二十年前，大多數(shù)芯片制造商設(shè)計(jì)的產(chǎn)品可以被描述為單功能設(shè)備。在嵌入式領(lǐng)域，MCU是設(shè)計(jì)空間的中心，但是需要大量其他設(shè)備來創(chuàng)建系統(tǒng)。設(shè)計(jì)人員將它們集成在印刷電路板上，今天被認(rèn)為是一個(gè)漫長的設(shè)計(jì)周期。

硅供應(yīng)商很快意識(shí)到獲取系統(tǒng)專業(yè)知識(shí)以增加其產(chǎn)品價(jià)值的價(jià)值。一些人已經(jīng)具備了模擬和射頻的核心競爭力，他們可以將這些能力帶到談判桌上。結(jié)果 - 片上系統(tǒng)（SoC）概念 - 顯著改變了他們與系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的關(guān)系，他們現(xiàn)在擁有更多的功能和性能觸手可及。

利用系統(tǒng)級(jí)專業(yè)知識(shí)以及具有模擬和RF產(chǎn)品知識(shí)的能力，在MCU芯片上集成外設(shè)時(shí)具有明顯的優(yōu)勢。然而，芯片制造商的另一面是創(chuàng)建支持這些復(fù)雜MCU的開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。

對于MCU供應(yīng)商選擇，選擇MCU供應(yīng)商的三個(gè)頂級(jí)考慮因素是：

MCU本身的性能和集成水平

開發(fā)軟件的質(zhì)量

供應(yīng)商致力于擴(kuò)展其技術(shù)以支持的程度系統(tǒng)級(jí)創(chuàng)新。換句話說，供應(yīng)商是否正在探索“嵌入式的前沿”。

部分由于其廣泛的產(chǎn)品組合，德州儀器為工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供了一個(gè)高度的家族先進(jìn)的基于MCU的電機(jī)控制解決方案。意法半導(dǎo)體為消費(fèi)電子產(chǎn)品開發(fā)了領(lǐng)先的產(chǎn)品; Microchip已經(jīng)在其認(rèn)為獨(dú)特的統(tǒng)一開發(fā)環(huán)境中投入了大量資金。

這三家公司的產(chǎn)品提供了一些很好的例子，說明了一些公司如何定位自己，以便在嵌入式處理的前沿提供完整的解決方案。

電機(jī)控制

有時(shí)，MCU的優(yōu)勢源于硬件和軟件創(chuàng)新的巧妙結(jié)合。其中一個(gè)最好的例子是德州儀器的電機(jī)控制產(chǎn)品，其中包括該公司稱之為InstaSPIN解決方案的強(qiáng)大新算法。

InstaSPIN技術(shù)采用TI的FAST算法，該算法具有電機(jī)控制電路的特性，為以下三個(gè)組件奠定了基礎(chǔ)：

InstaSPIN-FOC確保定子的精確對準(zhǔn)與轉(zhuǎn)子磁場相關(guān)的磁場，以最大化轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生能力，實(shí)現(xiàn)定子磁場的精確電流控制幅度，并允許適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和尺寸適合應(yīng)用。

InstaSPIN-MOTION在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)速度，位置和負(fù)載范圍內(nèi)增加了可靠的控制。

InstaSPIN-BLDC是一種針對低成本BLDC應(yīng)用的無傳感器控制技術(shù)。

可以在MCU TechZone文章“復(fù)雜的電機(jī)控制進(jìn)入主流”中找到更完整的InstaSPIN描述。本文更感興趣的是TI的外圍設(shè)備和功能。集成到其MCU中以實(shí)現(xiàn)其完整的電機(jī)控制解決方案。

TI在其Piccolo MCU系列中進(jìn)行了這些增強(qiáng)，該系列具有外設(shè)豐富的架構(gòu)，能夠?qū)崟r(shí)執(zhí)行算法，以實(shí)現(xiàn)更精確和準(zhǔn)確控制。這些智能控制外設(shè)還有助于控制回路更緊湊，從而改善干擾行為。代表性的Piccolo部件是TMS320F28026FPTT。

電機(jī)控制外設(shè)包括ADC和PWM，兩者都是為最大的靈活性而設(shè)計(jì)的。 A/D轉(zhuǎn)換器的自動(dòng)定序器允許設(shè)計(jì)人員對應(yīng)用程序進(jìn)行編程，以按特定順序循環(huán)遍歷樣本，以便在應(yīng)用程序需要時(shí)準(zhǔn)備好值。

集成控制律加速器（CLA）是一個(gè)32位浮點(diǎn)數(shù)學(xué)加速器，可從主CPU內(nèi)核卸載高速控制環(huán)路。它可以直接訪問外設(shè)，并且可以獨(dú)立于主內(nèi)核響應(yīng)外設(shè)中斷。 CLA有自己的指令集和內(nèi)存空間，允許它完全獨(dú)立于CPU運(yùn)行。 CLA的框圖如圖1所示。

