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32位元MCU應用趨勢
大廠角逐的新戰場

【作者: 葉奕緯】   2018年02月13日 星期二

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MCU可以類比為一台弱化的筆記型電腦,它的記憶體偏低,運算能力弱,就連體積也小,但也相對便宜、功耗低,可以應用於僅需簡單功能的設備上。在一般的住家和工廠都能看見它的蹤影,如LED燈具、自動化機台等。


MCU是將電腦的記憶、控制、算術邏輯、輸入、輸出單元與常用周邊功能(如ADC、USART、I2C、SPI、TIMER、WDT)整合進一顆晶片中,如今的MCU為了能更好串聯各個裝置,實現物聯網時代的需求,因此搭配了多顆內核,且具備更大的儲存容量,以及更多元的功能。


MCU從8位元開始,一路發展成16、32位元,如今32位元MCU的發展也已屆成熟,並被廣泛應於在物聯網(IoT)、工業、嵌入式應用、汽車、消費性電子與通訊等領域,成為市場主流。


儘管32位元MCU的發展潛力巨大,但8位元與16位元MCU在成本、功耗上,仍具有一定的優勢,目前多數的冰箱、洗衣機、烘乾機仍使用8位元MCU;車載的車窗、門鎖、後照鏡與車內照明,以及智慧卡、低階馬達也多由8位MCU來控制。8位元MCU在滿足需求後,其處理器穩定性也就越強,產品的安全維護也更容易。


而16位元MCU則多用在數位相機、馬達控制、車用電子、醫療電子上,當前的新興領域如智慧型手機、醫療電子用品、穿戴式電子裝置、無人車,因為需要更龐大的運算功能、電池的續航力,才會需要用到32位元MCU。


從物聯網終端產品的角度看來,MCU極可能成為主要的控制器,以提供低功耗,無線連接與支援人機介面功能。而從物聯網主機角度看來,MCU扮演與主控MPU溝通的角色,並整合了無線連接技術,扮演無線互聯不同設備的角色。此外,因整合觸控及語音驅動功能,未來也將提供設備端的人機介面。


各廠多採ARM Cortex設計

MCU眾多功能是在出廠前就設計好,工程師只需用軟體將功能實現,不必自己從無到有地創造。除少數廠商以自家架構開發產品,或採用美普思(MIPS)架構外,多數廠商如新唐科技、德州儀器、飛思卡爾、愛特梅爾、意法半導體、恩智浦等一線微控制器廠商都選擇授權ARM Cortex的核心。


以MCU常用的架構ARM Cortex-M來說,依照市場需求區隔成M0至M4與M7的等級,Cortex-M0主打初階8/16位元應用,Cortex-M3主打中階的16/32位元應用,Cortex-M4則支持所有Cortex-M3的所有功能,並額外支持各種面向DSP應用的指令,以及可選的單精度浮點運算指令,包括管線與程式開發模式。Cortex-M7則主打旗艦級的高階自動化生產與IoT應用,並增加可選的雙精度浮點數據處理指令,M4/M7的最高時脈頻率可達400MHz。


Cortex-M系列處理器指令集的特性是可以向上兼容。Cortex-M3的指令是Cortex-M0//M1的超集。所以運行在Cortex-M0/M1上的二進位文件可以直接運行在Cortex-M3上。同樣的原理也適用於Cortex-M4/M7上。


Cortex-M系列廣受廠商歡迎,難免造成各家產品相似度高的疑慮,然而ARM的客戶也深知此點,因此透過支援不同的周邊設計,與強化產品特性來提高差異化。


目前根據研究機構IC Insights的報告來看,目前MCU前三名的供應商分別為恩智浦(NXP)、瑞薩電子(Renesas Electronics)與微芯科技(Microchip Technology),緊接著的則是三星、意法半導體(ST)、英飛凌(Infineon)。


MCU大廠如何找出利基?

