嵌入式处理趋势，第一部分：超集成MCU

当今的嵌入式微控制器（MCU）是协同和创新的惊人例子。单个芯片上可容纳30,000至2百万个门，直到最近，各种集成的组件和模块都被视为独立的高级IC。

例如，当前典型的MCU设备（下面的图1）可能包含以下组件：120kB闪存，8kB RAM，（4个）16位定时器，电源电压监控器，掉电复位，可编程低压降稳压器，I2C，SPI ，UART，IrDA，直接存储器访问控制器，硬件乘法器（32×32），模拟比较器，12通道12位SAR模数转换器，12位数模转换器，3个运算放大器和48个通用输入/输出引脚“全部在100引脚设备上！

图1.混合信号MCU框图

半导体行业的任何人都知道，新组件的集成速度正在加快，而不仅仅是MCU。新内核，内存密度，电源管理和保护系统，通信外围设备，显示控制器和数据转换器的排列几乎是无限的。

业界一直在增加新技术和模块的集成，以进入新市场并降低现有应用程序的成本。在过去的两年中，这些功能包括多核，浮点内核，无处不在的USB（主机，设备和适应性强的On-The-Go系列），无线电，运算放大器，高性能A / D，DAC和高级功能。显示控制器（VGA，QVGA）全部被压缩到单个MCU中。在接下来的两年内，我们将看到更多独特，功能强大和创新的组件。

由于整合的新途径数量众多，因此未来可能会有些迷雾。然而，随着市场上改变游戏规则的一些技术的出现，晴空万里。

其中包括先进的无线技术（例如Zigbee，蓝牙和WiFi），集成的电源管理模块（芯片上和芯片外的多个功率级别），允许芯片在应用之外还可以从环境中收集自己的部分电源（能量收集）的模块。特定模块，例如医疗传感器和模拟前端。

此外，MCU将以最新的有线通信接口（如高速USB 2.0，以太网和IEEE 1394）以仅几年前才在最高端处理器上提供的数据速率开始缩小差距。

有线和无线通信

添加无线通信（通常是RF）似乎是最显而易见的集成领域，但它也许也是最难实现的领域。射频（RF）组件很难添加到PCB上，而在芯片规模上做到这一点要困难几个数量级。

有一个原因为什么仅将基于8051内核的MCU添加到了最新的低功耗RF芯片系统（SOC）中。这两个完全不同的系统的配合非常复杂且困难，原因是存在诸如接地平面噪声，天线和巴伦接口，数据传输以及过多的不同无线协议和调制方案等问题。

存在一些巨大的技术挑战，但是在许多情况下，每个连续的单片RF + MCU芯片使下一个芯片的设计更加容易。这将导致集成RF解决方案的数量迅速加速，并增加这种类型的差异性。

如今，MCU供应商已经迈出了第一步，在8051以外的CPU上创建了多芯片模块和一个或两个具有集成RF的模块。但这只是一组具有实现潜力的设备的升级阶段。数十种尚未想到的新应用程序。

此外，芯片堆叠和封装方面的创新使在同一芯片上放置更多种类的硅变得更加容易。诸如ZeroG Wireless之类的公司已经开始创建低功耗WiFi模块，并利用对MCU极低功耗的需求不断增长以及新兴的智能电网，从大型SOC供应商那里获得大量支持。这项技术与现有的MCU融合只是时间问题。

有线通信接口已经非常普遍（下图2）。几个不同的MCU供应商已经将CAN，以太网10/100和USB全速集成到单个芯片上。甚至还有将高速USB 2.0（480Mbps）集成到微控制器上的小型100 MHz MCU！

图2. CC430集成的MSP430 + Chipcon无线电

这些外围设备不仅会通过增加硬件加速（例如PHY层，MAC层，集成的隔离和电源管理）来改善，而且还将进一步集成其他协议，例如IEEE 1394，用于照明的DALI或用于车辆的LIN / FlexRay。

特定

于应用程序的集成为特定类型的终端设备集成多个模块是一种趋势，这种趋势在MCU中已经出现了一段时间，但是预计在未来的24个月内将有许多目标设备激增。

原型设计和设计已经变得如此短而受控，并且供应商已经创造了数量惊人的模块化模拟内容，以至于市场营销部门能够为狭窄的大批量应用指定精确的芯片。

这主要是由于嵌入式设备的制造和设计技术的进步，但它也是MCU市场成熟的副产品，因为越来越多的公司正在寻找成为第一个在任何新兴设备中捕获插座的方法。

竞争是如此激烈，以至于在针对这些客户的第一个实际设备问世之前，新应用就已经大量销售。在个人医疗设备中可以看到一个例子。数字化血糖和血压监测仪已经存在了一段时间，但是近来诸如数字听诊器，肺活量计，脉搏监测仪和血氧仪的创新都被集成到一个可以放在口袋里的系统中，这一直在驱动着高度集成的芯片。

