關于SiLabs Precision32單片機的詳細分析報告

本文介紹了Silicon Labs公司新型Precision32單片機產品．該公司首次推出的32位MCU.除了具有兼容ARM的cPU之外，芯片還集成USB和多種模擬組件，以及常見的Flash閃存、SRAM，定時器和串行接口等。本文由Silicon Labs贊助，但所有意見和分析均來源于作者本人。

Silicon Labs深耕單片機行業(yè)

大多數人熟知Silicon Labs公司是由于其模擬與混合信號技術。該公司具有集成高性能模擬外設與數字電路的CMOS專業(yè)設計經驗。這一專長體現(xiàn)在多種IP區(qū)塊中，例如模擬-數字轉換器(ADC)和數字．模擬轉換器(DAC)、數字隔離器、數字鎖相環(huán)、USB、RF、傳感器等。該公司通過集成這些區(qū)塊創(chuàng)建出針對特定應用的產品，包括SLIC和DAA器件（用于VoIP設備）、AM/FM無線電接收器和發(fā)射器、硅電視調諧器、電容式觸摸傳感器、USB橋接器和可編程時鐘產品。

較少為人知的是，Silicon Labs公司在單片機(MCU)市場耕耘多年。這方面的經驗可以追溯到1999年，當時一家Cygnal Integrated Products公司開始推出一系列混合信號MCU產品。Silicon Labs公司2003年收購Cygnal公司的時候，該公司已發(fā)布50多款8位MCU產品。該公司開發(fā)的管線式結構兼容805 1的CPU最高可運行在100MHz。除了快速CPU外，這些單片機還包括ADC、DAC、振蕩器、穩(wěn)壓器和其他模擬功能。

自從完成收購，Silicon Labs持續(xù)不斷的投入單片機、擴展其產品線，集成多種模擬產品技術到MCU之中，許多MCU版本包括RF.USB和其他通信接口。公司還利用其在模擬技術上的專長減少單片機功耗，包括工作模式功耗，以及休眠模式功耗。

現(xiàn)在，Silicon Labs提供多種混合信號8位單片機，最小封裝為2rrirr12 0系列芯片廣泛應用于工業(yè)、嵌入式、消費和通信領域，尤其是需要小封裝、模擬特性和低功耗的應用領域。

基于ARM的Precision32 MCU

為擴展其單片機產品線，Silicon Labs公司最近推出32位MCU系列新產品。新型Precision32產品內含ARM CPU，充分利用ARM架構所擁有的軟件和工具優(yōu)勢。ARM是業(yè)界最受歡迎的指令系統(tǒng)，擁有大量供應商和可觀的年出貨量，雖然這一成功大部分來自手機市場，現(xiàn)在ARM也正迅速成為32位MCU出貨量領導者。

Silicon Labs Precision32系列產品采用ARM Cortex-M3 CPU，運行速度最高可達80MHz。雖然這個時鐘速度并不比Silicon Labs 8位MCU快，但是ARM 32位架構更適合現(xiàn)代編譯軟件和其他使用16位或32位數據代碼. Cortex-M3支持ARM Thumb2模式，通過盡可能壓縮指令到1 6位，減少代碼大小。因此，ARM CPU代碼大小與8051或其他8位指令系統(tǒng)的代碼比較而言，大小相當甚至更少。

Precision32產品結合Cortex-M3 CPU和多種模擬組件，其中許多組件同樣應用于該公司8位單片機產品。這些組件包括：兩個12位ADC、兩個10位DAC，一個振蕩器、一個穩(wěn)壓器、以及一個1 6通道觸摸傳感器。該產品還包括Flash閃存、定時器、計數器和串行接口等，如圖1所示。

