Ultrabook Bluetooth Cortex-M 32位元微控制器 16位元微控制器 CMSIS 智慧手機 智慧型手機 Smart Phone 平板電腦 混合訊號 RFID FRAM MCU 時脈

老將新兵過招 32位元微控制器鏖戰再起

32位元微控制器年複合成長率與出貨量已超越8位元微控制器,成為微控制器市場的主流。吸引原本專注於8051架構的微控制器廠商加入戰局,為防堵32位元微控制器市場新進廠商的競爭,既有業者亦積極強化產品功耗與開發軟體的完整度。
32位元微控制器(MCU)市場發展快速攀升,吸引眾多微控制器廠商競逐商機。據Databeans調查報告指出,由於自動化與多功能要求設計漸成趨勢,微控制器市場20072012年複合成長率(CAGR)達8%,其中消費性電子、工業自動化、汽車電子與醫療電子,將會是市場成長的主要領域。

IHS iSuppli則預估,2012年全球微控制器市場將有36億美元的規模,市場商機驚人。

因此為掌握32位元微控制器商機,包括恩智浦(NXP)、德州儀器(TI)等較早投入32位元微控制器市場的業者,以及英飛凌(Infineon)與芯科實驗室(Silicon Labs)等後進廠商,皆展開最新的布局。

提升Cortex-M4 微控制器價值 晶片商加碼軟體套件

為強化Cortex-M4微控制器在工控應用市場的吸引力,包括英飛凌與德州儀器皆不約而同推出功能更強大的Cortex-M4微控制器軟體套件,協助客戶縮短產品開發時程,並節省設計成本,可謂軟體套件已成為微控制器業者的新戰場。

圖1 英飛凌工業與多元電子微控制器部門資深協理Stephean Zizala提到,XMC4000將發揮優異的軟體能力,搶進工業自動化、馬達與太陽能逆變器控制市場。
英飛凌工業與多元電子微控制器部門資深協理Stephean Zizala(圖1)表示,隨著工控市場對微控制器的運算效能要求大增,功能可媲美數位訊號處理器(DSP)的32位元Cortex-M4微控制器已成為晶片商的布局重點。不過,在升級微控制器硬體效能後,相關的軟體開發工具、周邊介面驅動程式支援需求也隨之攀升,促使客戶更注重微控制器軟體套件的完整性,才能完全展現Cortex-M4微控制器的價值。

因此,英飛凌投注相當的人力、物力強化軟體套件功能,並於日前發表32位元Cortex-M4微控制器--XMC4000的專屬軟體套件--DAVE 3,協助客戶打造低成本、高效能的工控應用產品。

Zizala指出,DAVE 3支援即時控制、浮點運算功能,並可依據預先定義的軟體元件自動產生程式碼,再經由圖形使用者介面(GUI)以簡單的方式進行配置。如此一來,產生的程式碼可直接在DAVE 3操作環境中進行編譯和除錯,或是匯入第三方工具進一步處理,不僅讓微控制器具備軟體編程能力,亦大幅降低設計複雜度,有助客戶開發多元應用程式。

儘管英飛凌Cortex-M4微控制器推出時程較其他廠商落後,但Zizala強調,英飛凌特別在軟體層面下功夫,並獨家導入可彈性更改微控制器對外通訊介面的軟體編程功能,實現媲美現場可編程閘陣列(FPGA)的靈活性,可望藉此在市場上後發先至。

除英飛凌外,德州儀器亦瞄準Cortex-M4F微控制器軟體開發需求,於日前推出符合安謀國際Cortex微控制器軟體介面標準(CMSIS)的StellarisWare軟體套件,藉以實現更有效率的產品開發流程。

據了解,StellarisWare軟體可透過豐富程式碼支援和免專利費的軟體庫,加速Cortex-M4F微控制器上市時程。包括Stellaris周邊驅動器庫、通用序列匯流排(USB)資料庫、圖形庫和開機載入程式,均已預編程(Pre-programmed)至德州儀器Stellaris系列微控制器的唯讀記憶體(ROM)中,有助開發人員發揮Cortex-M4F核心的完整優勢。

