PHILIPS公司32位FLASH MCU的優(yōu)勢(shì)

國(guó)際半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計(jì)顯示，8位芯片仍然占據(jù)著微處理器市場(chǎng)56%的銷(xiāo)量和40%的銷(xiāo)售額。最流行的8位INTEL架構(gòu)的8051芯片平均每年銷(xiāo)售33億片－大約是32位PC微處理器銷(xiāo)量的30倍。甚至最早于1971年面世的低端4位芯片的銷(xiāo)量也只比它們的最高銷(xiāo)量低15%。嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者仍然在使用這些芯片，因?yàn)樗鼈兙哂袠O低的價(jià)格、微功耗以及小的體積，可以為幾乎任何應(yīng)用增加智能化。

為了用功能更強(qiáng)大的器件取代8位和16位微控制器，PHILIPS半導(dǎo)體發(fā)布了基于ARM7的32位MCU的新產(chǎn)品線。PHILIPS知道以其自身的條件無(wú)法擊敗最小的MCU，但PHILIPS相信這樣一個(gè)以較小尺寸制造的、具有額外性能的32位MCU可以使一些開(kāi)發(fā)者拋棄他們節(jié)儉的習(xí)慣。為了使吸引力更強(qiáng)，PHILIPS以特別的0.18微米COMS工藝制造新的MCU，它提供了內(nèi)嵌的FLASH存儲(chǔ)器。

FLASH

PHILIPS新的LPC2100系列所有MCU都使用包含16位Thumb指令、調(diào)試擴(kuò)展（包含實(shí)時(shí)監(jiān)視、實(shí)時(shí)跟蹤和EmbeddedICE）和32位乘法器的ARM7TDMI-S內(nèi)核。ARM7－具有簡(jiǎn)單的3級(jí)流水線和馮·諾依曼結(jié)構(gòu)－是最小的32位RISC內(nèi)核，業(yè)界對(duì)其提供了廣泛的支持。雖然具有31000個(gè)門(mén)的ARM7TDMI-S內(nèi)核在規(guī)模上相當(dāng)于80C51（具有大約9500個(gè)門(mén)）的3倍，但在使用0.18微米工藝時(shí)，這一差別并不明顯。使用0.18微米工藝可以在1mm²的面積內(nèi)集成10萬(wàn)個(gè)門(mén)，而SRAM單元只占用4.65μm²。當(dāng)處理器核與外圍功能以及片內(nèi)存儲(chǔ)器集成在一起時(shí)，這一差別就更小了。在一個(gè)要求連接網(wǎng)絡(luò)（一個(gè)越來(lái)越普遍的功能）的嵌入式系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)媒體訪問(wèn)控制器需要6萬(wàn)到9萬(wàn)個(gè)門(mén)。同樣，任何有用數(shù)量的片內(nèi)SRAM都有可能使處理器占用的硅片面積減小。

為了降低成本和功耗，PHILIPS使用0.18微米工藝制造LPC2100芯片，它在1.8V操作電壓下可達(dá)到60MHz頻率。PHILIPS宣稱它在業(yè)界率先采用了具有嵌入式FLASH存儲(chǔ)器的0.18微米CMOS工藝。零等待狀態(tài)FLASH基于兩晶體管單元，其訪問(wèn)時(shí)間在50ns之內(nèi)。它通過(guò)一條非常寬的128位接口與處理器相連。這使處理器可以一次讀取4個(gè)字，從而消除了一般FLASH讀取時(shí)的等待時(shí)間。FLASH控制器還可執(zhí)行智能的預(yù)取指緩沖，這樣當(dāng)處理器必須處理器中斷服務(wù)程序時(shí)，保存在FLASH存儲(chǔ)器中的指令立即可用。PHILIPS提供一個(gè)FLASH裝載程序，它可通過(guò)一個(gè)串口下載用戶程序并在現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)系統(tǒng)。

 供貨

迄今為止，LPC2100系列所有器件都帶有128K嵌入式FLASH，但將來(lái)的芯片將會(huì)提供小到64K，大到1MB的FLASH存儲(chǔ)器。PHILIPS在今年晚些時(shí)候會(huì)提供具有256K FLASH的芯片，計(jì)劃到2004年以更小的0.13微米工藝生產(chǎn)具有1MB FLASH的芯片。

LPC2100系列成員在SRAM的數(shù)量上有較大差別。LPC2104, LPC2105和LPC2106分別具有16K, 32K和64K SRAM。較大的片內(nèi)存儲(chǔ)器使LPC2105和LPC2106更適合于處理協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。PHILIPS表示將來(lái)這一系列的芯片將增加以太網(wǎng)、USB、802.11、CAN以及A/D轉(zhuǎn)換等邏輯。

