嵌入式系統(tǒng)與FPGA的最新動向 - 全文

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　　據(jù)Semico Reserch資深分析師Tony Massimini介紹[1]，2010年，微邏輯組件(微處理器、微控制器和DSP)的銷售額勁升了24.9%。但這是因為相比于2009年的災難性的衰退所致。在相對穩(wěn)定的銷售環(huán)境下，預計2011年有望再成長12%。

　　出貨量方面，微邏輯組件2010年將增長36.3%，而2009年下降了10.4%。微邏輯營業(yè)額由微處理器和計算市場主導，數(shù)量上來看，主要來自MCU。2010年，MCU營業(yè)額增長了32%左右，數(shù)量增長40%左右。增長涵蓋所有微控制器部分—8、16和32位。這比一年前所預測的增長更快，這是由于一些領域的復蘇和增長，例如汽車方面有新增長，工業(yè)控制也在持續(xù)增長，雖然2009年工業(yè)控制也下降了，但是不像其他市場那么糟糕。

　　工業(yè)MCU廠商重視連接性和外圍的開發(fā)。連接性包括USB、RFID、低功耗RF、ZigBee，用于控制和自動化。綠色和節(jié)能是最大增長的市場，智能電表和智能電網(wǎng)正受到更多的重視。更多家電的高效電機控制、工廠控制等，需要特殊的低功耗制程。

　　16位供應商提供比8位更高的處理速度。很多16位MCU供應商也銷售8～32位MCU。2010年8位MCU價格85美分左右;32位MCU 的平均價格是3~23美元，此價格之所以差別很大，是由于封裝、性能及內(nèi)存的配置不同。 MCU廠商正提供更高的存儲器密度、更好的外圍以減少外部材料、傳感器等。

　　據(jù)iSuppli統(tǒng)計，由原瑞薩科技/NEC電子合并后的瑞薩電子是最大的嵌入式系統(tǒng)公司(圖1)。TI是第二大嵌入式系統(tǒng)公司，TI主要得益于DSP、MCU和MPU三大業(yè)務。

　　在中國市場，MCU保持高于全球平均速度增長。尤其本地參與設計正引導著世界范圍內(nèi)新一輪的復蘇和增長(圖2)，同時中國本地設計增長的速度比整個MCU系統(tǒng)快。但圖2中“中國本地參與設計比例”變化曲線在2010年到2012年間為何會呈下降趨勢?瑞薩電子大中國區(qū)MCU產(chǎn)品中心總監(jiān)邱榮豐分析認為，在整個世界經(jīng)濟中，中國已經(jīng)占有很大的比重，開始時中國基本上是全球最大的工廠，出口基本上是最大的因素，使中國市場做得很好。但是從2008年到2009年開始，中國基本上是轉向國內(nèi)的需求，高速的發(fā)展都是在國內(nèi)，所以可以看到增長率最大的2010年，中國有一系列活動，如家電下鄉(xiāng)、智能電網(wǎng)/ 電表興起等;但是正常來看，除了中國市場內(nèi)部消化的要求，也希望國外出口量會慢慢增長;不過按照這個想法，這兩年不太可能一下打入美歐日等市場。

　　在嵌入式軟件行業(yè)，由于嵌入式產(chǎn)品在最近幾年正在不斷滲透到各個行業(yè)，小到手機、iPad，大到基站、航天衛(wèi)星等。而嵌入式軟件在其中扮演著越來越重要的角色，已經(jīng)成為各個廠商區(qū)別于其它廠商最重要的砝碼。據(jù)不完全估計，2011年中國嵌入式軟件市場規(guī)模將達到4600億左右。而多核化和平臺化將成為新的嵌入式軟件發(fā)展的新趨勢。

　　軟件和系統(tǒng)架構成芯片廠商的投資重點

　　軟件成為MCU廠商的關注點

　　近幾年，MCU廠商提供更多、更豐富的工具和軟件開發(fā)環(huán)境，來易于使用、節(jié)約時間。未來，系統(tǒng)設計者將有更多的應用選擇：功能、價格、低功耗和更多的開發(fā)工具。

　　盡管MCU集成了更豐富的外圍，制程技術在不斷演進。但相比之下，硬件的成本不太容易上升。NXP副總裁兼全球微控制器產(chǎn)品線總經(jīng)理Geo Lees稱，該公司不打算在硬件方面再過多地產(chǎn)生成本，其開發(fā)重心將更多地轉到軟件方面。

