集MCU、DSP、FPGA于一身的多核MCU，你造嗎？ - 全文

　　前不久，華為、博世、賽林思投資一家英國半導(dǎo)體公司XMOS的消息傳出，引起不小關(guān)注，讓業(yè)內(nèi)頗為好奇的是，這家在半導(dǎo)體業(yè)界并不顯眼的公司，為什么獲得了華為和博世等的青睞？為深入了解和挖掘這家公司的技術(shù)和價值，《智慧產(chǎn)品圈》特地走訪了XMOS的具有較強(qiáng)技術(shù)實力和方案開發(fā)能力的國內(nèi)代理商深圳木瓜電子科技有限公司，從XMOS核心產(chǎn)品及其主要應(yīng)用來看看這家公司的獨具魅力之處。

　　XMOS是一家來自英國布里斯托爾市的無晶圓廠半導(dǎo)體公司，推出了一種稱為xCORE體系架構(gòu)的32位多核實時微控制器，該系列處理器具有多個時序可確定的、可并行執(zhí)行任務(wù)的32位處理內(nèi)核（有4、6、8、10、12、16、24、32核），單核主頻最高可達(dá)200MIPS，支持諸如C和C++等高級編程語言，可使用軟件準(zhǔn)確的配置設(shè)計所需的外設(shè)接口。當(dāng)然多核微控制器對于現(xiàn)在來說并不是讓人耳目一新的產(chǎn)品，而讓《智慧產(chǎn)品圈》筆者驚訝的是：xCORE內(nèi)核兼具MCU、DSP、FPGA功能于一身！何以做到如此？我們可以從其內(nèi)核架構(gòu)和I/O特性得到答案。

　　xCORE內(nèi)核深度解析

　　內(nèi)核架構(gòu)：

　　據(jù)木瓜電子技術(shù)支持工程師邱松曉介紹，簡單來說，xCORE實質(zhì)是多核的RTOS MCU架構(gòu)，其中一個核的性能可相當(dāng)于一個ARM Cortex M3，一個8核的XMOS MCU性能可以相當(dāng)于8個Cortex M3，非常強(qiáng)大。xCORE目前應(yīng)用最多的是8核和16核的產(chǎn)品，以型號為XU216的主控為例，其架構(gòu)和特點如圖1、圖2所示：

　　xCORE中多個核就像一個團(tuán)隊并行運行，單個核的最高運行速度可達(dá)200 MIPS，16核累加最高可達(dá)2000MIPS，而且各個核執(zhí)行任務(wù)互不干擾，使用通道實現(xiàn)線程間的通訊，可以執(zhí)行龐大的任務(wù)量。其同時具有成熟的、開源的IP核外設(shè)，如UART、SPI、IIS、ETH、CAN等，也具有DSP運算庫IP，工程師可以調(diào)用此庫來完成復(fù)雜運算。xCORE中每個Tile可以管理8個核，并且通過其特有的xConnect功能，可將多個XMOS芯片進(jìn)行級聯(lián)，對開發(fā)者而言，可看做成一個具有更多核的單芯片。

　　I/O特性：

　　XMOS的I/O具有其獨特的特性，兼?zhèn)銯PGA和MCU的I/O特點。其具備的1bit port可用于串行的輸入和輸出，并且用來實現(xiàn)一些特別的時序操作。同時也具有多位的并行口，如4bit 、8 bit、16bit這些I/O口，這些并行I/O口用來輸入輸出并行數(shù)據(jù)，如外接SDRAM，TFT屏等。如上述16核的XU216就有32個1bit、12個4bit、8個8bit、4個16bit、2個32bit口。xCORE突破了常用MCU的外設(shè)限制，可像FPGA一樣軟件定義接口、靈活增加外設(shè)。