   
圖1．Precision32，單片機框圖。新型Silicon Labs MCU結合Cortex-M3 CPU、Flash閃存、多種模擬接口。

首先發(fā)布的Precision32產品有兩種基本類型：帶USB和不帶USB。前者支持USB 2.0全速(12Mbps)，不支持高速。每種類型產品Flash閃存容量范圍為32-256KB。公司提供帶引腳和不帶引腳封裝類型，支持QFN-40封裝（最小尺寸6mm)、QFN-64封裝、QFP-64封裝、TQFP-80封裝和LGA-92封裝（最大I/O引腳配置）。值得注意的是即使最小尺寸6mm版本的器件也支持最大256KB閃存容量?？傊?，此次公司推出的32位系列產品與眾不同。所有初始發(fā)布的產品現(xiàn)已開始提供樣品，并預計在2012年第2季度大量生產。

降低系統(tǒng)成本

通過減少數個外圍元器件，Precision32 MCU高模擬集成度降低系統(tǒng)成本。例如大多數MCU需要外部晶體振蕩器，以便在較快速度下（例如8MHz）運行。這種晶體成本大約1 0美分。Precision32 MCU僅需要使用其內部振蕩器和PLL即可讓USB接口工作，而無需外部晶體。內部振蕩器采用時鐘恢復技術，在PVT（工藝、電壓、溫度）范圍內可提供1.5%精確度，而這在USB規(guī)格允許的公差范圍內。第二個內部振蕩器產生80MHz CPU時鐘（也具有1.59~ PVT），他利用USB時鐘（無需外部晶體）或便宜的32kHz晶體生成。

同樣，采用片內電壓調節(jié)器即無需使用片外調節(jié)器，片外調節(jié)器成本大約為15美分。片內電壓調節(jié)器允許Silicon Labs芯片直接在5v電源工作，如果需要，他甚至能夠通過USB直接供電。片內電壓調節(jié)器也能夠對外驅動輸出供電，且電壓可編程，這使得MCU可以為外部IC提供電源，無需外部電壓調節(jié)器。另外，輸出電源也可以作為恒流源驅動LED顯示屏的背光，一個獨立LED背光控制器成本約為3 0美分。

MCU還提供了6個高驅動輸出引腳，每個能夠輸出300mA或輸入150mA。足夠直接驅動功率MOSFET、高功率LED、蜂鳴器和類似組件。由于一個高驅動片外晶體管大約增加4美分系統(tǒng)成本，因此這些輸出總計最多可節(jié)省24美分。此外，該芯片可以直接連接高達1 6個電容觸摸傳感器。這種類型的傳感器越來越多應用到消費類電子和其他設備中，以替代機械按鍵，機械按鍵通常更加昂貴，并且可能導致失效。如果使用外部觸摸控制器則可能另外花費高達50美分。

   
圖2：集成模擬元器件能節(jié)約成本。這張圖片顯示出典型的基于MCU設計中，高集成度Precision32芯片能替代數種外圍元器件。

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對于USB系統(tǒng)來說，芯片集成完整的USB PHY和模擬前端，可直接連接到USB連接器。其他大多數單片機需要一個外部USB上拉電阻和終端電路，所添加的小元器件總成本約為5美分。使用Precision32 MCU所節(jié)省下的元器件總成本可高達1.34美元。當然，許多系統(tǒng)不需要LED背光或觸摸控制器，這降低了所節(jié)省的成本，但大多數設計將能夠節(jié)省至少3 0美分。如圖2所示，外部電路的減少也使電路板面積減小。

降低功耗

Silicon Labs公司注重Precision32 MCU在工作和休眠模式下低功耗設計，特別是針對Cortex-M3 CPU。在工作模式下，整個芯片僅消耗22mA（80MHz運行速度），或者0.28mA/MHz。雖然飛思卡爾某些最新的Kinetis MCU也能運行在0.25mA/MHz(最大72MHz運行速度)，Silicon Labs的低功耗水平仍超過其他大多數同類型MCU產品。Precision32 MCU的休眠模式電流更加令人贊嘆：啟動RTC時電流僅僅0.35uA，為業(yè)內功耗最低。

該公司同時還專注于降低系統(tǒng)功耗，因為許多MCU應用是由電池或通過USB規(guī)范的受限等級供電。對于開發(fā)人員而言，集成上文提到的模擬器件，例如振蕩器和USB終端，可以縮短信號路徑長度和集成外圍元器件，從而降低整個系統(tǒng)功耗。

