16位MCU攻略

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  16位单片机(微控制器,MCU)一向是一个颇有争议的产品地带:往高走有32位MCU一大批厂商及其丰富的产品线顶着,向下游更有五花八门的8位单片机世界窥视着。因此,四、五年前,业内流行着这样一种看法:16位单片机是8位与32位微控制器之间的灰色地带,除了汽车等利基市场外,少有发展机会了。几年过去了,16位单片机市场到底如何?
  
  市场稳中有升
  
  许多16位厂商认为16位单片机有其独特的市场定位,市场规模不会缩小,是不可取代的,16位MCU只会平稳的增长。
  “根据瑞萨的预测,中国的16位、32位MCU的年增长率都在10%以上”。瑞萨科技(北京)有限公司北京技术中心总经理常清璞认为。但是世界单片机市场增长略低(如图1)。
  根据Strategy Analysis的最新研究报告,16位MCU未来5年的年均复合增长率达到28%。富士通公司MCU产品经理丁洁早分析道,从富士通微电子的经验看来,8位有统占低端市场的趋势。在部分中高端市场,32位MCU会采取降价的策略抢占一部分16位MCU的市场,但受制于其成本的因素,在总体上,不可能做到像16位MCU一样的性价比。因此可以相信,16位MCU以其出色的性价比,在汽车电子、工业控制领域将会有更大作为,比如汽车的动力系统、组合仪表板、空调系统以及车身模块,基本都是采用16位MCU进行设计。8位MCU由于技术门槛不是太高,加上低端市场的巨大规模,当然是几乎每一家MCU公司的必备产品线。32位MCU由于引入开放式ARM架构,降低了竞争者的准入门槛,而且市场的应用得以不断的拓展,所以未来也充满了很多的机会。
  


  Freescale也十分赞同16位单片机在汽车领域地位稳定。Freescale半导体中国区汽车电子工程经理康晓敦说:“由于需要较长的开发周期和较长的产品生存周期,在汽车电子领域16位单片机市场不可替代。因为16位MCU可以覆盖一部分32位MCU和8位MCU的市场,而且其开发过程比32位要简单,也不比8位难多少。这样在汽车电子供应商开发平台性项目,或利用共享资源开发多个项目时,16位MCU因其覆盖面较广,就会有相对大的空间。
  可见,随着8位MCU性能越来越高,32位MCU成本不断下降,MCU市场不再泾渭分明,而是体现出相互覆盖,相互渗透的趋势。16位单片机成为了8和32位之间的灰色地带。有厂家认为灰色地带越来越窄,但是也有厂家专门挖掘这块灰色地带,使它越来越宽。TI MSP430中国区业务拓展经理刁勇认为,“由于16位单片机与其它位数产品的界限越来越模糊了,因此,为16位MCU伸缩拓展带了机遇。”TI的微控制器产品线只有16位的MSP430,刁勇对16位MCU的市场成长抱非常乐观的态度。事实上,许多MCU市场不是靠总线位宽唯一决定的,在很多应用场合总线位宽都不是重要的考虑因素。MCU的功耗、片上集成的模拟和数字外设以及开发易用性等因素成为决定MCU应用的重要考虑。传统的16位MCU在追求位宽和速度的同时,牺牲了功耗,开发手段复杂,因此限制了16位MCU的应用。如果16位MCU能够解决功耗问题,集成丰富的模拟和数字外设和实现开发的易用性,16位MCU除了可以固守原有的市场应用外,还可以在一些市场领域和8位MCU甚至32位MCU竞争。
  由于产品线的细分,大部分有16位单片机的厂家也有8位和32位产品。这样可以帮助各种层次客户选择最适合他们系统要求的MCU类别,使得客户的产品与他们的竞争对手相比,保持最大竞争力,又做到充分差异化。例如,富士通的8位、16位和32位MCU保持基本指令的兼容性,客户如果要从8位MCU升级到16位MCU平台,只需修改少量的代码。
  
