条形码扫描仪、读卡器和其他外围设备需要高集成度USB接口的场合。并且其6mm封装将有助于满足10Gbps光收发器对外形尺寸的需求。
    对于工业用途，在电机控制和监测中，MCU所具备的5V兼容输入和高驱动输出格外有用。例如SiM3Cxxx系列具备的1个6路PWM输出，加上2个2路的PWM输出，是LED调光控制系统的理想选择。
    而SiM3Lxxx的主打特性是超低功耗。非常适用于需要高性能、低功耗、小封装的应用场合，如：
   物联网的无线终端设备；
   水表、气表、热表等；
   安全、能源管理终端；
   智能楼宇/家居
    此外，SiM3Lxxx带有低功耗的LCD接口，能够降低40%的显示功耗并且封装也很小，这使其成为电池供电的LCD应用（便携医疗；摇控、无线设备；手持终端；智能家居；表计类（水表、气表））的理想选择。

    图3列出Silicon Labs Precision32全系列MCU的型号供参考，总有一款适合你！

图5. Silicon Labs的Precision32全系列MCU的型号。

    世强的张园根总结道：“功耗上接近甚至优于8位MCU，性能上却强大很多，加之Precision32系列独创的Crossbar架构使得Precision32系列MCU成为替换8位市场的首选32位MCU。此外，收购Energy Micro，将使Silicon Labs的32位MCU产品扩展到250种，未来前景广阔。”