　　實時性：

　　xCORE還有一個不得不說的優(yōu)勢就是實時性非常高，傳統(tǒng)的MCU執(zhí)行中斷，需要停止當(dāng)前的程序運行，進(jìn)行相應(yīng)的入棧操作，然后執(zhí)行中斷程序，中斷程序執(zhí)行完畢后，再執(zhí)行出棧工作，繼續(xù)執(zhí)行被打斷的程序。而XMOS事件中斷可以被定時器、IO口和任務(wù)來觸發(fā)中斷，事件一旦被觸發(fā)，立即執(zhí)行。并且執(zhí)行觸發(fā)操作的線程可繼續(xù)向下執(zhí)行，不被打斷。在觸發(fā)事件中斷的處理上，顯得更為實時性和低延時，在響應(yīng)速度上，比傳統(tǒng)MCU快100多倍。
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　　總的來說，“雖然XMOS實質(zhì)性是多核的MCU，但是與傳統(tǒng)的MCU相比，又大不同。XMOS獨特的xCORE體系架構(gòu)，硬件的RTOS運行機(jī)制，使它具備很高的執(zhí)行速度，可以使用多個核來做多個算法，所以體現(xiàn)出有DSP的運算能力；它可以像FPGA那樣靈活的配置引腳，通過軟件靈活定義硬件外設(shè)，而不像MCU那樣外設(shè)已經(jīng)固定。因此我們說它兼具了MCU的邏輯操作、DSP的運算能力和FPGA的靈活引腳等能力。”邱松曉說道。

圖5：XMOS具M(jìn)CU、DSP、FPGA功能于一身▲

　　而此特性帶來的改變是，以往一些需要采用MCU、DSP和低端FPGA三顆芯片的方案，現(xiàn)在只用一個XMOS就能搞定。如圖6所示，該系統(tǒng)中主要器件有一顆ARM Cortex M3 MCU，一顆DSP芯片和一顆CPLD可編程邏輯器件、一顆采樣率轉(zhuǎn)化芯片和一顆音頻解碼芯片。除了AD1895采樣率轉(zhuǎn)換芯片和CS8406音頻解碼芯片不能取代外，系統(tǒng)中的三個主控芯片可以用一顆XMOS芯片取代。這樣的好處是，不僅整體方案成本可以大幅降低，而且也降低了設(shè)計復(fù)雜度，縮短了開發(fā)周期。而且，木瓜電子更是進(jìn)一步做到：“現(xiàn)在我們的方案已經(jīng)可以取代了AD1895，可以用軟件實現(xiàn)SRC功能，這四個芯片撘起來的系統(tǒng)，用一個XMOS芯片就可以實現(xiàn)了，成本很有優(yōu)勢?！鼻袼蓵哉f道。

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　　說說功耗：

　　與高性能相隨的往往是高功耗，那么xCORE的功耗會不會也很大？邱松曉表示：“概括來說，常用的8核XMOS芯片功耗在180mW～330mW，不算特別適合于智能穿戴等對功耗敏感的應(yīng)用，并不算是低功耗的32位MCU。但是在傳統(tǒng)的一些需要使用MCU、FPGA、DSP的場合，使用XMOS會顯得功耗更低?！?/p>

　　應(yīng)用方案盤點

　　XMOS內(nèi)核性能強(qiáng)大、實時性非常高，外設(shè)擴(kuò)展靈活，適合包括音頻傳輸、電機(jī)控制、實時網(wǎng)絡(luò)、麥克風(fēng)陣列、USB多聲道音頻等對性能和實時性比較高的應(yīng)用場合。目前XMOS推出有兩代產(chǎn)品，最新的產(chǎn)品系列是xCORE200，在性能和價格上都比第一代xCORE有優(yōu)勢。

　　xCORE200產(chǎn)品可以分為L系列、U系列和Ethernet系列，其中L系列為通用系列，適合做接口擴(kuò)展以及伺服電機(jī)控制方面的應(yīng)用；U系列為USB系列，即在L系列的基礎(chǔ)上集成了USB 2.0 PHY芯片，外部USB差分信號可以直接接到XMOS芯片；而Ethernet系列帶有千兆以太網(wǎng)控制器，在U系列的基礎(chǔ)上添加了千兆以太網(wǎng)控制器，但內(nèi)部沒有集成Ethernet PHY芯片，需要外接。Ethernet系列產(chǎn)品適合做需要千兆以太網(wǎng)的產(chǎn)品，如1000M帶寬的AVB方案。

　　接下來看看采用XMOS芯片開發(fā)的典型應(yīng)用方案。

　　USB Audio

　　XMOS芯片最為知名的應(yīng)用莫過于USB Audio方案，包括HiFi級別的耳放、USB耳機(jī)、HiFi級音響、專業(yè)錄音設(shè)備、電腦/手機(jī)外置聲卡等。XMOS USB Audio在數(shù)字音頻上可實現(xiàn)高達(dá)384khz的采樣率，且可靈活實現(xiàn)多種音頻接口，如IIS、DSD、S/PDIF和MIDI等。該方案在音頻行業(yè)內(nèi)得到了非常高的認(rèn)可，得到包括哈曼、IFI、OPPO、索尼等國際品牌采用。

