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摘要：32位MCU可提供更高的计算性能和存储器、低功耗、集成的连接性和软件支持，满足复杂电机控制等工业应用需要。
关键词：微控制器；32位；微处理器内核；模拟IP
新一代微控制器
微控制器(MCU)可以连接和控制从洗碗机等基本家用电器到先进丰富媒体消费设备的系统。过去20年，8位器件已经控制了市场，但是，增加了功能水平的范围更广泛的最终用户系统正在推动着从8位和16位器件向基于处理器的32位MCU的过渡，后者的性能和功能是更加先进的应用所必不可少的。
从8位和16位到32位MCU的过渡正在顺利进行。根据Semico Research的预测，到2011年，32位MCU的总出货量将超过20亿个，收入将以18％的年率增长。
随着行业向32位MCU的过渡，设计人员不仅需要增加功能，而且还需要增加各种外设，包括诸如USB和音频编解码器的高性能IP。
利用各种丰富的处理器内核和全面而多样化的验证模拟IP模块库，MIPS科技拥有处理器和外设IP产品组合一可为客户提供用于32位MCU应用的完整的系统解决方案。
8位和16位MCU的局限性
8位和16位MCU非常适用于低端应用。这些应用趋于使用单片电路一需要的是一个单处理器，利用一个简单的核进行控制，只需执行一个简单而特定的任务。这种应用的存储器需求可以利用8位和16位处理器的最大寻址范围。
具备有限的一系列基本外设的8位或16位微控制器的平均销售价格在1至2美元之间，这使之成为了过分要求超低成本和最低性能解决方案的有效选择。
但是，尽管8位和16位MCU仍然适用于低端场合，这些MCU的局限性还是使之无法适合那些要求更加计算密集、功能丰富的性能的应用。这样的局限性包括数据通道宽度、最大寻址范围、相对较低的功率效率、受限的C代码支持和缺乏可用的先进调试开发工具。16位微控制器还会受到缺乏一个主导的标准架构、受限的生态系统支持的影响。
32位MCU的优势
为了说明32位处理器相较于8位处理器的优势，可以来看看一个电机控制设计，这是许多工业和家庭产品中的一种普通应用。
电机的速度和功率是由MCU的脉宽调制器(PWM)电路调节的。8位MCU通常能够测量电机速度，并因此每100 ms修改一次PWM信号。一个运行于相同时钟频率的32位处理器，具有8位MCU四或五倍的速率，有助于改善精度和进行更有效的控制。
因使用32位处理器获得的额外裕量能够使它同时运行其他程序，增加其功能，例如功率因数校正或TCP/IP控制的遥控/诊断任务。
32位处理器可提供改善的计算性能和存储器、低功耗、集成的连接性和软件支持，这是今天许多基于MCU的先进最终产品所必需的。而且，中高端8位或16位MCU的价格也与32位MCU的价格相当。
微控制器系统的开发问题
32位处理器具有满足新一代MCU所需的更高水平的性能和改善的软件支持能力。开发人员面对的挑战是确定哪一个MCU架构可以充分满足设计规范，最大限度地降低系统成本，同时为降低风险和加快上市时间提供所需的工具。
开发人员必须考虑的一个问题是电源管理，尤其是在电池供电的设备、工业控制系统和家用电器设计当中，这些都要求符合最大额定功率标准。动态功耗与CV2F成正比，这意味着功耗是随频率而增加的。随着为实现工作频率使工艺尺寸不断缩小，漏电流量将增加，从而进一步增：加了功耗。
嵌入式闪存占据了MCU芯片的大部分面积，因此，对最终产品成本的影响也最大。为了使软件能够支持实时操作系统(RTOS)、复杂算法代码和网络协议栈，MCU需要嵌入至少256KB的共用闪存，才能满足OEM厂商的产品规范。该MCU架构必须采用可以减少执行该应用所需代码量的设计特点，这样才能减少闪存的数量，进而降低器件成本。
许多电机控制应用中的确定性操作非常关键。对某些32位处理器来说，要实现期望的性能，需要使用复杂的、多路关联式高速缓存(multi-way associative cache)架构和多段流水线来最大限度地实现吞吐量。不过，缓存缺失和流水线停顿可能对产品的实时行为产生不利的影响。这类系统在规定时间内可能需要服务数以百计的中断，以确保自动防故障装置的工作(例如高速机床或车辆制动系统)。因此，很重要的是用于这种类型环境的基于高速缓存的处理器需要采用一种高频流水线架构，它可以有效地处理可能的停顿和异常，而高速缓存设计能够实现很高的命中率。
