嵌入式应用对微处理器的需求

嵌入式产品的生产商总是期待能使自己的产品成本更低、更快地走向市场的微处理器解决方案.高性价比、高集成度、高度灵活的微处理器能帮助终端产品在性能、竞争日益激烈的市场环境中脱颖而出.

更高的集成度

高集成度不仅意味着有更丰富的功能、更小的封装尺寸,还能有效地降低系统功耗,简化工程师的设计.随着对集成度更高的要求,微处理器片上不但要集成高性能内核、大容量内存、大量灵活的I／O和外设接口,还可能要有加密、定时和系统保护等高级功能模块.例如,看门狗电路能够让器件识别跑飞代码并复位处理器,从而避免锁死状态加增速单元(CAU)可支持DES、AES、MD5和SHA-1等加密算法.

以Freescale的ColdFire系列32位微处理器为例,其100％的模块化架构更易于与存储器、系统模块和通信外设相集成,有效提高了芯片的集成度,且更容易适应新的加工工艺.如图1所示,最新推出的基于ColdFireVl内核的MCF51JMl28除了集成16KBSRAM,还有高达128KB的片上闪存,使用户在各种实际环境中都可以充分利用在线编程功能.有效地利用片上存储器能使工程师不需要再用损失性能的代价,去换取更低的系统成本.

更丰富的外设

根据系统的性能需求,USB、PC和SPI接口等外设都已能够集成于单芯片之上.例如,针对工业自动化和控制应用的微处理器需要集成控制器局域网(CAN)模块,而对于寻求灵活的USB连接的开发人员,集成的USB控制器大大简化了设计复杂度.以MCF51JMl28为例,它具有一个集成的USB控制器,支持USB2.0全速主机、设备和On-The-Go(OTG)的配置,可以让各种应用实现通用的、经济型即插即用连接.

更低的功耗

对于电池供电的便携产品,电池使用寿命是设计者和用户共同关注的指标.因此,能在产品设计阶段就对电池使用寿命了如指掌将给工程师带来极大的便利.Freescale的电池功耗计算器就提供了这样的功能.这一工具能够通过设置工作环境、电池型号、运行周期和其他相关参数,计算出电池的使用寿命,如图2所示.

包括微处理器在内,所有电子元器件都不断追求进一步降低功耗,不仅仅是针对电池寿命要求越来越长的便携市场,工业产品和白色家电等应用的功耗要求也越来越苛刻.微处理器由于本身耗电,又控制着系统中其他组件的功耗,所以在实现低功耗设计的过程中扮演着重要的角色.

以MCF51JMl28为例,它共有四种低功耗模式,能在低功耗的状态下继续执行采样功能,有助于降低系统总功耗.如表1所示,Flexis系列的首款产品QE128(MC9SO8QE128和MCF51QEl28)除了正常工作模式还有以下五种节能模式.

与普通运行模式相比,低功耗运行模式将稳压器设置为待机状态,从而节省更多的电能.

在等待模式下,处理器(CPU)将关闭.等待模式根据总线频率的不同可以比运行模式节省30％～60％的电流.总线频率越高,电能节省的幅度就越大.

用户只能由低功耗运行模式进入低功耗等待模式,与低功耗运行相比,低功耗等待一般可以节省50％的电流消耗.

停止3模式将系统时钟终止,并将稳压器置为等待状态.

停止2模式是QE128耗能最低的模式,该模式将中断系统时钟,并使稳压器断电.

更强大的软件和开发工具支持

除了上述几种需求,强大的软件和开发工具支持将带给工程师极大的自由度和更多样的手段.充分利用编译器、汇编器、连接器、调试器、代码转换器、仿真器和评估测试工具的支持,不但能有效缩短产品的设计周期,使其更快速的进入市场,还能够使最终产品更有特色.

FlexisJM系列的两种评估工具套件可有效简化设计流程.经济型的DEMOJM演示套件配有8位或32位的FlexisJM子板,使开发人员体验真正的8位到32位的兼容性.

更高的兼容性

使用相同的外设和开发工具能够实现最终的移植灵活性.多种器件之间引脚对引脚的兼容性保证了微处理器之间可以在不需重新设计电路板的条件下实现互换,工程师无须再将宝贵的资源耗费在重新设计上,外设的兼容性也使得在产品转移的过程中可以重复使用软件.

以Freescale的微处理器为例,从入门级的RS08到最高性能的ColdFireV4,控制器统一结构系列为上下兼容移植提供了简单的路径.Flexis系列的推出更是实现了8位和32位微处理器间简单方便的移植,单一开发工具和相同的外设也节省了8位和32位之间的软件投资,并且引脚兼容使得在8位和32位之间互换时,最大可能地实现了硬件的重复使用,如图3所示.

以新推出的FlexisJM系列为例,它包括32位的MCF51JMl28(ColdFireV1内核)和8位的MC9S08JM60(S08内核),它们的软件和引脚都是兼容的,设计人员能够快速轻松地从简单的8位设计移植到需要32位性能的更复杂的应用设计上去.此外,由于V1内核是V2内核的简化版本,保留了ColdFire内核微架构所共用的寻址模式和指令定义,一旦从S08架构转换到V1内核,就有机会进一步沿性能路线图向上移植到其他所有的ColdFire内核(V2～V4).

除了对集成度、外设、功耗、软件和开发工具以及兼容性的需求,对于成本敏感的应用,也是最关键的因素之一,满足上述需求的微处理器由于能够为产品带来竞争优势而将成为工程师的首选.