[１６位ＭＣＵ攻略] 16位单片机

　　16位单片机(微控制器，MCU)一向是一个颇有争议的产品地带：往高走有32位MCU一大批厂商及其丰富的产品线顶着，向下游更有五花八门的8位单片机世界窥视着。因此，四、五年前，业内流行着这样一种看法：16位单片机是8位与32位微控制器之间的灰色地带，除了汽车等利基市场外，少有发展机会了。几年过去了，16位单片机市场到底如何?
　　
　　市场稳中有升
　　
　　许多16位厂商认为16位单片机有其独特的市场定位，市场规模不会缩小，是不可取代的，16位MCU只会平稳的增长。
　　“根据瑞萨的预测，中国的16位、32位MCU的年增长率都在10％以上”。瑞萨科技(北京)有限公司北京技术中心总经理常清璞认为。但是世界单片机市场增长略低(如图1)。
　　根据Strategy Analysis的最新研究报告，16位MCU未来5年的年均复合增长率达到28％。富士通公司MCU产品经理丁洁早分析道，从富士通微电子的经验看来，8位有统占低端市场的趋势。在部分中高端市场，32位MCU会采取降价的策略抢占一部分16位MCU的市场，但受制于其成本的因素，在总体上，不可能做到像16位MCU一样的性价比。因此可以相信，16位MCU以其出色的性价比，在汽车电子、工业控制领域将会有更大作为，比如汽车的动力系统、组合仪表板、空调系统以及车身模块，基本都是采用16位MCU进行设计。8位MCU由于技术门槛不是太高，加上低端市场的巨大规模，当然是几乎每一家MCU公司的必备产品线。32位MCU由于引入开放式ARM架构，降低了竞争者的准入门槛，而且市场的应用得以不断的拓展，所以未来也充满了很多的机会。
　　
　　Freescale也十分赞同16位单片机在汽车领域地位稳定。Freescale半导体中国区汽车电子工程经理康晓敦说：“由于需要较长的开发周期和较长的产品生存周期，在汽车电子领域16位单片机市场不可替代。因为16位MCU可以覆盖一部分32位MCU和8位MCU的市场，而且其开发过程比32位要简单，也不比8位难多少。这样在汽车电子供应商开发平台性项目，或利用共享资源开发多个项目时，16位MCU因其覆盖面较广，就会有相对大的空间。
　　可见，随着8位MCU性能越来越高，32位MCU成本不断下降，MCU市场不再泾渭分明，而是体现出相互覆盖，相互渗透的趋势。16位单片机成为了8和32位之间的灰色地带。有厂家认为灰色地带越来越窄，但是也有厂家专门挖掘这块灰色地带，使它越来越宽。TI MSP430中国区业务拓展经理刁勇认为，“由于16位单片机与其它位数产品的界限越来越模糊了，因此，为16位MCU伸缩拓展带了机遇。”TI的微控制器产品线只有16位的MSP430，刁勇对16位MCU的市场成长抱非常乐观的态度。事实上，许多MCU市场不是靠总线位宽唯一决定的，在很多应用场合总线位宽都不是重要的考虑因素。MCU的功耗、片上集成的模拟和数字外设以及开发易用性等因素成为决定MCU应用的重要考虑。传统的16位MCU在追求位宽和速度的同时，牺牲了功耗，开发手段复杂，因此限制了16位MCU的应用。如果16位MCU能够解决功耗问题，集成丰富的模拟和数字外设和实现开发的易用性，16位MCU除了可以固守原有的市场应用外，还可以在一些市场领域和8位MCU甚至32位MCU竞争。
　　由于产品线的细分，大部分有16位单片机的厂家也有8位和32位产品。这样可以帮助各种层次客户选择最适合他们系统要求的MCU类别，使得客户的产品与他们的竞争对手相比，保持最大竞争力，又做到充分差异化。例如，富士通的8位、16位和32位MCU保持基本指令的兼容性，客户如果要从8位MCU升级到16位MCU平台，只需修改少量的代码。
　　
　　为何玩家数量有限?
