PHILIPS公司32位FLASH MCU的优势

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PHILIPS公司32位FLASH MCU的优势

国际半导体贸易统计显示，8位芯片仍然占据着微处理器市场56%的销量和40%的销售额。最流行的8位INTEL架构的8051芯片平均每年销售33亿片－大约是32位PC微处理器销量的30倍。甚至最早于1971年面世的低端4位芯片的销量也只比它们的最高销量低15%。嵌入式系统开发者仍然在使用这些芯片，因为它们具有极低的价格、微功耗以及小的体积，可以为几乎任何应用增加智能化。
为了用功能更强大的器件取代8位和16位微控制器，PHILIPS半导体发布了基于ARM7的32位MCU的新产品线。PHILIPS知道以其自身的条件无法击败最小的MCU，但PHILIPS相信这样一个以较小尺寸制造的、具有额外性能的32位MCU可以使一些开发者抛弃他们节俭的习惯。为了使吸引力更强，PHILIPS以特别的0.18微米COMS工艺制造新的MCU，它提供了内嵌的FLASH存储器。
FLASH
PHILIPS新的LPC2100系列所有MCU都使用包含16位Thumb指令、调试扩展（包含实时监视、实时跟踪和EmbeddedICE）和32位乘法器的ARM7TDMI-S内核。ARM7－具有简单的3级流水线和冯·诺依曼结构－是最小的32位RISC内核，业界对其提供了广泛的支持。虽然具有31000个门的ARM7TDMI-S内核在规模上相当于80C51（具有大约9500个门）的3倍，但在使用0.18微米工艺时，这一差别并不明显。使用0.18微米工艺可以在1mm2的面积内集成10万个门，而SRAM单元只占用4.65μm2。当处理器核与外围功能以及片内存储器集成在一起时，这一差别就更小了。在一个要求连接网络（一个越来越普遍的功能）的嵌入式系统中，实现以太网媒体访问控制器需要6万到9万个门。同样，任何有用数量的片内SRAM都有可能使处理器占用的硅片面积减小。
为了降低成本和功耗，PHILIPS使用0.18微米工艺制造LPC2100芯片，它在1.8V操作电压下可达到60MHz频率。PHILIPS宣称它在业界率先采用了具有嵌入式FLASH存储器的0.18微米CMOS工艺。零等待状态FLASH基于两晶体管单元，其访问时间在50ns之内。它通过一条非常宽的128位接口与处理器相连。这使处理器可以一次读取4个字，从而消除了一般FLASH读取时的等待时间。FLASH控制器还可执行智能的预取指缓冲，这样当处理器必须处理器中断服务程序时，保存在FLASH存储器中的指令立即可用。PHILIPS提供一个FLASH装载程序，它可通过一个串口下载用户程序并在现场升级系统。
供货
迄今为止，LPC2100系列所有器件都带有128K嵌入式FLASH，但将来的芯片将会提供小到64K，大到1MB的FLASH存储器。PHILIPS在今年晚些时候会提供具有256K FLASH的芯片，计划到2004年以更小的0.13微米工艺生产具有1MB FLASH的芯片。
LPC2100系列成员在SRAM的数量上有较大差别。LPC2104, LPC2105和LPC2106分别具有16K, 32K和64K SRAM。较大的片内存储器使LPC2105和LPC2106更适合于处理协议栈的网络应用。PHILIPS表示将来这一系列的芯片将增加以太网、USB、802.11、CAN以及A/D转换等逻辑。
集成FLASH的两种方法
PHILIPS不是第一家生产基于ARM的MCU的公司，它甚至不是第一家集成FLASH存储器的公司。Atmel、Hynix和Oki都提供基于ARM7TDMI-S内核的带有FLASH的MCU，而且所有这些厂商的器件都比PHILIPS MCU的FLASH容量更大。最强大的竞争对手是Atmel，它的AT91系列就有4款这样的芯片－有些具有2MB的FLASH，16倍于现有的PHILIPS LPC2100系列器件。Atmel MCU倾向于具有更多的SRAM，其中两款的时钟速度高于PHILIPS的芯片。
但是Atmel、Hynix、Oki和PHILIPS所生产的基于ARM7的MCU具有一个重要的区别，那就是：只有PHILIPS和Hynix将FLASH存储器与处理器核集成在同一个管芯当中，Atmel和Oki将一个单独的FLASH芯片与处理器集成在一个多芯片封装当中。很自然，这对存储器性能、封装大小、功耗以及价格有着很重要的影响。
在Atmel的MCU当中，FLASH 接口的宽度只有32位，而不是PHILIPS的128位宽度。访问时间大约110ns，只有PHILIPS FLASH存储器速度的一半。一个后果就是，Atmel的MCU只有在执行SRAM，而不是FLASH中的代码时才能发挥其完全的性能。而PHILIPS MCU执行零等待FLASH存储器中的程序却不会有性能上的损失。Oki的MCU速度更慢，因为连接处理器与FLASH存储器的多芯片接口只有16位宽度。虽然Hynix的FLASH与处理器核嵌入在同一个芯片当中，但它也使用了16位接口。Hynix FLASH存储器的访问时间大约为90ns－只有PHILIPS MCU速度的一半。
PHILIPS的0.18微米嵌入式FLASH工艺的另一个优点是实现了较小的芯片，这样不但降低了功耗，减小了封装尺寸，而且降低了成本。PHILIPS MCU的尺寸只有7×7 mm，比最接近的对手Atmel的10×10mm AT91FR4042和AT91FR40162的尺寸小了一半。Oki的ML67Q400x/500器件的尺寸是同类器件中最大的，它的LQFP封装尺寸为20×20mm，4倍于PHILIPS器件。
虽然Atmel MCU倾向于比PHILIPS MCU具有更多的SRAM，但是要用它来弥补较慢的FLASH存储器的不足，而SRAM比FLASH更大而且更贵。不幸的是，我们无法获取所有这些厂商器件的功耗指标、封装尺寸和批量价格。但是毫无疑问，PHILIPS的0.18微米工艺使LPC2100器件的内核电压和其它参数在非常小的嵌入式系统中具有优势。
对于32位处理器来说，所有这些基于ARM7的MCU都非常便宜，但是请注意，在相同批量的情况下，8位芯片的平均价格只有1.40美元。几块钱看起来差别不大，但对于低端的嵌入式系统来说非常重要。
较小的ARM，较大的Thumb ?
ARM可以通过提供特别为MCU集成而设计的，带有扩展Thumb指令的较小内核来缩小8位与32位MCU之间的价格差。现在，由于Thumb不是一个完整的指令集，ARM程序必须在16位和32位模式之间进行来回切换。另外，它不能处理异常或某些系统控制的功能或者访问整个寄存器文件。如果Thumb功能更加全面，那么开发者可以用紧凑的16位代码编写整个程序，而仍然保持32位结构的大多数优点。
一个带有功能全面的Thumb指令的ARM核可能与Hitachi第一代SuperH结构相似，SuperH将16位指令集与32位RISC结构相结合。去年，ARC使用了一种新的方式实现其ARCompact指令集结构，该结构允许程序员编写16位或32位代码，或将两种类型的指令混合编写。ARCtangent内核的基本配置大约为16000个门，相当于ARM7的一半，这样32位RISC内核就有可能与8位和16位结构竞争。

李小路

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