瞄準中低階DSP/安全應用
Cortex-M4/R4F MCU攻勢猛

低成本、高效能已成為微控制器(MCU)發展的兩大主軸。自安謀國際(ARM)Cortex-M系列核心發表後，吸引微控制器業者爭相投入產品開發，32位元微控制器儼然成為市場顯學，不但出貨量在2010年正式超越過去市場主流的8位元微控制器，市場產值更高達200億美元。

在廠商戮力發展下，32位元微控制器的聲勢如日中天，其中定位較高階且具備浮點運算選項的Cortex-M4核心微控制器，為近期業者發展的重點，目的在於以浮點運算能力搶攻數位訊號處理器(DSP)市場，以及滿足需精密計算與運算能力的各式應用。

除Cortex-M4微控制器的價格已相當親民外，更有業者以逼近微處理器(MPU)等級的Cortex-R4F核心開發更高階的微控制器，讓32位元微控制器朝低成本與高效能的趨勢成形。

搭載Cortex-M4核心　MCU效能直逼DSP

隨著Cortex-M核心效能不斷提升，32位元微控制器與低階DSP的區隔已越來越小。為提供終端產品製造商更易使用、訊號處理功能更佳的微控制器，安謀國際推出新一代最高效能微控制核心Cortex-M4，並內建浮點運算單元(FPU)，可符合中低階DSP應用所需。

圖1　意法半導體產品行銷經理楊正廉指出，加入STM32F4系列後該公司Cortex-M系列核心微控制器產品將更為完整，提供客戶更廣泛的產品選擇。

意法半導體(STMicroelectronics)產品行銷經理楊正廉(圖1)表示，Cortex-M4為目前安謀國際效能等級最高的微控制器矽智財(IP)核心，分為內建或未含浮點運算功能兩種版本，其中，加入浮點運算功能的Cortex-M4F核心，效能可與中低階DSP媲美，而搭載該核心的高效能32位元微控制器，即可成為需要DSP功能的產品製造商另一個易導入、易於開發的新選擇。

隨著Cortex-M4的推出，微控制器廠商無不躍躍欲試，期擴大現有32位元微控制器市場範疇。事實上，早在2010年，恩智浦(NXP)即已率先發表整合Cortex-M4與M0的雙核心微控制器產品；飛思卡爾(Freescale)也於2010年底發布Cortex-M4架構的微控制器；意法半導體則是於日前正式量產該公司採用Cortex-M4核心的STM32F4系列微控制器；德州儀器(TI)也於今年9月底發表Cortex-M4核心架構的微控制器系列。各家廠商不約而同皆認為，新的Cortex-M4核心微控制器對DSP將造成極大威脅。

楊正廉則指出，根據各家廠商技術的不同，Cortex-M4微控制器產品可涵蓋的DSP應用等級也不同，而意法半導體的STM32F4系列為現階段效能最高的微控制器產品，可取代約六到七成的中低階DSP應用，超高階DSP應用領域如國防、航太以及基地台等網通設備則並非目前32位元微控制器可觸及的範圍。

針對Cortex-M4核心的新系列微控制器，楊正廉強調，意法半導體STM32F4全數內建FPU功能，功耗可接近8位元微控制器，待機時間僅須1微安培(μA)，核心處理速度可達168MHz、210DMIPS。

在整合度方面，除了內建最高1MB片上快閃記憶體外，STM32F4產品亦包含192KB靜態隨機存取記憶體(SRAM)、內部RC、鎖相迴路(PLL)，以及低於1微安培、誤差低於1秒的即時時鐘。在電池或者較低電壓供電，且要求高處理性能和低功耗執行的應用中，STM32F4可滿足設計所需，如在待機或電池備用模式下，4KB備分SRAM數據被保存；在Vbat模式下即時時鐘功耗小於1毫安培，而內建的可調節穩壓器，讓用戶可自由選擇高性能或低功耗工作模式。

更重要的是，STM32F4與其他不同等級STM32微控制器接腳皆相容，客戶可無縫升級，藉此提升客戶轉用新產品的意願；該產品適用於醫療電子、車用娛樂、電源相關、可攜式裝置等，目前已有台灣電源、銷售端點(POS)、驗鈔與可程式控制器相關業者採用STM32F4。

TI Cortex-M4產品與DSP劃清界線

為追上32位元微控制器市場發展步調，繼多家微控制器業者推出Cortex-M微控制器產品後，德州儀器也正式推出具浮點運算單元的Cortex-M4產品Stellaris，惟德州儀器本身也致力於DSP的發展，因此該公司Stellaris將盡可能不影響既有DSP市場範疇。

圖2　德州儀器MCU/DSPS產品亞洲區市場開發行銷經理蕭志盛表示，70%的工程師選擇微控制器產品時，開發軟體的完整與易用性為首要考量關鍵。

德州儀器MCU/DSPS產品亞洲區市場開發行銷經理蕭志盛(圖2)表示，不可諱言，具備浮點運算的32位元微控制器勢必影響低階DSP的市場，舉例而言，Stellaris的應用範疇涵蓋人機介面、醫療電子、健身器材、馬達控制與體感控制，其中不乏DSP的應用範疇，但畢竟DSP的處理效能仍較微控制器來得好，德州儀器會根據客戶應用需求，提供最適切的DSP或微控制器產品，盡力消弭兩大產品的市場重疊影響。