在各家採用Cortex-M4核心的微控制器硬體規格日趨相近下,可預見晶片商將全力優化軟體設計,藉以展現差異化,吸引更多客戶青睞。

搶食行動裝置大餅 雙電壓微控制器出籠

在行動裝置導入32位元微控制器的比重逐漸增加的同時,為插旗諸如智慧型手機、平板電腦、超輕薄筆電(Ultrabook),以及可攜式醫療電子等市場,恩智浦利用Cortex-M0微控制器核心,推出具備雙電壓32位元微控制器--LPC1100LV系列,期以低耗能優勢於行動裝置市場攻城掠地。

圖2 恩智浦MCU產品線市場行銷 總監Jan Jaap Bezemer表示,採用雙電壓設計的32位元MCU可為客戶產品帶來低功耗的競爭優勢。
恩智浦微控制器產品線市場行銷總監Jan Jaap Bezemer(圖2)表示,由於2012年行動裝置的需求將持續高漲,為提供客戶更長的待機時間,以及電池壽命等低功耗解決方案,在微控制器中加入雙電壓的設計將是未來趨勢。

Bezemer進一步表示,目前在單一微型封裝中,大部分微控制器仍無法實現高性能雙電壓的產品,導致行動裝置系統在中央處理器(CPU),以及輸入/輸出(I/O)的電壓需求中,無法做出有效率的電源管理,進而使耗能變高、縮短電池使用壽命,讓產品市場競爭力低落。

為因應此一挑戰,恩智浦LPC1100LV系列32位元微控器導入獨家雙電壓供應模式,藉由晶片內數位轉換機制,同步支援1.8伏特(V)和3.3伏特電壓,並針對中央處理器採1.8伏特低電壓輸入;在I/O部分則轉為3.3伏特規格,以大幅降低功耗。

除功耗表現亮眼外,LPC1100LV系列在系統喚醒時間上亦相當快速。Bezemer補充,受惠於恩智浦最新256位元組擦除磁區和低漏電流的嵌入式快閃記憶體(Flash Memory),此一新款微控制器可在5微秒(μs)極短時間內,快速喚醒行動裝置系統,並立即達到最佳性能,以滿足使用者的需求。

Bezemer強調,LPC1100LV系列產品採用2毫米(mm)×2毫米微型晶片級封裝(WLCSP),為目前全球尺寸最小的32位元微控制器,同時亦提供5毫米×5毫米HVQFN封裝選擇。目前已有客戶將此一元件導入產品設計中,應用領域除行動裝置系統加密、觸控模組、外接鍵盤外,也將包含藍牙(Bluetooth)4.0產品,今年4月底已正式商用量產,未來相關產品亦可望陸續面市。

混合訊號技術做後盾 芯科加入32位元MCU戰局

芯科實驗室正式跨入32位元微控制器領域。有鑑於各式智慧型應用對32位元微控制器的需求日益高漲,原本僅專注於8051架構微控制器的芯科實驗室,也開始跨足32位元市場,並挾豐富的混合訊號與時脈技術優勢,為新推出的Cortex-M3微控制器創造產品區隔。

圖3 芯科實驗室微控制器產品總經理Mike Salas表示,相較其他同類型32位元微控制器產品,Precision32休眠電流可降低五至一百倍,工作電流可減少33%。
芯科實驗室微控制器產品總經理Mike Salas(圖3)表示,看好32位元微控制器市場發展前景,該公司在過去8位元微控制器的研發基礎上,進一步推出32位元微控制器Precision32,除延續8位元微控制器混合訊號、時脈技術等特性,並可透過新的圖形化介面設計工具AppBuilder,簡化及縮短工程師產品設計的時間。

身為32位元微控制器市場後進業者,Salas指出,芯科實驗室主要的優勢在於混合訊號與時脈專業技術,可協助設計人員克服產品開發時所面臨的成本、功耗、類比整合與周邊規畫等挑戰。

舉例而言,周邊的靈活配置、類比效能的提升,以及頻率與電壓的彈性運用,都須藉助混合訊號與時脈技術才能達到。

Salas指出,Precision32內建兩個12位元類比數位轉換器(ADC),兩個比較器與兩個10位元數位類比轉換器(DAC),相較於競爭對手的產品,這些類比周邊適用電壓與溫度範圍皆較廣泛。此外,芯科實驗室也發揮時脈技術專長,在新產品中整合振盪器,並配備鎖相迴路(PLL)架構,使微控制器可彈性調整1M80MHz的工作頻率,達到更省能的效果。