　　飛思卡爾(Freescale)工業(yè)和多元市場微控制器部亞太區(qū)市場經(jīng)理曾勁濤也認為軟件在整個開發(fā)成本中正在占據(jù)更大的比例。曾勁濤以該公司戰(zhàn)略為例，稱飛思卡爾是最早為客戶提供一套完整的軟件支持工具的先行者。其軟件產(chǎn)品包括免費的8位的Codewarrier工具和為32位MCU服務的實時操作系統(tǒng)MQX，同時還提供了許多其他軟件，使客戶能夠輕松地使用飛思卡爾MCU開始進行設計

　　ADI DSP亞洲區(qū)業(yè)務經(jīng)理陸磊稱，該公司的軟件戰(zhàn)略是為客戶提供免費的經(jīng)過優(yōu)化測試的高性能軟件庫，可以簡化客戶的開發(fā)和縮短客戶產(chǎn)品開發(fā)時間。同時，ADI公司為客戶提供開源的Linux系統(tǒng)和驅動。

　　Silicon Labs公司MCU市場總監(jiān)Mike Salas分析了為何軟件成為MCU廠商關注的方向。他指出，隨著微控制器(MCU)在其數(shù)字內(nèi)核基礎上的不斷發(fā)展，通過集成更多復雜的外圍設備(例如加密/解密模塊、音頻/視頻編碼和解碼器，以及需要完整協(xié)議棧的無線通訊接口)MCU功能正在逐漸擴展。所有這些片上系統(tǒng)功能的交互平衡也需要同樣復雜的固件。開發(fā)和測試固件的時間和成本正在成為影響新產(chǎn)品上市的限制因素。為了幫助縮短上市時間，Silicon Labs為其混合信號MCU提供了多種固件。這包括從簡單外設(例如ADC)到完整應用級參考設計(例如Wireless M-Bus套件)所需要的一切。因為Silicon Labs MCU產(chǎn)品的許多目標應用需要與計算機或應用處理器進行通信，因此該公司根據(jù)需要提供了通信函數(shù)庫和驅動程序。所有這些代碼使得嵌入式設計人員能夠專注于產(chǎn)品開發(fā)，而不是復雜的MCU或軟件協(xié)議。

　　為了加大軟件實力，MCU設計團隊中需要一批應用軟件人才。上海普芯達電子有限公司總經(jīng)理趙依軍稱，普芯達不僅有一支長期致力于應用開發(fā)的工程師隊伍，還擁有經(jīng)驗豐富的芯片設計團隊，這樣的組合使普芯達能在芯片設計的一開始就充分考慮應用軟件設計的需求，能在芯片設計的整個過程中將硬件功能、性能與軟件設計需求緊密地結合。在應用開發(fā)過程中，工程師們也能和設計團隊密切配合，保證軟件有效可靠。

　　系統(tǒng)架構師如何定位精準

　　為了做好應用，有些芯片廠商的總設計師甚至不是芯片設計出身，而是系統(tǒng)應用出身。TI多核 DSP業(yè)務部全球業(yè)務經(jīng)理Ramesh Kumar在介紹該公司的新一代高性能DSP——TMS320C66x時，透露了該公司如何做到對產(chǎn)品進行高精度定位的方法。例如高精度的關鍵任務應用——無線基站、醫(yī)療等。在TI DSP的研發(fā)過程中，在軟件上投入一定比重。這種考量來自于：由于你要構建一個非常好的多核系統(tǒng)或片上系統(tǒng)(SoC)，因此你需要非常好的系統(tǒng)級考慮。在TI的DSP團隊里，有相當多人都來自于系統(tǒng)廠商，比如愛立信、諾西，甚至聘請曾在摩托羅拉等通信廠商工作過的資深人才來做TI的CTO(首席技術官)或首席架構師。不是因為他們的芯片設計能力有多強，而是對整個系統(tǒng)架構所需要的關鍵元素做得非常非常精準。這樣TI就可以把網(wǎng)絡處理器和傳輸?shù)膮f(xié)處理器固定在里面。這都歸功于從通信系統(tǒng)企業(yè)過來的系統(tǒng)專家，把他們的挑戰(zhàn)和需要的關鍵元素，以及以往沒有提供過的功能在TI的組織架構里提供出來。盡管這些通信系統(tǒng)人才可能并不會開發(fā)出整套軟件，但能使TI能更多地開發(fā)相應的核心軟件，把多核系統(tǒng)、多核DSP系統(tǒng)的架構搭起來，做成一個具有強大競爭力的系統(tǒng)產(chǎn)品。