　　XMOS USB Audio方案最新應(yīng)用是USB耳機(jī)?？梢钥吹阶罱粩嘤惺謾C(jī)廠商新發(fā)布的手機(jī)支持Type-C接口，而且音頻傳輸直接使用Type-C接口，以取代原有的3.5mm耳機(jī)口。實際上在Type-C之前就有耳機(jī)廠商使用USB2.0/1.0的接口設(shè)計USB耳機(jī)，主要針對的市場是USB游戲耳機(jī)和發(fā)燒級耳機(jī)，由于手機(jī)3.5mm的耳機(jī)口取消，USB耳機(jī)將會成為大眾的選擇，高清無損數(shù)字音頻傳輸將會讓更多消費者獲得Hi-Fi級音樂享受。

　　XMOS為此應(yīng)用最新發(fā)布了小封裝、低功耗的XU208芯片，據(jù)悉已經(jīng)得到不少耳機(jī)廠商的青睞。使用此方案的USB耳機(jī)可以實現(xiàn)高達(dá)384KHz采樣率，而普通耳機(jī)一般只有44.1KHz采樣頻率（采樣率越高，音質(zhì)越好）。結(jié)合XMOS的DSP運算能力，還可以實現(xiàn)3D增強(qiáng)效果、主動降噪、多聲道環(huán)繞等算法來使得USB耳機(jī)呈現(xiàn)更優(yōu)越的音頻效果。

　　XMOS USB耳機(jī)方案的硬件架構(gòu)清晰簡單，使用XU208作為主控來完成USB解碼、數(shù)字音頻傳輸和算法，外置的DAC實現(xiàn)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)化，使用2路PDM麥克風(fēng)實現(xiàn)錄音功能，按鍵實現(xiàn)相應(yīng)的控制，可兼容Window、MAC和android平臺。

　　麥克風(fēng)陣列

　　XMOS的麥克風(fēng)陣列方案以其芯片的靈活性突破了傳統(tǒng)MCU的I/O限制，單芯片可以實現(xiàn)16個I2S或PDM來實現(xiàn)擴(kuò)展高達(dá)32個麥克風(fēng)的陣列，配合beam forming、噪聲消除、回音消除等DSP算法來實現(xiàn)諸如聲源定位、遠(yuǎn)場拾音等功能，為高性能的語音識別做好前端的優(yōu)質(zhì)處理，可適用于視頻會議攝像頭的定位、安防監(jiān)控攝像頭定位、機(jī)器人定位、家庭管家等。

　　與傳統(tǒng)MCU麥克風(fēng)方案相比，一個32位MCU連接麥克風(fēng)通常為4個，同時需要增加DSP，加長開發(fā)流程和增加成本。而XMOS是單芯片方案，不僅具有出色的性能，同時可以縮短軟硬件設(shè)計周期和降低硬件成本。

　　伺服電機(jī)控制

　　XMOS高實時性的特點，非常適合應(yīng)用于多路伺服電機(jī)控制，可具備Ehercat、CAN等通信接口，并實現(xiàn)FOC等電機(jī)控制算法。適用于機(jī)器人、機(jī)械手、無人機(jī)等產(chǎn)品。例如在無人機(jī)中，四個手臂分別需要四個MCU來實現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動，但是XMOS單芯片可定義24個I/O作為電機(jī)的PWM信號輸出，實現(xiàn)4路電機(jī)驅(qū)動。

　　當(dāng)然XMOS的應(yīng)用還有很多，如以太網(wǎng)會議系統(tǒng)、調(diào)音臺、車載娛樂系統(tǒng)、直播音頻傳輸系統(tǒng)等AVB方案；短信貓、車載CAN擴(kuò)展、動環(huán)監(jiān)測以及醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)機(jī)器手臂等等實時性要求高、系統(tǒng)復(fù)雜的工業(yè)應(yīng)用?！癤MOS能實現(xiàn)的應(yīng)用還有很多很多，沒有做不到，只有想不到。”邱松曉說道。