圖1：控制律加速器的框圖。 （由Texas Instruments提供）

其他Piccolo外設(shè)包括：

12位A/D轉(zhuǎn)換器，16通道，最大采樣頻率為4.6 Msamples/s

多達(dá)19個(gè)PWM輸出通道，可配置自動(dòng)死區(qū)

19個(gè)PWM通道中最多8個(gè)，分辨率低至150 ps

增強(qiáng)型正交編碼器用于簡化傳感器解碼的脈沖（QEP）和增強(qiáng)型捕獲外設(shè)（eCAP）

為了給設(shè)計(jì)人員提供清晰的產(chǎn)品開發(fā)路徑，TI提供了多種評(píng)估和開發(fā)套件，包括電機(jī)控制評(píng)估套件（DRV8312-69M-KIT），用于磁場定向控制（FOC）應(yīng)用的開發(fā)套件（TMDSHVMTRINSPIN）和Booster Pack開發(fā)套件（BOOSTER PACK MOTOR DRIVE）。

消費(fèi)產(chǎn)品

信息爆炸以及由此產(chǎn)生的處理極高比特率和支持千兆存儲(chǔ)的要求推動(dòng)了所有市場的技術(shù)發(fā)展 - 不再是消費(fèi)者。

“更豐富的用戶體驗(yàn)”一直是消費(fèi)電子領(lǐng)域的流行語，通常轉(zhuǎn)化為高端圖形，多聲道音頻和高分辨率視頻 - 所有系統(tǒng)功能一度超越MCU設(shè)計(jì)領(lǐng)域。然而，消費(fèi)者對豐富用戶界面的需求似乎正在轉(zhuǎn)向更平凡的產(chǎn)品，如白色家電。智能設(shè)備，可穿戴設(shè)備和大量物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)在開始提供與智能手機(jī)和PC相同的豐富用戶界面。

對于基于MCU的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員來說，新時(shí)代的開始是從傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化語言（如C語言）轉(zhuǎn)向高級(jí)開發(fā)平臺(tái)（如Java，μCLinux和Microsoft.NET）。從MCU硬件的角度來看，進(jìn)入多媒體設(shè)計(jì)空間可轉(zhuǎn)換為更多內(nèi)存，支持SDRAM，加速器，片上顯示控制器以及可能的多聲道音頻。

使用前面提到的開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)需要最多2 MB的閃存或1 MB的雙存儲(chǔ)區(qū)閃存，以及256 KB的片上RAM。支持SDRAM模塊可以消除設(shè)計(jì)中的外部SRAM存儲(chǔ)器 - 但需要在大約100 MHz時(shí)鐘上運(yùn)行的32位寬數(shù)據(jù)總線。

通過在MCU上集成顯示控制器，MCU設(shè)計(jì)人員可以讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將應(yīng)用程序連接到標(biāo)準(zhǔn)TFT-LCD，同時(shí)仍然可以獲得低成本，緊湊尺寸和實(shí)時(shí)性的優(yōu)勢。與基于MCU的系統(tǒng)相關(guān)的時(shí)間性能。當(dāng)高端音頻是人機(jī)接口系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一部分時(shí)，可以通過使用標(biāo)準(zhǔn)接口I 2 S TDM支持時(shí)分復(fù)用（TDM）來提供多聲道音頻，而不是更多傳統(tǒng)的I 2 S（Inter-IC Sound）。

ARM Holdings的高性能內(nèi)核通常是處理包含豐富的多媒體人機(jī)界面的應(yīng)用程序的MCU的核心。適用于此類應(yīng)用的核心是Cortex-M4，這是一種低成本解決方案，適用于通常使用MCU和入門級(jí)或中端DSP的設(shè)計(jì)。

圖形加速

集成這些功能的MCU是STMicroelectronics的STM32F4xx系列，包括STM32F429IIT6。為了進(jìn)一步提升圖形性能，意法半導(dǎo)體已集成了Chrom-ART圖形加速器。與在Cortex-M4內(nèi)核上運(yùn)行軟件相比，該硬件模塊可以加倍像素格式轉(zhuǎn)換和傳輸吞吐量。

Chrom-Art Accelerator（DMA2D）是專門用于STM32F4xx系列圖像處理的DMA。在MCU中集成混合，編碼和解碼功能可以減輕應(yīng)用程序代碼和核心處理器的負(fù)擔(dān)。 Chrom-ART的架構(gòu)特性包括：

讀取和解碼位圖文件的雙輸入像素格式轉(zhuǎn)換器（PFC）

計(jì)算和混合來自數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)的混合器兩個(gè)輸入PFC

輸出PFC，用于解碼信息

用于連接到特定DMA控制器的輸入和輸出的FIFO

開發(fā)環(huán)境

隨著MCU集成更多外圍設(shè)備和接口類型，軟件開發(fā)工具必須支持的功能數(shù)量也會(huì)增加。通信 - 包括RF - 和高速存儲(chǔ)器接口只是一個(gè)開始。系統(tǒng)級(jí)功能（如電容式觸摸，圖形甚至手勢感應(yīng)）也需要外設(shè)支持。