　　在WiMAX應用方面，TI甚至在北美把某家系統(tǒng)廠商整個WiMAX研發(fā)團隊連鍋端，不在于TI要自己開發(fā)什么WiMAX產(chǎn)品，關鍵是要對系統(tǒng)的理解和見解，把傳統(tǒng)理解和新需求全都融入到我們多核DSP的開發(fā)里。

　　醫(yī)療領域也是如此，TI有曾在超聲或數(shù)字X光廠商工作過的人才做TI的系統(tǒng)架構專家，因為TI需要非常專注地理解這些應用領域架構怎么做的，這樣就可以開發(fā)出相應的內(nèi)容和核心的IP庫，來為客戶開發(fā)或我們后續(xù)優(yōu)化能提供非常有用的部分。

　　可見，MCU和DSP廠商不僅關注芯片架構，而且正在軟件和架構系統(tǒng)方面進行，來提高產(chǎn)品的易用性。

　　MCU、DSP與FPGA互相滲透，日趨融合

　　MCU有8、16、32位之分，也有ARM與非ARM之別;目前部分廠商采用了ARM Cortex-M4核，希望進軍DSP領域;DSP老大——TI把自己的C2000 DSP系列劃為了MCU業(yè)務組;同時，F(xiàn)PGA廠商也試圖深入傳統(tǒng)的DSP和嵌入式處理器領域;有些MCU廠商稱其芯片可替代FPGA、DSP??嵌入式處理器的應用領域之間互相滲透，芯片功能越來越融合，因此界限越來越模糊。那么他們各自的顯著特點是什么呢?

　　MCU及DS

　　TI半導體事業(yè)部MCU業(yè)務組現(xiàn)在不僅負責其經(jīng)典的16位MCU——MSP430，還有兩年前收購Luminary的基于ARM Cortex-M3的32位處理器，更把其低端DSP——C2000 DSP系列也劃撥進來[4]。那么當向客戶推薦方案時，如何協(xié)調(diào)其產(chǎn)品線關系?TI MCU業(yè)務拓展經(jīng)理吳健鴻稱，“向客戶介紹產(chǎn)品時，我們一定會推薦最合適的產(chǎn)品?！痹贑ortex-M3等MCU和C2000里面有一些軟件庫會共享。這樣，如果客戶的一些產(chǎn)品用的是C2000，另一些產(chǎn)品可能用到Cortex-M3 MCU，是可以同時采用TI的軟件庫的。筆者推測，由于TI有強大的DSP功能，因此TI并沒有采用具有DSP功能的ARM Cortex-M4的授權，而著力發(fā)展ARM Cortex-M3，進軍傳統(tǒng)32位處理市場;而MSP430系列主攻傳統(tǒng)的8位8051市場。

　　NXP、Freescale等采用了ARM Cortex-M4的授權。其中NXP也采用了ARM Cortex-M3的授權。如何區(qū)分M3和M4?NXP的Geoff以去年底推出的LPC4000系列為例，指出Cortex-M4的特點是DSP處理能力非常強大，因為M4有很多免費DSP庫的資源供用戶使用。

　　另外，Geo還介紹了M4與ARM9核相比的優(yōu)勢：該公司在與電視和機頂盒客戶的探討中，發(fā)現(xiàn)對于高性能核而言，它們主要是通過硬件來實現(xiàn)，這就出現(xiàn)了功耗問題，如果MCU一直是高速運行沒問題;但在低速時，ARM9的低功耗效果不如M4強。所以在一些高性能應用上，可以把M3、M4用到片上實現(xiàn)高性能MCU方面功能。

　　飛思卡爾去年6月宣布與ARM合作，推出了基于ARM Cortex-M4的Kinetis系列。盡管飛思卡爾擁有自己獨特而豐富的架構，如S08、ColdFire/ColdFire+、Power架構等，但飛思卡爾認為ARM MCU的最大特