更重要的是,該產品可於5伏特電壓運作,Salas強調,現有採用安謀國際(ARM)核心架構的微控制器皆無法用於5伏特電壓,但基於工業領域須要採用5伏特電壓的需求,因此混合訊號與時脈技術即可派上用場,還可降低微控制器功耗。

另外,Precision32高整合度特性,亦可節省物料清單(BOM)成本,而完整的開發工具也可縮短產品開發時間。

未來,芯科實驗室將更著重於8與32位元微控制器產品的雙線發展,Salas透露,由於現有8位元產品已可涵蓋Cortex-M0微控制器應用領域,因此芯科實驗室將不會投入Cortex-M0微控制器發展;但確定將進一步推出Cortex-M4核心的微控制器,並持續以混合訊號及時脈技術,強化32位元微控制器市場地位。

FRAM襄助 TI 16位元MCU加倍省電

隨著32位元微控制器老將新秀不斷強化其產品優勢,以擘畫32位元市場未來前景,並進而朝16位元與8位元微控制器市場挺進,16位元微控制器已展開反攻。透過0.13微米(μm)製程,以及內建的低功耗鐵電隨機存取記憶體(FRAM),德州儀器新系列、代號為Wolverine的16位元微控制器MSP430FR58xx,功耗大幅降低,可適用於單電池,甚至透過電耦自體供電的應用。德州儀器新的16位元微控制器不但擁有較32位元微控制器更低的功耗外,還可較市面上同級產品省50%電力。

圖4 德州儀器亞洲區市場開發經理陳俊宏表示,新系列微控制器擁有新的圖形介面開發軟體,也可使用德州儀器MSP430相關開發工具,減少設計人員研發時間。
德州儀器亞洲區市場開發經理陳俊宏(圖4)表示,任何感測器的應用對於電池續航力皆相當要求,至少需10年以上,因此微控制器需非常省電,而透過0.13微米製程、德州儀器特有的低功耗技術與以省電著稱的FRAM,新的Wolverine微控制器可藉由1.8伏特低電壓即可啟動,甚至利用電耦,亦即透過熱產生的微小電流,也可驅動。

陳俊宏指出,與傳統的快閃記憶體和電子式可清除可編程唯讀記憶體(EEPROM)相比,FRAM毋須再外掛電容提供電力,即可進行資料讀寫,每位元功耗不但可降低二百五十倍,也可進一步縮減物料清單(BOM)成本。

另外,新製程也可減少微控制器先天的I/O漏電,再加上德州儀器亦進一步優化功耗微控制器整合的元件,如12位元ADC僅消耗75微安培(μA),也有助減少微控制器整體耗能,因此MSP430FR58xx微控制器在待機模式僅需360奈安培(nA),較同級產品功耗少二分之一。

陳俊宏透露,MSP430FR58xx系列預計6月問世,目前已有業者採用Wolverine微控制器開發無線射頻識別系統(RFID)標籤。未來,德州儀器更將推出0.9安培即可運作的新產品,並計畫內建16位元ADC提高精準度。

面對32位元微控制器的來勢洶洶,陳俊宏認為,目前影響不大,這是由於德州儀器16位元微控制器在市場以獲得多數合作夥伴青睞,加上該公司低功耗技術的加持,以及低成本優勢,在在促使德州儀器16位元微控制器產品仍有一定的市場空間。

事實上,採用近距離通訊(NFC)技術的溫度標籤即為超低功耗16位元微控制器鎖定的新興市場,陳俊宏指出,以台灣為例,一年需要消耗六十至八十萬個血袋,在運送過程中,溫度的掌控將是關鍵,但目前所採用的傳統具備溫度感測器的標籤,尺寸較大,還需要供電來源,導致電池成為溫度感應標籤成本最高的部分,而德州儀器新一代可利用電耦供電的16位元微控制器,無需電池供電與超低耗電的特性,即可解決上述問題。

另外,針對新的16位元微控制器系列,德州儀器免費提供USB Developers Package套裝軟體,包含基於USB MPS430工程開發所需的必備開放原始碼與應用範例,還涵蓋USB保健裝置的開發軟體,可刺激市場採用16位元微控制器。

由上述可見,若要搶攻32位元微控制器市場龐大的商機,開發套件、軟體的完整度,以及透過省電、混合訊號和成本等優勢進行產品區隔,已成為32位元微控制器供應商重要課題。

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