  为何玩家数量有限?
  与8位、32位参与者众多不同,16位单片机厂商数量屈指可数。原因可能是少数几个大厂家在此市场较为成功,居垄断地位,因此其他厂家介入较难,因此干脆依靠ARM核直接跳到了32位单片机市场。例如,瑞萨科技(北京)有限公司北京技术中心总经理常清璞说:“瑞萨的16位单片机营业额占40%的市场份额。”因此,瑞萨、Infineon、TI等16位MCU占其嵌入式业务主流的公司在此领域称霸多年。
  不过,也有勇于向垄断挑战的斗士。例如Microchip公司在8位MCU市场取得了世界营业额桂冠后,在2005年10月宣布进军16位单片机市场,2006年上半年16位单片机批量上市,当时该公司CEO Steve Sanghi来访北京时,曾说十分看好16位单片机的定位,认为是8位和32位无法取代的,尤其在16位单片机的基础上发展用于电机控制的DSC(数字信号控制器)。值得一提的是,Microchip 2007年11月8日才宣布进军32位单片机市场,可见Microchip把16位单片机的发展规划为该公司称雄嵌入式世界的战略步骤之一。不过,务实的Microchip单片机把位数提高绝不是跟风走、随大流,执行副总裁GaneshMoorthy说,Microchip的新芯片首先是满足该公司客户的需要,然后才是向外拓展。在拓展方面,Microchip看到每年从中国毕业的工科学生的数量巨大,认为这是非常巨大的潜在设计资源,因此今年该公司与本刊(《电子产品世界》)联合举办“Microchip 2007~08年度16位嵌入式控制设计大奖赛”,可见Microchip公司对发展16位单片机的坚定信心。
  然而,有着雄厚32位处理器实力的Freescale却认为16位的空间较窄。因为随着32位MCU的价格不断走低和一些8位MCU变得更加强大,16位MCU的空间已缩小到一些独特的市场,包括汽车、存储、数码相机、摄像机等。8位产品的易用性和低成本在市场极具吸引力,而16位需要更大的处理功率和存储空间,以及更大的引脚。Freescale用于控制的Coldfire系列在16位、32位的架构都有,但Coldfile在32位的发展越来越好。另外,该公司去年夏天推出的Flexis单片机,也是8位和32位之间软件和引脚兼容。
  
  16位单片机的技术趋势
  
  与8、32位无缝移植。随着产品升级换代的需求,工程师需要轻松地从初级MCU移植到16位,或者16位向更高端的MCU移植。
  网络化。Freescale的康晓敦说,针对汽车电子网络化的发展要求,需要开发更强大的用于不同网络的MCU。
  制程和性能提高。富士通的丁洁早指出:16位MCU主要面向中高端市场,未来会不断地采用更高更先进的制程技术,CPU处理能力也越来越高,同时功耗和成本都可以不断 的降低。所以,从某种程度上来说,也许未来的16位MCU也可能会抢占一部分8位MCU的高端市场,同时与32位MCU不断拉开价格差距。
  可向传统8位市场延伸。TI的刁勇说,正如我们所知,MCU的市场应用不是靠总线位宽唯一决定的。MCU的功耗、片上集成的模拟和数字外设以及开发易用性等因素成为决定MCU应用的其他重要考虑。所以16位MCU如果能够实现低功耗乃至超低功耗、集成丰富的模拟和数字外设和实现开发的易用性,16位MCU可在传统的8位市场应用(比如防窃电表、水表、热表、消防探头和有源RFID)成为客户的首选,并在越来越多的创新领域(比如数字式安装仪表和便携式的家用医疗仪器)得到广泛的应用,未来的应用前景十分乐观。
  
  三大主流应用
  Microchip大中华区资深应用工程师经理夏宇红总结道,当前中国市场拉动16位MCU的需求主要有:
  消费电子。中国在消费电子生产和销售有着举足轻重的地位,但庞大的传统家电产业随着生产技术和市场的成熟和老化,利润空间已逐渐萎缩。家电厂商都将重点放在新型家电产品的研发和市场培育,如变频空调、节能冰箱、网络家电、智能家居等,传统的8位MCU已不能适应这些产品的发展,而32位MCU的芯片成本和开发成本也不适合这个应用,16位MCU正好处于二者之间,较好地迎合了这些产品的需求。此外,方兴未艾的数字消费类电子也是16位MCU的巨大推动力,如机顶盒、手机、PDA、便携式媒体播放器等等,这些产品有着换代周期短、消费人群多、对MCU性能要求高等特点,也是16位MCU的主战场。
  汽车电子。32位MCU主要见于汽车信息系统中,8/16位才是汽车电子的主流,其中16位MCU由于其固有的一些优势,如高速数据处理(16位),灵活的外围接口(CAN,LIN)、高速外设(A/D,PWM)等,在汽车电子上的应用前景优于8位MCU。
  工业控制领域。比如变频器、数控机床、热工仪表、自动控制应用。这些工控场合对速度要求低于对可靠性的要求,16MCU由于系统大小适中,实时性好,非常适合应用于这个领域。
  