　　与8位、32位参与者众多不同，16位单片机厂商数量屈指可数。原因可能是少数几个大厂家在此市场较为成功，居垄断地位，因此其他厂家介入较难，因此干脆依靠ARM核直接跳到了32位单片机市场。例如，瑞萨科技(北京)有限公司北京技术中心总经理常清璞说：“瑞萨的16位单片机营业额占40％的市场份额。”因此，瑞萨、Infineon、TI等16位MCU占其嵌入式业务主流的公司在此领域称霸多年。
　　不过，也有勇于向垄断挑战的斗士。例如Microchip公司在8位MCU市场取得了世界营业额桂冠后，在2005年10月宣布进军16位单片机市场，2006年上半年16位单片机批量上市，当时该公司CEO Steve Sanghi来访北京时，曾说十分看好16位单片机的定位，认为是8位和32位无法取代的，尤其在16位单片机的基础上发展用于电机控制的DSC(数字信号控制器)。值得一提的是，Microchip 2007年11月8日才宣布进军32位单片机市场，可见Microchip把16位单片机的发展规划为该公司称雄嵌入式世界的战略步骤之一。不过，务实的Microchip单片机把位数提高绝不是跟风走、随大流，执行副总裁GaneshMoorthy说，Microchip的新芯片首先是满足该公司客户的需要，然后才是向外拓展。在拓展方面，Microchip看到每年从中国毕业的工科学生的数量巨大，认为这是非常巨大的潜在设计资源，因此今年该公司与本刊(《电子产品世界》)联合举办“Microchip 2007～08年度16位嵌入式控制设计大奖赛”，可见Microchip公司对发展16位单片机的坚定信心。
　　然而，有着雄厚32位处理器实力的Freescale却认为16位的空间较窄。因为随着32位MCU的价格不断走低和一些8位MCU变得更加强大，16位MCU的空间已缩小到一些独特的市场，包括汽车、存储、数码相机、摄像机等。8位产品的易用性和低成本在市场极具吸引力，而16位需要更大的处理功率和存储空间，以及更大的引脚。Freescale用于控制的Coldfire系列在16位、32位的架构都有，但Coldfile在32位的发展越来越好。另外，该公司去年夏天推出的Flexis单片机，也是8位和32位之间软件和引脚兼容。
　　
　　16位单片机的技术趋势
　　
　　与8、32位无缝移植。随着产品升级换代的需求，工程师需要轻松地从初级MCU移植到16位，或者16位向更高端的MCU移植。
　　网络化。Freescale的康晓敦说，针对汽车电子网络化的发展要求，需要开发更强大的用于不同网络的MCU。
　　制程和性能提高。富士通的丁洁早指出：16位MCU主要面向中高端市场，未来会不断地采用更高更先进的制程技术，CPU处理能力也越来越高，同时功耗和成本都可以不断 的降低。所以，从某种程度上来说，也许未来的16位MCU也可能会抢占一部分8位MCU的高端市场，同时与32位MCU不断拉开价格差距。
　　可向传统8位市场延伸。TI的刁勇说，正如我们所知，MCU的市场应用不是靠总线位宽唯一决定的。MCU的功耗、片上集成的模拟和数字外设以及开发易用性等因素成为决定MCU应用的其他重要考虑。所以16位MCU如果能够实现低功耗乃至超低功耗、集成丰富的模拟和数字外设和实现开发的易用性，16位MCU可在传统的8位市场应用(比如防窃电表、水表、热表、消防探头和有源RFID)成为客户的首选，并在越来越多的创新领域(比如数字式安装仪表和便携式的家用医疗仪器)得到广泛的应用，未来的应用前景十分乐观。
　　
　　三大主流应用
　　Microchip大中华区资深应用工程师经理夏宇红总结道，当前中国市场拉动16位MCU的需求主要有：
　　消费电子。中国在消费电子生产和销售有着举足轻重的地位，但庞大的传统家电产业随着生产技术和市场的成熟和老化，利润空间已逐渐萎缩。家电厂商都将重点放在新型家电产品的研发和市场培育，如变频空调、节能冰箱、网络家电、智能家居等，传统的8位MCU已不能适应这些产品的发展，而32位MCU的芯片成本和开发成本也不适合这个应用，16位MCU正好处于二者之间，较好地迎合了这些产品的需求。此外，方兴未艾的数字消费类电子也是16位MCU的巨大推动力，如机顶盒、手机、PDA、便携式媒体播放器等等，这些产品有着换代周期短、消费人群多、对MCU性能要求高等特点，也是16位MCU的主战场。
　　汽车电子。32位MCU主要见于汽车信息系统中，8/16位才是汽车电子的主流，其中16位MCU由于其固有的一些优势，如高速数据处理(16位)，灵活的外围接口(CAN,LIN)、高速外设(A/D，PWM)等，在汽车电子上的应用前景优于8位MCU。
　　工业控制领域。比如变频器、数控机床、热工仪表、自动控制应用。这些工控场合对速度要求低于对可靠性的要求，16MCU由于系统大小适中，实时性好，非常适合应用于这个领域。
　　
　　各家产品优势
　　Inflneon