此外，片上振蕩器使CPU可以運行在任意需要的頻率；而如果采用8MHz外部晶體，MCU運行頻率必須是8MHz的倍數。出于同樣的原因，Silicon Labs允許CPU和USB頻率獨立設置，而不是固定比例。這種靈活性使系統(tǒng)設計人員能夠任意微調CPU頻率，提供所需的性能，同時保持最低速度和功耗。

減少設計時間

憑借其在8位MCU中設計經驗，Silicon Labs在Precision32設計中內置靈活的I/O系統(tǒng)。如圖3所示，芯片中包括兩個crossbar，可以連接任意I/O功能到不同引腳。在TQFP-80封裝示例中，Crossbarl連接引腳9-40，其中不包括引腳28和29，他們是電源和地引腳。Crossbarl支持1 4種不同內部功能，包括多種串行接口、定時器和比較器等；這些功能能夠連接到crossbar支持的任何外部引腳。這些引腳中的一部分也能映射到ADC輸入或者5V兼容輸出。

極大的靈活性為系統(tǒng)設計人員提供多種好處。設計人員可以配置芯片引腳以簡化電路板設計，例如配置輸出引腳靠近他們所要連接的芯片。在某些情況下，這種方法甚至可以允許使用更少布線層PCB，從而節(jié)省成本。此外，引腳再配置還可輕松應對最終電路板變動難題。

當選擇哪些功能連接到引腳，哪些懸空時，這種方法能提供更大的靈活性。特別是在使用帶有少量I/O引腳的小型封裝時，靈活性顯得尤為重要。其他大多數MCU也提供一些配置，但是可能在每個引腳上僅支持一種或兩種功能，限制了選項數量，導致潛在的引腳沖突。

如此多的配置可能帶來混亂，因此Silicon Labs為設計人員提供一個軟件工具，以簡化配置。應用程序構建器( AppBuilder)工具提供圖形界面，允許設計人員使用拖拽功能配置引腳。一旦配置完成，工具能夠產生加載配置到MCU的引導代碼。該工具可以與商業(yè)IDE協(xié)同工作，包括Keil和IAR以及流行的Eclipse，Silicon Labs已經加以調整Eclipse以支持Precision32產品。

   
圖三。Precision32 I/O crossbar。Silicon Labs MCU包括兩個內部crossbar，能夠使任意I/O功能連接到不同引腳。

業(yè)界領先的低功耗

目前有多家供應商提供基于ARM的32位單片機，Silicon Labs需要具備一些特殊功能使其脫穎而出。如表一所示，競爭對手包括飛思卡爾半導體的新品Kinetis，意法半導體的STM32系列，以及德州儀器的Stellaris。其他廠商，例如Atmel、EnergyMicro和恩智浦也參與市場競爭，但我們更關注市場領先者。為了方便與其他廠商廣泛的產品線比較，我們將盡量選擇類似CPU速度和內存容量的幸好，也包括USB端口。

飛思卡爾的Kinetis產品具有極強競爭力。其Cortex-M4 CPU與M3類似，但是包含DSP和可選FPU。在K20版本中，CPU可以達到100MHz，雖然新興的低功耗版本限制在72MHz。在這種低功耗模式下，新型Kinetis K20有與Precision32 MCU相當的工作電流，同時運行速度僅比Silicon Labs產品稍慢。然而，在休眠模式下，Kinetis消耗4.0uA-是Precision32 MCU電流消耗的10倍以上。

Kinetis產品中多數模擬性能與Precision32 MCU相當，甚至提供更高分辨率的ADC和DAC。然而Precision32一些方面優(yōu)于Kinetis，包括針對低端市場的更小封裝。人們更擔憂的是Kinetis產品研發(fā)進度滯后，目前低功耗版本尚未提供樣品（計劃于2012年一季度末提供樣品）。此外，飛思卡爾的額外功能，例如DSP和FPU，將增加芯片尺寸，提高芯片價格。

Precision32混合信號MCU和主要競爭對手比較 *還提供更高功耗的100MHz運行速率；*還提供128KB閃存、20KB SRAM、無DAC的6mm QFP-36封裝；**僅使用電池供電，Vdd供電時，電流4.0uA。（來源：各廠商）