  各家产品优势
  Inflneon
  Infineon微控制器高级总监石敬岩指出,一个新的好平台,即便芯片成本降低20%,转换平台仍需很大的决心。这是因为工业企业的客户多为中小型企业,在中国很多企业的主要软件设计人员是公司的高管,既要管理企业又要进行产品设计,因此软件平台的转换(需要消耗1~2人年)不仅包括通常的软件开发成本,有时还包括很高的管理者时间成本。因此,在转换平台时努力将研发成本减少1人年以上成为公司的目标。核心和外设的一致性可以减轻客户的研发负担,同时需要为客户提供整套的工具套件。
  针对电机控制领域,Infineon走了两条路线:8位和16位,并且提供解决方案配套,芯片均为该公司的单片机和功率器件。今年初推出的XE166系列是适用于工业应用的16位实时信号控制器。xE166结合了C166和XC166的优势,提高了实时性;除此之外,嵌入了稳压器、振荡器等,实现了更高的集成度;另外,内核速度更快,最高达80MIPS,集成了DSP单元;还有内存容量更大,目前最高可达768kB闪存,针对电机驱动,具有同步双ADC和4个PWM单元。在上市时间方面,由于兼容C166代码,产品开发时间缩短。
  
  富士通微电子
  富士通既有的16LX产品,在变频家电、汽车电子、工业控制领域取得了较高的市场地位,某些应用领域的市场份额甚至高达80%。富士通最近正式推出了新的16FX产品系列,全部采用0.18um的工艺制程,大干21MIPS的CPU处理性能,集成2通道CAN总线,支持更多新型通讯接口,主要面向汽车电子和工业控制市场应用。新的16FX相比以前的16LX,性能提高5倍,而价格基本保持相同。
  Freescale
  Freescale的S12X系列16位微控制器带有一个功能强大的XGATE协处理器,能够分担CPU的很大一部分计算机密集型操作。这种多功能、高效的协处理器专门用来处理中断事件而无需CPU的干预。XGATE以比CPU的时钟速度高两倍的速度从随机访问存储器(RAM)中运行,可以减轻CPU执行耗时的中断处理操作的压力,使它能专注于与应用有关的工作中。
  带有XGATE的16位MCU已经在市场上获得了广泛的好评。这种16位MCU以其上能具有接近与32位MCU的性能,下有近乎于8位MCU的价格,在从动力总成控制到车身控制的几乎所有汽车电子中使用,如中低档动力总成控制、安全气囊、ABS控制、车身网关等。
  TI
  最近几年,MSP430在全球每年的业绩成长都超过50%。主要在仪器仪表、工业控制、医疗仪器、无线/射频和计算机周边等领域得到广泛的应用。TI未来关注的焦点方向有MSP430FE42X在单芯片防窃电电表方面的应用,以及MSP430FGXXX系列在便携式个人医疗仪器上的应用。
  MSP430主要的优势是超低功耗架构,针对电池供电的应用可大幅延长电池寿命,例如RAM保持模式仅消耗0.1uA;实时时钟模式仅消耗0.8uA;工作模式仅消耗250uA/MIPS。除此之外,还有丰富的模拟/智能外设集成,具有超过100种器件,另外还采用16位RISC CPU以更精简的代码支持各种应用等特点。
  
  Microchip
  Microchip有dsPIC系列、PIC24F和PIC24H系列。特点是高、中、低各个系列齐头并进,型号齐全,为用户提供优化选择。这些产品从内核到外设兼容性良好、使用共同的开发环境,最大化客户开发效率。
  Microchip 16位开发工具的配套较好、兼容性高、开发风险小。仿真工具(MPLAB-IDE)、开发工具(PM3、ICD2、REALICE)、产品文档、应用笔记、编译工具(C30、汇编器)、开发板(以太网、语音处理、通用板)、库函数(DSP库、外设库等)等都随着新产品的发布同步到位。
  针对不同市场,Microchip 16位系列分为通用系列、传感器系列、数字电源SMPS系列、电机控制系列等。
  
  瑞萨
  瑞萨科技宣布09年上半年将要推出一个创新的新型CISC(复杂指令集计算机)CPU架构设计,是32位为基础,有两个系列、两个发展方向,以低功耗为主的方向是以16位架构为主,高性能的以32位架构为主。新系列出来后,将对原有的32位和16位单片机系列有替代关系,如M16C、H8S、R32C和H8Sx系列。
  新型RX架构实现了一些重要特性,可以充分满足公司如下目标:
  高工作频率:200MHz
  处理性能(MIPS/MHz):1.25 MIPS/MHz(Dhrystone v2.1基准)
  高代码效率:与现有产品相比目标代码量减少了30%,
  低功耗:0.03 mA/MHz。
  兼容性和可扩展性。为了向客户提供更高性能的MCU或其他可兼容器件的无缝升级路径,瑞萨计划为所有采用RX架构的器件提供一整套开发工具。新的工具链有望简化系统设计和应用代码的移植,因此客户可以用更少的时间完成新产品的开发。新的工具链包括一个可保证代码复用的C编译器,从而保护了客户在H8和M16C系列上的投资。
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