其他设计不需要这样高的性能，可以不使用高速缓存而在较低的频率下工作，这是一种集成了基于无高速缓存的SRAM设计。
为了最大限度地重复使用和满足不同的应用需求，使用有一个内置高度可配置性和灵活性的标准架构是非常有利的。
根据定义，MCU包含一系列数字和模拟器件。在一般情况下，8位MCU可能采用低成本的0.25um工艺制造，以实现其具体应用所需的性能。过渡到高性能的系统不仅需要采用32位处理器，而且MCU还要采用更精细的0.13um和90nm工艺制造。
微控制器市场与应用概述
工业是MCU器件较大消费者。工业界拥有所有MCU市场中最广泛的最终产品，预计到2010年出货量将超过4亿个。产品范围从用于工厂和家用电器的单功能电机、电源转换器和仪表到更加集成的安全网络系统和医疗设备。
工业产品中的一个普遍趋势是朝着机电一体化类型的系统发展，其中更加智能的电子系统将取代机械系统或加入到机械系统当中。机电应用方面的一个例子是家庭温度自动调节器，这类电子产品可以提供更高水平的可编程能力和精度，最终将降低能源成本。
在一个机电一体化设计中集成MCU可能因增加的功能而改善了其功能性，例如LCD显示器，可以通过如脉宽调制(PWM)技术改进其效率——更精确地控制系统变量，增加更多易于使用的功能并降低成本。它还能够增加设计流程中的灵活性，有助于将相同的硬件应用干各种应用，只需改变软件就可以满足不同产品的需要。
今天，电机控制产品越来越多地生产出来以符合“绿色”能源标准，例如能源之星(Energy Star)，这需要系统具备一种性能和功耗的优化平衡能力。MCU的性能通常是以每MHz的DMIPS(每秒执行百万条Dhrystone指令数)表示的，而功率效率则是以mW/DMIIX3表示的。DMIIX3/MHz等级越高，功率效率也越高，需要实现所需性能的频率也越低。
为了用最低的工作频率实现高DMIPS的性能等级，MIPS科技用于MCU市场的处理器采用了非常有效的微架构，它构建了一个5 段或8段流水线，可以实现高于1.5 MIPs/MHz的性能水平。此外，整数乘/除单元(MDU)可以加速通常用于电机控制软件的数学函数类型。
越来越多的工业设备已经开始利用高速有线和无线网络进行互连，不论是在建筑物外部还是内部。在一个有线网络配置中，系统MCU执行TCP/IP协议栈软件和数据链接固件，以便于数据在网络节点上的传输。在诸如ZigBee或蓝牙的无线连接中，微控制器通过执行复杂的媒介访问控制(MAC)层软件来控制空中接口和基带之间的链接。这些配置中的任何一个都需要具备存储器管理能力的高性能32位处理器，以实现网络的高数据传输率，支持用于这类环境的RTOS。
在网络上传输的数据越敏感，需要的嵌入数据保护安全功能的MCU就越大。作为4K内核系列一部分的MIPS32 4KSd内核，可以通过一个叫做SmartMIPS的特定应用扩展(ASE)提供这种保护能力，它增加了用于算法的密码加速，例如RSA、ECC、DES和AES。
SmartMIPS还包括一个安全存储管理单元(MMU)，它可以加入高速缓存接口，进一步提高所提供的保护水平。增加SmartMIPS扩展只增加了不到10％的内核尺寸，却可以利用软件唯一的实现方法实现高达10倍的性能。
为了提高安全水平，所有MIPS科技的处理器内核都是可合成的，有助于MCU设计人员安排器件的定制布局规划。这可以通过避免值得注意的热点而减少“欺骗”的可能性，这些热点能够帮助发现代码处理(codeactivity)。
医疗设备通常要比其他大多数工业设备具有更高的性能，需要在设备中整合若干复杂的功能和接口。从各种传感器获取的数据需要利用△—∑转换器从模拟转换为数字，并利用数字信号处理(DSP)技术进行处理，该技术通常不用于标准的微控制器。MIPS科技的微控制器有一个包括DSP ASE的选项，它是一系列超过40个DSP中心指令，可以加速常见于医疗设备软件类型的DSP算法：快速傅立叶变换(FFT)和有限(FIR)及无限(IIR)脉冲响应滤波器。
乘法和乘加(MAC)操作构成了许多DSP算法的基础。执行这些指令所需的性能通过一个集成的整数MDU进行加速，该MDU具有仅在两个周期完成32×32乘法或MAC指令的能力，32位宽的SRAM或高速缓存数据接口有助于扩展动态范围和精度。医疗设备还具备局域网和个人区域网通信能力，类似于其他工业设备的能力。