 集成FLASH的兩種方法

PHILIPS不是第一家生產(chǎn)基于ARM的MCU的公司，它甚至不是第一家集成FLASH存儲(chǔ)器的公司。Atmel、Hynix和Oki都提供基于ARM7TDMI-S內(nèi)核的帶有FLASH的MCU，而且所有這些廠商的器件都比PHILIPS MCU的FLASH容量更大。最強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手是Atmel，它的AT91系列就有4款這樣的芯片－有些具有2MB的FLASH，16倍于現(xiàn)有的PHILIPS LPC2100系列器件。Atmel MCU傾向于具有更多的SRAM，其中兩款的時(shí)鐘速度高于PHILIPS的芯片。

但是Atmel、Hynix、Oki和PHILIPS所生產(chǎn)的基于ARM7的MCU具有一個(gè)重要的區(qū)別，那就是：只有PHILIPS和Hynix將FLASH存儲(chǔ)器與處理器核集成在同一個(gè)管芯當(dāng)中，Atmel和Oki將一個(gè)單獨(dú)的FLASH芯片與處理器集成在一個(gè)多芯片封裝當(dāng)中。很自然，這對(duì)存儲(chǔ)器性能、封裝大小、功耗以及價(jià)格有著很重要的影響。

在Atmel的MCU當(dāng)中，FLASH 接口的寬度只有32位，而不是PHILIPS的128位寬度。訪問(wèn)時(shí)間大約110ns，只有PHILIPS FLASH存儲(chǔ)器速度的一半。一個(gè)后果就是，Atmel的MCU只有在執(zhí)行SRAM，而不是FLASH中的代碼時(shí)才能發(fā)揮其完全的性能。而PHILIPS MCU執(zhí)行零等待FLASH存儲(chǔ)器中的程序卻不會(huì)有性能上的損失。Oki的MCU速度更慢，因?yàn)檫B接處理器與FLASH存儲(chǔ)器的多芯片接口只有16位寬度。雖然Hynix的FLASH與處理器核嵌入在同一個(gè)芯片當(dāng)中，但它也使用了16位接口。Hynix FLASH存儲(chǔ)器的訪問(wèn)時(shí)間大約為90ns－只有PHILIPS MCU速度的一半。

PHILIPS的0.18微米嵌入式FLASH工藝的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了較小的芯片，這樣不但降低了功耗，減小了封裝尺寸，而且降低了成本。PHILIPS MCU的尺寸只有7×7 mm，比最接近的對(duì)手Atmel的10×10mm AT91FR4042和AT91FR40162的尺寸小了一半。Oki的ML67Q400x/500器件的尺寸是同類(lèi)器件中最大的，它的LQFP封裝尺寸為20×20mm，4倍于PHILIPS器件。

雖然Atmel MCU傾向于比PHILIPS MCU具有更多的SRAM，但是要用它來(lái)彌補(bǔ)較慢的FLASH存儲(chǔ)器的不足，而SRAM比FLASH更大而且更貴。不幸的是，我們無(wú)法獲取所有這些廠商器件的功耗指標(biāo)、封裝尺寸和批量?jī)r(jià)格。但是毫無(wú)疑問(wèn)，PHILIPS的0.18微米工藝使LPC2100器件的內(nèi)核電壓和其它參數(shù)在非常小的嵌入式系統(tǒng)中具有優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于32位處理器來(lái)說(shuō)，所有這些基于ARM7的MCU都非常便宜，但是請(qǐng)注意，在相同批量的情況下，8位芯片的平均價(jià)格只有1.40美元。幾塊錢(qián)看起來(lái)差別不大，但對(duì)于低端的嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)非常重要。

較小的ARM，較大的Thumb ?

ARM可以通過(guò)提供特別為MCU集成而設(shè)計(jì)的，帶有擴(kuò)展Thumb指令的較小內(nèi)核來(lái)縮小8位與32位MCU之間的價(jià)格差?，F(xiàn)在，由于Thumb不是一個(gè)完整的指令集，ARM程序必須在16位和32位模式之間進(jìn)行來(lái)回切換。另外，它不能處理異常或某些系統(tǒng)控制的功能或者訪問(wèn)整個(gè)寄存器文件。如果Thumb功能更加全面，那么開(kāi)發(fā)者可以用緊湊的16位代碼編寫(xiě)整個(gè)程序，而仍然保持32位結(jié)構(gòu)的大多數(shù)優(yōu)點(diǎn)。

一個(gè)帶有功能全面的Thumb指令的ARM核可能與Hitachi第一代SuperH結(jié)構(gòu)相似，SuperH將16位指令集與32位RISC結(jié)構(gòu)相結(jié)合。去年，ARC使用了一種新的方式實(shí)現(xiàn)其ARCompact指令集結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)允許程序員編寫(xiě)16位或32位代碼，或?qū)煞N類(lèi)型的指令混合編寫(xiě)。ARCtangent內(nèi)核的基本配置大約為16000個(gè)門(mén)，相當(dāng)于ARM7的一半，這樣32位RISC內(nèi)核就有可能與8位和16位結(jié)構(gòu)競(jìng)爭(zhēng)。