內建浮點運算　Cortex-M4F槓上DSP

Cortex-M4F微控制器(MCU)威脅數位訊號處理器(DSP)地位。由於安謀國際(ARM)Cortex-M4F核心具備浮點運算單元(Floating Point Unit, FPU)，效能直逼DSP，因而Cortex-M4F微控制器逐漸跨入過去須借助DSP運算能力的應用市場，並掀起Cortex-M4F微控制器取代DSP的效應。

Cortex-M4F來勢洶洶

目前須大量運算的應用為DSP主要應用領域，包括大型基地台、三相馬達控制、影像與音訊處理等。不過，DSP導入設計門檻較高，且成本也較貴，因此對於成本敏感的嵌入式系統(Embedded System)而言，不僅將延長產品問世時間，也將造成整體價格不夠親民的問題。因此安謀國際在最高階的Cortex-M4F核心融合浮點運算技術，使Cortex-M4F微控制器可滿足中低階DSP應用市場效能的需求，同時還可帶來成本優勢。

圖1　愛特梅爾亞太區策略行銷總監曹介龍表示，目前以具備浮點運算功能微控制器取代DSP的大宗市場為能源相關應用。

愛特梅爾(Atmel)亞太區策略行銷總監曹介龍(圖1)表示，在能源應用、智慧電網架構中的線上不斷電系統(On-line UPS)與變頻馬達控制等應用領域中，需要較強的訊號運算能力，過去皆由中低階DSP負責處理。不過，在加入浮點運算功能後，微控制器已具備強大的訊號運算與處理能力，以及成本優勢，因此32位元微控制器已在許多中低階DSP應用領域中攻城掠地。

意法半導體(STMicroelectronics)產品行銷經理楊正廉指出，除了變頻馬達控制、太陽能逆變器(PV Inverter)、指紋辨識與數位電源控制應用外，需要更高速複雜運算能力的應用，皆可以內含浮點運算功能的微控制器取代，近期崛起的Sensor Hub亦為一例。

此外，Cortex-M4F微控制器也可支援影像與音訊的處理，因此現階段MP3播放器、條形音箱等影音相關的產品，已逐漸改用Cortex-M4F微控制器，進一步降低成本。

據了解，目前許多新的應用設計案，已改採Cortex-M4F微控制器。曹介龍說明，就目前新一代能源、不斷電系統等應用設計方案中，已有半數以上採用Cortex-M4F微控制器替代DSP，預期未來比重也將逐漸增加，足見Cortex-M4F微控制器已逐漸吃下中低階DSP的市場。

楊正廉則強調，旗艦型Cortex-M4F微控制器甚至已可跨足某部分高階DSP的應用市場，隨著各家微控制器業者Cortex-M4F產品效能的不斷提升，未來微控制器將可大舉搶進高階DSP應用領域。

事實上，看好低成本且高效能嵌入式系統需求高漲，意法半導體新推出的整合混合訊號、浮點運算與比較器功能的STM32 F3，即鎖定須數位訊號控制且具成本競爭力的設計案，如數位功率轉換、太陽能逆變器、高階發光二極體(LED)照明與電表。

而基於市場與配合現有產品線的考量，僅投入Cortex-M3與M4F微控制器的愛特梅爾，以Cortex-M4F強攻DSP市場的策略相當明顯。曹介龍解釋，先前愛特梅爾針對ARM7與ARM9微控制器的發展相當專注，再轉進Cortex-M系列時，ARM7實可等同於Cortex-M3核心，ARM9與Cortex-M4F則為浮點運算功能的差別。因此愛特梅爾可順利開發產品，並利用Cortex-M4F微控制器瞄準DSP高運算的應用市場，目前效益也逐漸顯現。

飛思卡爾(Freescale)除以Cortex-M4F替代中低階DSP外，也計畫以該高效能微控制器涵蓋Cortex-M3微控制器市場。而德州儀器(TI)的Cortex-M4F微控制器則是大打低價策略，提高Cortex-M4F微控制器市場接受度外，也讓客戶更有意願轉用。

值得注意的是，面對Cortex-M4F微控制器的競爭，同時擁有微控制器與DSP產品線的業者，遂以兩大產品互補為主要的推展策略。

不以完全取代DSP為目標

雖然，Cortex-M4F微控制器可涵蓋中低階，甚至部分高階DSP應用市場所需，但Cortex-M4F微控制器並非可完全取代所有的DSP。如大型基地台、網通設備、智慧影像處理等資料運算量更高的應用，Cortex-M4F微控制器仍無法滿足應用的效能需求，仍得採用DSP。

德州儀器、飛思卡爾認為，DSP仍有其市場存在的必要性，即使Cortex-M4F微控制器內含浮點運算功能，也無法滿足所有DSP應用市場要求，因此同時具備Cortex-M4F微控制器與DSP的業者，將教育客戶如何在其設計案中導入最合適的元件，以高階DSP補Cortex-M4F微控制器效能的差距；並藉Cortex-M4F微控制器強化成本導向的DSP應用市場，如此一來，將不會產生微控制器與DSP產品市場重疊狀況。

有鑑於高階Cortex-M4F微控制器效能已具備一定水準，可滿足現有嵌入式系統應用，因此微控制器多核心的發展趨勢尚未明確。

市場需求未起　多核心MCU發展路遙迢

目前嵌入式系統應用陸續整合更多功能，甚至聯網技術也即將成為標準配備，因此對於系統主核心元件效能的要求不斷增高，先前市場也出現多核心微控制器的發展需求。然而現今的單核心32位元微控制器效能已綽綽有餘，因此市場對於多核心微控制器的需求並未真正發生。