关键词：微控制器；32位；微处理器内核；模拟IP
新一代微控制器
微控制器(MCU)可以连接和控制从洗碗机等基本家用电器到先进丰富媒体消费设备的系统。过去20年，8位器件已经控制了市场，但是，增加了功能水平的范围更广泛的最终用户系统正在推动着从8位和16位器件向基于处理器的32位MCU的过渡，后者的性能和功能是更加先进的应用所必不可少的。
从8位和16位到32位MCU的过渡正在顺利进行。根据Semico Research的预测，到2011年，32位MCU的总出货量将超过20亿个，收入将以18％的年率增长。
随着行业向32位MCU的过渡，设计人员不仅需要增加功能，而且还需要增加各种外设，包括诸如USB和音频编解码器的高性能IP。
利用各种丰富的处理器内核和全面而多样化的验证模拟IP模块库，MIPS科技拥有处理器和外设IP产品组合一可为客户提供用于32位MCU应用的完整的系统解决方案。
8位和16位MCU的局限性
8位和16位MCU非常适用于低端应用。这些应用趋于使用单片电路一需要的是一个单处理器，利用一个简单的核进行控制，只需执行一个简单而特定的任务。这种应用的存储器需求可以利用8位和16位处理器的最大寻址范围。
具备有限的一系列基本外设的8位或16位微控制器的平均销售价格在1至2美元之间，这使之成为了过分要求超低成本和最低性能解决方案的有效选择。
但是，尽管8位和16位MCU仍然适用于低端场合，这些MCU的局限性还是使之无法适合那些要求更加计算密集、功能丰富的性能的应用。这样的局限性包括数据通道宽度、最大寻址范围、相对较低的功率效率、受限的C代码支持和缺乏可用的先进调试开发工具。16位微控制器还会受到缺乏一个主导的标准架构、受限的生态系统支持的影响。
32位MCU的优势
为了说明32位处理器相较于8位处理器的优势，可以来看看一个电机控制设计，这是许多工业和家庭产品中的一种普通应用。
电机的速度和功率是由MCU的脉宽调制器(PWM)电路调节的。8位MCU通常能够测量电机速度，并因此每100 ms修改一次PWM信号。一个运行于相同时钟频率的32位处理器，具有8位MCU四或五倍的速率，有助于改善精度和进行更有效的控制。
因使用32位处理器获得的额外裕量能够使它同时运行其他程序，增加其功能，例如功率因数校正或TCP/IP控制的遥控/诊断任务。
32位处理器可提供改善的计算性能和存储器、低功耗、集成的连接性和软件支持，这是今天许多基于MCU的先进最终产品所必需的。而且，中高端8位或16位MCU的价格也与32位MCU的价格相当。
微控制器系统的开发问题
32位处理器具有满足新一代MCU所需的更高水平的性能和改善的软件支持能力。开发人员面对的挑战是确定哪一个MCU架构可以充分满足设计规范，最大限度地降低系统成本，同时为降低风险和加快上市时间提供所需的工具。
开发人员必须考虑的一个问题是电源管理，尤其是在电池供电的设备、工业控制系统和家用电器设计当中，这些都要求符合最大额定功率标准。动态功耗与CV2F成正比，这意味着功耗是随频率而增加的。随着为实现工作频率使工艺尺寸不断缩小，漏电流量将增加，从而进一步增：加了功耗。
嵌入式闪存占据了MCU芯片的大部分面积，因此，对最终产品成本的影响也最大。为了使软件能够支持实时操作系统(RTOS)、复杂算法代码和网络协议栈，MCU需要嵌入至少256KB的共用闪存，才能满足OEM厂商的产品规范。该MCU架构必须采用可以减少执行该应用所需代码量的设计特点，这样才能减少闪存的数量，进而降低器件成本。
许多电机控制应用中的确定性操作非常关键。对某些32位处理器来说，要实现期望的性能，需要使用复杂的、多路关联式高速缓存(multi-way associative cache)架构和多段流水线来最大限度地实现吞吐量。不过，缓存缺失和流水线停顿可能对产品的实时行为产生不利的影响。这类系统在规定时间内可能需要服务数以百计的中断，以确保自动防故障装置的工作(例如高速机床或车辆制动系统)。因此，很重要的是用于这种类型环境的基于高速缓存的处理器需要采用一种高频流水线架构，它可以有效地处理可能的停顿和异常，而高速缓存设计能够实现很高的命中率。