ST提供多種基于ARM的MCU，而STM32FlOx是最匹配的產品，具有72MHz、Cortex-M3  CPU和全速USB接口o ST是Precision32系列產品中6mm小尺寸封裝的唯一競爭對手。然而，ST 6mm封裝限制了Flash閃存和SRAM的容量大小，僅大約是Silicon Labs同外形尺寸產品的一半；最小封裝也禁止使用DAC。而全功能版本則需要l0mm封裝。

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在相同時鐘速率下，STM32FlOx功耗大約比Precision32 MCU多50%，在休眠模式下，差異更超過5倍。ST提供“超低功率’’版本處理器，休眠電流為0.23mA/MHz和0.27uA;這些特性稍稍高于Silicon Labs產，但ST的超低功率器件限制CPU運行速度在32MHz.128KB Flash閃存、16KB SRAM，以便保持其超低功耗特性。

對于TI的Stellaris系列產品，我們選擇3000系列用于對照比較。在這些產品中，TI限制Cortex-M3 CPU在50MHz，與Precision32 CPU速度相比較慢。為了達到80MHz CPU，必須選擇使用更昂貴的5000系列，其針對汽車應用市場。Stellaris 3000使用比Precision32 MCU更大的封裝，消耗更多能量，ADC分辨率有限，并且沒有DAC。

Precision32系列產品提供一些獨特功能，從而區(qū)別于所有這些競爭對手。芯片I/O crossbar所提供的設計靈活性是其他MCU無法比擬的。高驅動輸出和LED背光控制能力很獨特，并且能夠顯著節(jié)省成本。而目前其他領先的MCU無法提供電容式觸摸接口，或許Kinetis提供樣品時會具備這種能力。

脫穎而出

雖然Silicon Labs公司還未提供廣泛的32位MCU產品組合，但最初發(fā)布的Precision32芯片能夠很好的滿足多種終端應用。對于工業(yè)用途，例如電機控制和監(jiān)測，芯片所具備的5 V兼容輸入和高驅動輸出格外有用?；陔姵毓╇姷难b置，例如血糖監(jiān)測儀、GPS定位系統(tǒng)、傳感器控制器和自動調溫器都能夠受益于MCU的低功耗特性；條形碼掃描儀、讀卡器和其他外圍設備需要高集成度USB接口； 6mm封裝將有助于滿足lOGbps光收發(fā)器對外形尺寸的需求。

芯片獨特而靈活的引腳配置對幾乎所有設計來說都是一個重要優(yōu)勢。他可以縮短設計時間，允許最終設計變動，從而加速產品上市時間。這種方法還允許設計人員使用更小封裝和更少引腳數量的MCU產品，因為這些引腳可以被分配去支持幾乎所有外設組合。

Silicon Labs將其特有的模擬設計經驗應用到新型32位MCU產品，使該產品具有豐富特性，例如精密振蕩器、電壓調節(jié)器、高驅動輸出、電容式觸摸接口等。雖然一些競爭對手也有類似特性，但是沒有任何一家廠商能夠涵蓋所有特性。即使在競爭對手也能提供的功能中，例如模擬．數字轉換器，Silicon Labs公司產品在精度和電壓范圍上往往更出色。

與競爭產品相比，Silicon Labs設計的新型MCU產品是目前休眠功耗最低的：電流僅0.35 uA，功耗不到最接近競爭產品的1/3 0其工作功耗(mA/MHz)也是業(yè)界同類MCU產品中最低的。處理器提供多種功率模式和時鐘選項，以幫助設計人員最大限度降低功耗。

憑借其最新3 2位單片機產品線，Silicon Labs正在從8位產品生產領域擴展到競爭激烈的兼容ARM MCU領域。為了脫穎而出，新型Precision32產品提供低功耗、靈活的I/O和模擬集成。這些特點使其非常適合于廣泛的工業(yè)、醫(yī)療、通信和消費電子應用。經常使用大型供應商MCU產品的開發(fā)人員應當關注此32位MCU市場新成員。