圖2　飛思卡爾資深全球產品經理陳麗華表示，雙核心微控制器產品不僅須整合兩個核心，還須融合更完整的周邊，才可獲得市場青睞。

飛思卡爾資深全球產品經理陳麗華(圖2)表示，基於應用的便利性、效能及降低系統功耗等需求，嵌入式市場對多核心微控制器確有商機。不過，就目前的嵌入式設計來看，採用多核心微控制器仍極為少數，因此包括飛思卡爾在內的微控制器供應商皆抱以觀望態度，多未投入多核心微控制器產品的開發。

據了解，現階段僅恩智浦(NXP)推出Cortex-M4與M0雙核微控制器，以及瑞薩電子(Renesas Electronics)利用自行開發的微控制核心進行融合，發展雙核產品。安謀國際(ARM)處理器部門嵌入式處理器產品總監Richard York認為，具備聯網功能的嵌入式產品如智慧電表(Smart Meter)，確實可透過兩個不同的微控制器核心分別執行通訊技術的協議，以及資料演算，但目前相關的設計案實為少數。更何況，多核心微控制器意味著成本也將增加，因而在相當強調成本的嵌入式系統中，目前多核心的導入仍較少。

芯科實驗室微控制器產品行銷總監Keith Odland明確表示，現階段該公司未提供以多核心為基礎的微控制器產品，且多核心架構也不在短期的產品發展藍圖中。雖然多核心架構較單核心設計提供較多的效能，然而也會導致功耗的增加，並帶來特殊的編程挑戰。

York指出，舉例而言，針對物聯網應用，採用單核Cortex-M4核心32位元微控制器與射頻(RF)控制器封裝而成的單晶片，不僅效能足以應付市場需求，也可更節省成本與保持設計的簡易性。因此考量上述條件，安謀國際將不會推出多核心微控制器矽智財(IP)，而是讓業者依市場需求，自行組合不同的Cortex-M系列核心。

儘管如此，微控制器業者對多核心的市場發展仍樂觀面對。陳麗華指出，以飛思卡爾整合處理器與微控器核心的技術基礎，未來將更易於研發雙核或是多核心微控制器。事實上，已有業者透過系統封裝(SiP)技術整合兩顆微控制器，以滿足市場少量多核心微控制器需求。

富士通半導體則是看好多核心微控制器需求將逐漸萌芽，因此未來不排除推出多核心微控制器。該公司市場部經理彭懷賢指出，擁有強大控制功能的微控制器廣泛應用於消費性電子、通訊、車用電子、工業用途等範疇。然而，不同的消費性產品朝多元功能發展，尤其可攜式產品更可見一斑，而傳統的單核心微控制器已無法因應多媒體產品的需求。因此隨著系統效能的要求日增，部分應用將要求系統必須同時具備良好控制功能和高速資料處理能力。因而微控制器逐漸被要求須具備較高效能的資料處理和演算方式，並開始與其他技術結合，進而催生多核心微控制器。事實上，市場上已有雙核心微控制器的應用，未來更會有越來越多應用需要更多核心的設計和架構。

彭懷賢強調，微控制器業界的另一發展方向是如何讓單核心微控制器擁有更高的效能、更強的控制功能、容易使用和高度整合的解決方案。目前，單核心和多核心微控制器的成本仍有差距，不過，隨著市場需求增溫，未來多核與單核微控制器未來將並行發展。更重要的是，無論任何一種解決方案，微控制器供應商最終都必須能提供高效能、低成本，以及符合市場各種需求的方案，方能在競爭激烈的市場中勝出。

與處理器整合成微控制器新藍海

即使嵌入式系統功能日益強大，尤其智慧型手機等消費性電子產品，邁向多核心的元件勢必為應用處理器，而非微控制器。陳麗華解釋，效能將是決定嵌入式系統採用何種主核心元件的關鍵，還須兼顧成本。以消費性電子而言，由於須處理更多複雜的工作，採用應用處理器(Application Processor)將較合適，多核微控制器的處理效能也許可媲美單核心微處理器(MPU)，但相對的微控制器的架構與能力仍有限，再加上成本考量，單顆應用處理器將是較佳的選擇。而架構較簡單嵌入式系統的則採用微控制器。

此外，設計較複雜且龐大的嵌入式系統，對於效能的要求將更大，舉例來說，智慧型手機目前已邁入四核心處理器的時代，而此四核心處理器並非多核微控制器能涵蓋的範圍，此時微控制器則在系統中扮演輔助微處理器的角色。

不過現階段許多所謂的多核心應用處理器，也會內建微控制器核心，成為目前微控制業者認為的「另類多核」產品，亦開啟微控制器新的市場商機。陳麗華表示，為讓多核心處理器更省電，在應用處理器中整合一顆節能微控制器已成大勢所趨，該額外的微控制器可減輕處理器的工作負擔，進而降低處理器的功耗，同時提升效能。飛思卡爾繼整合Cortex-A5與Cortex-M4核心後，也於2012年量產結合Cortex-A5與Cortex-M4核心的處理器。

嵌入式系統的效能越來越高的同時，32位元微控制器的發展也相當受到關注，其中Cortex-M4F微控制器為目前最高效能，再進一步則將進入處理器等級，因此若現階段的高階微控制器仍無法滿足嵌入式系統的需求，業者應改用微處理器。

York強調，安謀國際對於微控制器未來發展的規畫為高階與超省電兩大方向，但即便再高階的微控制器也將不會進入64位元或是多核心，而是強調運算效能與整合功能的再提升。如此一來，將可分食更多DSP現有的應用大餅。