　　Altera高端FPGA產(chǎn)品部產(chǎn)品市場高級總監(jiān)David Greenfield點是上手快，希望Kinetis延伸到那些喜歡用ARM架構的客戶上[5]。M4不僅與M3兼容，還具有DSP的功能，為將來DSP應用打下了伏筆。

　　MCU與FPGA

　　STM(意法半導體) [7]和NXP等MCU公司近期提到其部分基于M3/M4 架構的MCU可以替代FPGA功能;而FPGA企業(yè)如Altera、Xilinx和Microsemi(2010年10月Microsemi收購了 FPGA公司Actel)也力圖延伸入嵌入式領域。那么，二者的相互關系是什么?NXP的Geoff說，事實上MCU的目標并不是完全替代FPGA，例如當3000門以下比較簡單的應用時，MCU可以實現(xiàn)類似于FPGA功能的應用。

　　而FPGA公司也承認，邏輯門數(shù)要求更高的嵌入式應用是FPGA定位的主戰(zhàn)場。

　　DSP與FPGA

　　筆者最近追蹤2010年“全國大學生電子設計競賽信息安全技術專題邀請賽”時，發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象，在由TI和Xilinx等贊助的這項大賽中，一等獎中既有采用TI DSP、也有采用Xilinx FPGA實現(xiàn)手背靜脈身份認證的作品;整個獲獎作品中，網(wǎng)絡通信方案中都有兩家公司的身影。

　　實際上，近幾年，F(xiàn)PGA也把部分重點定位在DSP的傳統(tǒng)領地，并且28nm等先進制程呼之欲出，DSP的主流制程還是40nm左右。FPGA廠商聲稱，隨著FPGA的成本和功耗的持續(xù)降低，F(xiàn)PGA會在DSP固有的應用領域愈發(fā)顯出優(yōu)勢。

　　但TI等DSP公司也在強化其DSP的優(yōu)勢。不久前，TI多核 DSP業(yè)務部全球業(yè)務經(jīng)理Ramesh Kumar向我們介紹了去年底推出的基于KeyStone多內(nèi)核構架的C667x。稱通過增加多內(nèi)核導航器以及協(xié)處理器，可最大限度提高片上數(shù)據(jù)流的吞吐量?，F(xiàn)在每個單核可以達到40個GMACs的層加能力，每個內(nèi)核也可以達到20GLOP運算能力。

　　Ramesh稱，DSP技術本身有諸多好處，包括很高的處理性能，并且在低功耗方面，考慮到動態(tài)電源監(jiān)測、動態(tài)電源管理。因此通過667x系列，TI非常有信心與DSP對手、其他處理器架構或FPGA競爭。例如，F(xiàn)PGA本身是通用型陣列，其所做的所謂浮點是在陣列里嵌入DSP一個小的IP單元，絕對不是能真正自由地處理浮點運算的處理器架構，可能只有18×18的一個乘加(MAC)能力，現(xiàn)在相對一半都不到。因此，TI并不認為FPGA公司所宣稱的浮點工藝非常領先，并且DSP在功耗、成本上擁有優(yōu)勢。例如，市面上與TMS320C667x性能相當?shù)腇PGA通常幾百美元一塊;在功耗方面，TI只要10W左右，而同樣性能的FPGA通常要20~40W。

　　筆者注意到一個細節(jié)，Ramesh多次提到C667x高精度地定位于關鍵任務應用，包括無線基站、測試、醫(yī)療影像、智能電網(wǎng)或高性能處理等。這些領域通常有DSP，也有FPGA的解決方案?！暗P鍵應用往往由DSP組成?！盧amesh稱。事實上，在很多領域，出現(xiàn)了DSP+FPGA或嵌入式處理器+FPGA的搭配，在通信基站領域，有TI+Xilinx組合;高性能計算領域，也出現(xiàn)了Intel+Altera搭檔等。

　　DSP通常歸為ASSP(專用標準產(chǎn)品)，而FPGA屬于PLD(可編程邏輯器件)類。從字面上就可以看出FPGA服務更廣闊的領域，DSP相對來說在一些利基(niche)的專用領域擁有無可替代的優(yōu)勢。在一些長尾領域，F(xiàn)PGA和DSP就要認真較量了。