=NXP=

NXP在2015年收購全球第二大MCU供應商後,取代日商Renesas並躍升為全球最大的MCU供應商,全球市佔率達19%,其所開發的32位元MCU,多數採用ARM的Cortex-M處理器核心。包括ARM Cortex M0+、M4以及M7。


目前NXP主要搭載於馬達電機控制、電力控制、人機介面(HMI)、穿戴式裝置、無線充電以及物聯網設備,恩智浦半導體大中華區微處理器及微控制器產品行銷經理黃健洲表示,目前恩智浦的32-bit MCU多數採用130、90奈米製程,為能達到更低功耗,符合即時作業系統,以及RF/NVM/混合訊號的整合,未來可能走向90、40奈米製程。


NXP也推出了i.MX RT跨界應用處理器,結合Cortex-M及Cortex-A晶片的性能,兼具低成本與高效能。i.MX RT系列在FreeRTOS中便於使用,且有生態系統支援包含MCUXpresso IDE、SDK和組態工具。Keil和IAR亦是生態系統中的支援工具。


另外i.MX RT1050的核心是使用Cortex-M7處理器內核,對NXP而言是一個全新的CPU設計。此CPU運行的頻率高達600 MHz。在I/O前端,晶片擁有10/100 乙太網,具有USB OTG、PHY、CAN、SPI、I2C、UARTs和其他熟悉序列介面。


=ST=

意法半導體(STMicroelectronics,簡稱ST)推出的STM32H7系列的MCU晶片,是ST在市面上的新產品線,目前ST的產品線已擴增到10大系列,共有700款以上的型號在市面上販售,目前被大量應用於智慧醫療、消費性電子、工業控制、穿戴式裝置等領域。


而STM32系列MCU累積出貨量已突破20億顆,服務超過4萬家系統設計與整合應用的客戶,並成為全球32位元微控制器主要供應商。


STM32H7系列的MCU晶片採用40奈米的半導體先進製程,使用ARM的Cortex-M7的核心,時脈可達400MHz,使用在工業閘道器、家庭自動化設備、智慧型消費性電子產品,以及高性能的馬達控制、豐富顯示螢幕的智慧型家電產品。


ST有完整的開發平台,以STM32H7系列為例,硬體開發工具就包含專用評估板、Nucleo開發板和功能探索硬體套件,軟體則包含STM32CubeMX軟體開發平台,具備程式碼產生器,以及功率消耗計算工具,支援Windows、Linux和mac OS作業系統下的開發工作,簡化系統開發的工作。


=盛群=

盛群32位元MCU新品以ARM Cortex M0+/M3系列為主,其中M0+(HT32F5系列)強調高C/P值與高能源效率,M3(HT32F1/HT32F2系列)則訴求高性能與多功能。兩系列適用於智慧家電、物聯網、穿戴式裝置和智能玩具等產品。


M0+的系列提供的5V電壓新品,客戶能直接採用於家電設計,Flash容量也提供16K至128K的範圍選擇。


盛群也發表一款與Semtech合作的內建LoRa技術的智慧火災警報模組,此智慧防火警報模組內建Semtech的LoRa技術和Holtek新推出的煙霧偵測MCU,包含報警器和主控制器兩部分。主控制器以Holtek M0+ MCU監測器進行煙霧偵測並搭配LoRa技術實現遠距離通訊。


此外,盛群於也推出兩款USB Type-C PD(Power Delivery)快充產品──HT32FP2350與HT32FP2450兩款專用MCU,達成PD 3.0通訊,可應用於PD快充產品上。


未來在MCU的應用面也將越來越廣,包括無線連接、居家設備/家電、馬達電機控制、無線充電以及語音驅動等都會有更多元的擴充應用,屆時在萬物聯網的時代,大家對MCU這顆處理器也將有更廣泛的使用體驗。


刊頭圖來源:(source: tech-on1.blogspot.com)


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