没有几代“集成”，包括用于缓冲和信号调节的运算放大器，高分辨率ADC，可编程增益级和数模转换器（DAC），这将是不可能的。

随着芯片的缩小以及新传感器的发展，以取代和改进传统的机械传感器，许多医疗公司希望通过便携式健康监视器来革新现代医疗保健。

理想的医疗重点MCU将是纤巧，极低功耗的可植入信号链，带有能量收集器或纤巧电池，8位或10位ADC，用于信号调理的运算放大器，低速/低功耗CPU以及415 MICS频带中的MHz无线电。

当今，与应用程序特定集成的另一个有趣领域是公用事业计量。随着智能电网的巨大嗡嗡声，每个人都在争夺一些受激励启发的智能电表市场，这导致了一些非常独特的MCU。

一些公司针对此市场生产了高度集成设备的全部产品组合。这些部件可能具有用于三相电表的数据转换器和辅助可编程处理器，该辅助可编程处理器可以加快计算过程，同时消耗的电能比主CPU少得多。点击领取嵌入式物联网学习路线

将成为明天智能电表的核心的MCU可能会包含更多的数据转换器和传感器，以及用于与房屋中所有耗电设备进行通信的有线和无线通信接口。

此外，还将提供在芯片上具有多个专用处理器的解决方案，用于处理测量，通信，数据记录和显示。面向未来智能电表的一个MCU解决方案将真正对工程能力进行测试，因为这些设备必须非常耐用且具有高能效。

电源管理和能量收集

随着绿色工程成为该行业最热门的主题之一，该行业中的每个IC都不得不紧缩其功耗。凭借积极的设计目标，MCU在集成传统上由独立电源管理芯片负责的功能的设计目标方面一直处于领先地位。

已经有集成了低压差稳压器，掉电检测，电压转换器和多个内核电压电平的设备，但是这些元件一直是无源且不可编程的。

新兴和未来的设备将在正常操作过程中吸收并输出多个电压电平，所有这些电压电平都可以通过编程到芯片中的操作系统或状态机来决定和更改。随着电路板尺寸的减小和PCB上出现更多需要不同电压和电流水平的设备，集成电源管理是许多MCU的主要差异化因素。

能量收集是一个非常新的棘手领域。诸如薄膜固态能量电池和创新的用于振动，太阳能，热能和射频能量的微能量采集元件等技术的出现将使无电池应用得以持续一整代而无需维护。

电池独立应用功效的关键因素是低功耗MCU的智能性。这些系统具有复杂的电源管理电路，用于采集元件的极限输出。

集成解决方案是将这些部件放入无线传感器网络并将其嵌入建筑物以监控环境和结构完整性的关键。最后，这种不断增长的集成是由几种不同的趋势驱动的。

首先，现代SOC的CPU和数字部分平均不到芯片的15％。大多数空间用于嵌入式存储器，并且随着新的存储器技术的出现和几何尺寸的缩小，芯片上有更多模块的空间，而又不影响SOC的整体尺寸。

其次，客户需要体积更小，价格更便宜，功能更多的产品。这给芯片供应商带来了一个难题，他们必须在装有许多小芯片的较小和更复杂的系统之间进行选择，或者在较小和较复杂的SOC之间进行选择以替换旧设计中的五六个芯片。

最后，完全集成的解决方案提供了一种更加可靠和持久的方式来解决当今许多问题，例如可植入设备，嵌入式结构监视和完全联网的家庭。

到目前为止，我们已经讨论了嵌入式处理器的两个趋势；非易失性存储器和先进，快速的集成。接下来，我们将研究一种趋势，可以将其视为这些趋势的副产品，甚至可以认为是由不同技术进步带来的完全独立的趋势。

这就是真正的嵌入式开发设备的趋势，这是在科幻小说之外从未听说过的地方增加电子控制的方法。

在一级方程式赛车，大众运输火车甚至信用卡中，这种情况就已经发生了，您会看到控制器嵌入产品的材料中或使用户看不见。