　　Infineon微控制器高级总监石敬岩指出，一个新的好平台，即便芯片成本降低20％，转换平台仍需很大的决心。这是因为工业企业的客户多为中小型企业，在中国很多企业的主要软件设计人员是公司的高管，既要管理企业又要进行产品设计，因此软件平台的转换(需要消耗1～2人年)不仅包括通常的软件开发成本，有时还包括很高的管理者时间成本。因此，在转换平台时努力将研发成本减少1人年以上成为公司的目标。核心和外设的一致性可以减轻客户的研发负担，同时需要为客户提供整套的工具套件。
　　针对电机控制领域，Infineon走了两条路线：8位和16位，并且提供解决方案配套，芯片均为该公司的单片机和功率器件。今年初推出的XE166系列是适用于工业应用的16位实时信号控制器。xE166结合了C166和XC166的优势，提高了实时性；除此之外，嵌入了稳压器、振荡器等，实现了更高的集成度；另外，内核速度更快，最高达80MIPS，集成了DSP单元；还有内存容量更大，目前最高可达768kB闪存，针对电机驱动，具有同步双ADC和4个PWM单元。在上市时间方面，由于兼容C166代码，产品开发时间缩短。
　　
　　富士通微电子
　　富士通既有的16LX产品，在变频家电、汽车电子、工业控制领域取得了较高的市场地位，某些应用领域的市场份额甚至高达80％。富士通最近正式推出了新的16FX产品系列，全部采用0.18um的工艺制程，大干21MIPS的CPU处理性能，集成2通道CAN总线，支持更多新型通讯接口，主要面向汽车电子和工业控制市场应用。新的16FX相比以前的16LX，性能提高5倍，而价格基本保持相同。
　　Freescale
　　Freescale的S12X系列16位微控制器带有一个功能强大的XGATE协处理器，能够分担CPU的很大一部分计算机密集型操作。这种多功能、高效的协处理器专门用来处理中断事件而无需CPU的干预。XGATE以比CPU的时钟速度高两倍的速度从随机访问存储器(RAM)中运行，可以减轻CPU执行耗时的中断处理操作的压力，使它能专注于与应用有关的工作中。
　　带有XGATE的16位MCU已经在市场上获得了广泛的好评。这种16位MCU以其上能具有接近与32位MCU的性能，下有近乎于8位MCU的价格，在从动力总成控制到车身控制的几乎所有汽车电子中使用，如中低档动力总成控制、安全气囊、ABS控制、车身网关等。
　　TI
　　最近几年，MSP430在全球每年的业绩成长都超过50％。主要在仪器仪表、工业控制、医疗仪器、无线/射频和计算机周边等领域得到广泛的应用。TI未来关注的焦点方向有MSP430FE42X在单芯片防窃电电表方面的应用，以及MSP430FGXXX系列在便携式个人医疗仪器上的应用。
　　MSP430主要的优势是超低功耗架构，针对电池供电的应用可大幅延长电池寿命，例如RAM保持模式仅消耗0.1uA；实时时钟模式仅消耗0.8uA；工作模式仅消耗250uA/MIPS。除此之外，还有丰富的模拟/智能外设集成，具有超过100种器件，另外还采用16位RISC CPU以更精简的代码支持各种应用等特点。
　　
　　Microchip
　　Microchip有dsPIC系列、PIC24F和PIC24H系列。特点是高、中、低各个系列齐头并进，型号齐全，为用户提供优化选择。这些产品从内核到外设兼容性良好、使用共同的开发环境，最大化客户开发效率。
　　Microchip 16位开发工具的配套较好、兼容性高、开发风险小。仿真工具(MPLAB-IDE)、开发工具(PM3、ICD2、REALICE)、产品文档、应用笔记、编译工具(C30、汇编器)、开发板(以太网、语音处理、通用板)、库函数(DSP库、外设库等)等都随着新产品的发布同步到位。
　　针对不同市场，Microchip 16位系列分为通用系列、传感器系列、数字电源SMPS系列、电机控制系列等。
　　
　　瑞萨
　　瑞萨科技宣布09年上半年将要推出一个创新的新型CISC(复杂指令集计算机)CPU架构设计，是32位为基础，有两个系列、两个发展方向，以低功耗为主的方向是以16位架构为主，高性能的以32位架构为主。新系列出来后，将对原有的32位和16位单片机系列有替代关系，如M16C、H8S、R32C和H8Sx系列。
　　新型RX架构实现了一些重要特性，可以充分满足公司如下目标：
　　高工作频率：200MHz
　　处理性能(MIPS/MHz)：1.25 MIPS/MHz(Dhrystone v2.1基准)
　　高代码效率：与现有产品相比目标代码量减少了30％，
　　低功耗：0.03 mA/MHz。
　　兼容性和可扩展性。为了向客户提供更高性能的MCU或其他可兼容器件的无缝升级路径，瑞萨计划为所有采用RX架构的器件提供一整套开发工具。新的工具链有望简化系统设计和应用代码的移植，因此客户可以用更少的时间完成新产品的开发。新的工具链包括一个可保证代码复用的C编译器，从而保护了客户在H8和M16C系列上的投资。