其他设计不需要这样高的性能，可以不使用高速缓存而在较低的频率下工作，这是一种集成了基于无高速缓存的SRAM设计。
为了最大限度地重复使用和满足不同的应用需求，使用有一个内置高度可配置性和灵活性的标准架构是非常有利的。
根据定义，MCU包含一系列数字和模拟器件。在一般情况下，8位MCU可能采用低成本的0.25um工艺制造，以实现其具体应用所需的性能。过渡到高性能的系统不仅需要采用32位处理器，而且MCU还要采用更精细的0.13um和90nm工艺制造。
微控制器市场与应用概述
工业是MCU器件较大消费者。工业界拥有所有MCU市场中最广泛的最终产品，预计到2010年出货量将超过4亿个。产品范围从用于工厂和家用电器的单功能电机、电源转换器和仪表到更加集成的安全网络系统和医疗设备。
工业产品中的一个普遍趋势是朝着机电一体化类型的系统发展，其中更加智能的电子系统将取代机械系统或加入到机械系统当中。机电应用方面的一个例子是家庭温度自动调节器，这类电子产品可以提供更高水平的可编程能力和精度，最终将降低能源成本。
在一个机电一体化设计中集成MCU可能因增加的功能而改善了其功能性，例如LCD显示器，可以通过如脉宽调制(PWM)技术改进其效率——更精确地控制系统变量，增加更多易于使用的功能并降低成本。它还能够增加设计流程中的灵活性，有助于将相同的硬件应用干各种应用，只需改变软件就可以满足不同产品的需要。
今天，电机控制产品越来越多地生产出来以符合“绿色”能源标准，例如能源之星(Energy Star)，这需要系统具备一种性能和功耗的优化平衡能力。MCU的性能通常是以每MHz的DMIPS(每秒执行百万条Dhrystone指令数)表示的，而功率效率则是以mW/DMIIX3表示的。DMIIX3/MHz等级越高，功率效率也越高，需要实现所需性能的频率也越低。
为了用最低的工作频率实现高DMIPS的性能等级，MIPS科技用于MCU市场的处理器采用了非常有效的微架构，它构建了一个5 段或8段流水线，可以实现高于1.5 MIPs/MHz的性能水平。此外，整数乘/除单元(MDU)可以加速通常用于电机控制软件的数学函数类型。
越来越多的工业设备已经开始利用高速有线和无线网络进行互连，不论是在建筑物外部还是内部。在一个有线网络配置中，系统MCU执行TCP/IP协议栈软件和数据链接固件，以便于数据在网络节点上的传输。在诸如ZigBee或蓝牙的无线连接中，微控制器通过执行复杂的媒介访问控制(MAC)层软件来控制空中接口和基带之间的链接。这些配置中的任何一个都需要具备存储器管理能力的高性能32位处理器，以实现网络的高数据传输率，支持用于这类环境的RTOS。
在网络上传输的数据越敏感，需要的嵌入数据保护安全功能的MCU就越大。作为4K内核系列一部分的MIPS32 4KSd内核，可以通过一个叫做SmartMIPS的特定应用扩展(ASE)提供这种保护能力，它增加了用于算法的密码加速，例如RSA、ECC、DES和AES。
SmartMIPS还包括一个安全存储管理单元(MMU)，它可以加入高速缓存接口，进一步提高所提供的保护水平。增加SmartMIPS扩展只增加了不到10％的内核尺寸，却可以利用软件唯一的实现方法实现高达10倍的性能。
为了提高安全水平，所有MIPS科技的处理器内核都是可合成的，有助于MCU设计人员安排器件的定制布局规划。这可以通过避免值得注意的热点而减少“欺骗”的可能性，这些热点能够帮助发现代码处理(codeactivity)。
医疗设备通常要比其他大多数工业设备具有更高的性能，需要在设备中整合若干复杂的功能和接口。从各种传感器获取的数据需要利用△—∑转换器从模拟转换为数字，并利用数字信号处理(DSP)技术进行处理，该技术通常不用于标准的微控制器。MIPS科技的微控制器有一个包括DSP ASE的选项，它是一系列超过40个DSP中心指令，可以加速常见于医疗设备软件类型的DSP算法：快速傅立叶变换(FFT)和有限(FIR)及无限(IIR)脉冲响应滤波器。
乘法和乘加(MAC)操作构成了许多DSP算法的基础。执行这些指令所需的性能通过一个集成的整数MDU进行加速，该MDU具有仅在两个周期完成32×32乘法或MAC指令的能力，32位宽的SRAM或高速缓存数据接口有助于扩展动态范围和精度。医疗设备还具备局域网和个人区域网通信能力，类似于其他工业设备的能力。