因此，MCU供應(yīng)商提供的開發(fā)工具數(shù)量通常高達(dá)數(shù)百個(gè)，這也就不足為奇了。例如，Microchip Technology提供900多種不同的開發(fā)工具，包括其集成開發(fā)環(huán)境，編譯器，調(diào)試器，編程器以及用于特定應(yīng)用的軟件和開發(fā)板。

認(rèn)識(shí)到軟件開發(fā)的復(fù)雜性，Microchip創(chuàng)建了一個(gè)名為MPLAB X IDE的集成開發(fā)環(huán)境（IDE），它可以在單一開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)中將所有工具與用戶友好的界面無縫連接。

MPLAB IDE可用于Microchip的700多個(gè)8位，16位和32位PIC單片機(jī)的整個(gè)產(chǎn)品組合。這使得工程師可以開發(fā)設(shè)計(jì)的所有方面，而無需在多種工具和操作模式之間切換。

NetBeans

最新版本的MPLAB X IDE基于Oracle維護(hù)的開源NetBeans IDE。使用NetBeans，Microchip可以非?？焖俚叵騃DE添加許多經(jīng)常被設(shè)計(jì)人員請求的功能。它還創(chuàng)建了一個(gè)更具可擴(kuò)展性的架構(gòu)，以便在將來集成新功能。

NetBeans分享了所有IDE的基本特征：項(xiàng)目創(chuàng)建和管理，程序編輯器，語言工具集成和構(gòu)建工具，圖像準(zhǔn)備和編程以及調(diào)試工具。

使用IDE可以最大限度地縮短設(shè)計(jì)人員計(jì)算如何在設(shè)計(jì)周期中完成每個(gè)后續(xù)任務(wù)所需的時(shí)間。例如，經(jīng)典的編輯，編譯，調(diào)試周期只涉及在程序員編輯器中打開源文件并進(jìn)行更改 - 與使用文字處理器編輯文檔沒有多大區(qū)別。然而，下一步是IDE的價(jià)值變得明顯。

編譯程序后，許多開發(fā)系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)人員弄清楚如何加載它以啟動(dòng)調(diào)試會(huì)話。在基于NetBeans的IDE（例如Microchip的MPLAB X）中，調(diào)試只需選擇“DebugRun”按鈕即可。之后，MPLAB X接管。捕獲序列期間發(fā)生的任何錯(cuò)誤，并在特定工具和代碼部分的上下文中呈現(xiàn)給設(shè)計(jì)人員，以便更容易理解發(fā)生了什么 - 并修復(fù)它。

儀表板顯示屏幕是MPLAB X中的一項(xiàng)有用功能，因?yàn)樗峁┝嗽谔囟〞r(shí)間運(yùn)行的工具和資源的摘要。圖2顯示了一個(gè)典型的儀表板，包括MCU（本例中為PIC24FJ）以及在運(yùn)行或調(diào)試運(yùn)行期間生成的任何狀態(tài)標(biāo)志。

圖2：MPLAB X儀表板顯示。 （由Microchip Technology提供）

儀表板上的其他信息包括項(xiàng)目工具鏈的名稱（編譯器，匯編器，鏈接器等），工具鏈的版本號(hào)和許可證類型（Pro，標(biāo)準(zhǔn)或自由）。更感興趣的是內(nèi)存類型和調(diào)試資源，它們顯示了可用的硬件斷點(diǎn)數(shù)。

MPLAB X為Windows，Mac OS X和Linux提供跨平臺(tái)支持。 Microchip和支持的第三方工具包括：

MPLAB ICD 3在線調(diào)試器，一種由運(yùn)行MPLAB IDE（v8.15或更高版本）軟件的PC控制的在線調(diào)試器一個(gè)Windows平臺(tái)。應(yīng)用程序?qū)④浖_發(fā)擴(kuò)展到硬件集成。

PICkit 3編程器/調(diào)試器是一種簡單，低成本的在線調(diào)試器，由在Windows上運(yùn)行MPLAB IDE（v8.20或更高版本）軟件的PC控制。

MPLAB REAL ICE在線仿真器：Microchip用于Microchip閃存數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）和微控制器（MCU）器件的下一代高速仿真器。它調(diào)試和編程PIC閃存微控制器和dsPIC。

結(jié)論

選擇MCU供應(yīng)商的關(guān)鍵在于MCU的計(jì)算能力和更多因素可用的外圍設(shè)備，芯片供應(yīng)商的軟件創(chuàng)新，以及設(shè)計(jì)環(huán)境的易用性和可擴(kuò)展性。非數(shù)字硅設(shè)計(jì)和制造的核心競爭力，如模擬和射頻，也是一個(gè)重要的考慮因素。然而，MCU供應(yīng)商可以滿足所有這些標(biāo)準(zhǔn)，如果它不能在未來支持系統(tǒng)級(jí)技術(shù)方面保持領(lǐng)先地位，那么它仍然不是最佳選擇。