德州儀器新款Stellaris全系列皆配備浮點運算單元，提供效能餘量(Performance Headroom)功能。蕭志盛指出，Stellaris為業界首款利用65奈米(nm)製程技術的微控制器產品，因此與同類產品相比，功耗最低，待機狀態僅須1.6微安培；喚醒電壓僅須500微安培，甚至更低。

此外，新系列Cortex-M4微控制器整合度高，內建兩顆12位元類比數位轉換器(ADC)，並支援通用序列匯流排(USB)OTG、周邊序列匯流排(SPI)、控制區域網路(CAN)、I2C與通用異步收發器(UART)等完整的周邊介面，以滿足方便攜帶及功率預算需求。且開發人員可從多種高效能類比、記憶體和連接選項中，選擇最適合的設計參數與微控制器元件，以滿足各種應用領域。

值得注意的是，為追上其他業者的產品市場發展速度，德州儀器Stellaris祭出低價策略，根據不同記憶體容量，該系列價格區間為1.538美元，其中每萬顆1.53美元為目前Cortex-M4微控制器中市場價格最低。蕭志盛強調，65奈米製程確實為新產品帶來成本與功耗的優勢，但德州儀器並非要掀起價格戰，產品售價仍取決於市場機制，且德州儀器微控制器處理效能定於應用需求最普遍的80MHz，快閃記憶體為64k258kb，相較於其他業者較高的核心處理速度與較大的快閃記憶體容量，德州儀器自然可達較低的產品價格與功耗。

另一方面，為簡化設計並縮短產品上市時程，德州儀器提供免費StellarisWare軟體讓使用者下載，這款簡單易用的軟體可供廣泛運用。蕭志盛強調，除了回饋客戶外，免費、易用的軟體也是讓市場快速接受德州儀器新產品的方式之一。

StellarisWare軟體包括數百個案例工程、應用和周邊程式庫以及開放原始碼堆疊。為節省快閃記憶體容量，德州儀器預先將該軟體安裝至唯讀記憶體(ROM)。另外，還有五種常用IDE支援Stellaris微控制器套件，可在10分鐘內啟動設計，開發人員能輕鬆調整設計，並重複使用整個代碼相容的Stellaris Cortex-M微控制器平台。

強化安全性　雙核微控制器登場

雖然Cortex-M4產品運算能力不斷提升，各種應用的效能也更上一層樓，然而在某些如車用電腦、航太、重機具與鑽油平台等需要更具安全性的應用中，Cortex-M4仍稍顯不足，有鑑於此，德州儀器將效能趨近於微處理器核心的雙核Cortex-R4F，加上Cortex-M3核心，推出新型Hercules強調安全性、高可靠度的微控制器平台產品系列。

圖3　德州儀器亞洲區市場開發經理陳俊宏表示，Hercules各系列產品已分別經過工規、軍規與車規認證，可協助產品開發人員加速產品上市時間。

德州儀器亞洲區市場開發經理陳俊宏(圖3)表示，在車用領域之外，包含醫療、工業等市場對於安全性的要求也相當高，因此產品勢必得經過相關的安全性認證程序，新的Hercules安全微控制器平台，則是專為協助開發人員獲得安全性認證而設計。此平台包括雙核Cortex-R4F、單核Cortex-M3等三種基於安謀國際Cortex的核心，提供可擴展效能、連結、記憶體及安全特性，適合需要高可靠度的應用。

此外，不同於許多重度依賴軟體以獲得安全能力的微控制器，Hercules微控制器可應用硬體來實現保護能力，能最大限度地提升效能並降低軟體支出。配合強健的工具、軟體和安全文件，此功能為開發人員提供更多空間，以實現終端產品差異化及加速產品上市時程。

據了解，德州儀器過去授權安謀國際微控制器核心的產品僅用於車用電腦，且產品僅供五大車廠所用。直到近期Cortex-M核心微控制器大行其道，德州儀器才加快Cortex-M系列產品的研發，並自2010年下半年開始，將先前用於汽車電腦的Cortex-R4F核心微控制器以推出新系列產品的方式，廣泛用於其他強調高度安全性的應用市場。

Hercules微控制器平台包括基於雙核心Cortex-R4F的RM4x、TMS570與基於Cortex-M3的TMS470M產品。陳俊宏表示，RM4x與TMS570皆具備鎖步(Lockstep)雙Cortex-R4F核心，可提供較高水準的線上診斷功能，且中央處理器(CPU)與RAM還內建故障自我測試(BIST)功能。兩系列最大的不同在於工作頻率與特殊應用指令集，RM4x為220MHz，可應用於工業自動化、伺服驅動器與用於診斷及治療的醫療儀器；TMS570則為180MHz，適用於鐵路、航空及汽車等交通應用。

至於TMS470M系列，則是以80MHz的處理速度主打高安全性與成本兼備的應用市場，如汽車防鎖死煞車系統(ABS)等。

從上述廠商32位元微控制器產品的發展來看，Cortex-M4微控制器除了強調高效能外，價格亦更親民，雖然仍無法等同CortexM0與M3的價位，但也成為廠商產品發表時的主要策略；此外，更易用且更便宜的軟體開發工具及套件，也可望進一步刺激業者導入32位元微控制器。另一方面，對安全性格外重視的應用市場，亦是此波32位元微控制器搶攻的另一重點市場。