MCUDSPFPGA呈现多元化发展课件

MCU/DSP/FPGA

呈现多元化发展了解历史,,展望未来了解历史

摩尔定律意味着什么?摩尔定律(MooreschesGesetz)是由英特尔(Intel)创始人之一戈登·摩尔（GordonMoore）提出来的。其内容为：集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，而价格下降一半；或者说，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18个月翻两番。这一定律揭示了信息技术进步的速度。1965年4月19日《电子学》杂志第114页发表了一篇仙童公司工程师摩尔撰写的题为“让集成电路填满更多的元件”的文章，文中预言半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年翻一番。1975年，摩尔在IEEE的一次学术年会上提交了一篇论文，根据当时的实际情况对摩尔定律进行了修正，把“每年翻一番”改为“每两年翻一番”，而现在普遍流行的说法是“每18个月翻一番”。但1997年9月摩尔在接受一次采访时声明他从来没有说过“每18个月翻一番”。数字器件的发展历史1947年：贝尔实验室肖克莱等人发明了晶体管，这是微电子技术发展中第一个里程碑；

1950年：结型晶体管诞生；1950年：ROhl和肖特莱发明了离子注入工艺；1951年：场效应晶体管发明；1956年：CSFuller发明了扩散工艺；1958年：仙童公司RobertNoyce与德仪TI公司间隔数月分别发明了集成电路，开创世界微电子学的 历史；74/54系列1960年：HHLoor和ECastellani发明了光刻工艺；1962年：美国RCA公司研制出MOS场效应晶体管；1963年：F.M.Wanlass和C.T.Sah首次提出CMOS技术，今天，95%以上的集成电路芯片都是基于CMOS工艺；1964年：Intel摩尔提出摩尔定律，预测晶体管集成度将会每18个月增加1倍；1966年：美国RCA公司研制出CMOS集成电路，并研制出第一块门阵列（50门）；40/45系列1967年：应用材料公司（AppliedMaterials）成立，现已成为全球最大的半导体设备制造公司；1971年：Intel推出1kb动态随机存储器（DRAM），标志着大规模集成电路出现；1971年：全球第一个微处理器4004由Intel公司推出，采用的是MOS工艺，这是一个里程碑式的发明；电子产品设计主流器件通用小规模数字器件74/54系列40/45系列

微处理器MCU(4位-8位-16位-32

4MHZ~>1GMHZ)数字信号处理器

DSP(定点/浮点运算)大规模可编程逻辑器件CPLD/FPGAComplexProgrammableLogicDevice

FieldProgrammableGateArray解析当今

多元化的发展势头MCU凭借其强大的控制功能，广泛地用于消费类电子、通信、汽车电子、工业等领域。有资料显示，MCU产品需求量每年不断增长，2008年全球MCU市场将增长到160亿美元。DSP则以其卓越的数据处理能力以及优秀的数据算法，成为数字信息时代的核心引擎。来自市场调研机构ICInsights的数据显示，2006年全球DSP市场将增长9%，达到85亿美元，2007年将以18%的速度增长，2008年则达27%。

而FPGA更是以其极大的灵活性、丰富的接口和优越的性能著称，利用FPGA可以实现任何数字器件的功能。据市场调研公司GartnerDataquest预测，2010年FPGA和其他可编程逻辑器件(PLD)市场将从2005年的32亿美元增长到67亿美元。

MCU、DSP、FPGA各自雄霸一方，并都呈现出高速的增长态势。但各种消费类产品特别是便携式产品的功能逐渐由单一走向多元化，传统的单一半导体解决方案已经不能适应多媒体产品的需求，MCU、DSP、FPGA的发展受到了前所未有的挑战，呈现出多元化的发展势头。趋势一DSP、MCU走向融合

DSP一般采用哈佛架构，超长指令字架构等，数据存取和指令分开，内部运算单元多，有专门的硬件乘加结构，因此运算速度极高。其内部存储器(RAM和ROM)很大，并且可以扩展，外部接口丰富，配合流水线操作，特别适合进行大量数字信号的实时处理。而MCU数据存取和指令没有分开，运算速度较低，运算单元较少，且内部存储器不大。但MCU接口相当灵活，并集成了FLASH、ADC、DAC、OSC、SRAM、PWM、温度传感器、看门狗、总线、定时器/计时器、I/O、串行口等功能单元，因此非常适合于各种控制应用。

然而，随着系统需求的增加，在某些应用中，既要求系统具有良好的控制功能，又需要有高速的数据处理能力，因此，融合了DSP和MCU各自优点的混合处理架构无疑是一种良好的解决方案。DSP和MCU在实际应用有一个共通的地方，即，它们都是面向嵌入式系统的应用，或者是基于需要进行大量数据处理的实时系统，或者是需要实施许多控制功能的即时系统。这种实时性和多功能也为DSP与MCU的融合提供了很好的基础。因此，DSP/MCU融合的架构逐渐受到半导体厂商的青睐，TI、ADI、Microchip等纷纷推出了相关解决方案，力图在这一市场中抢占先机ADIADI推出的DSP/MCU混合解决方案——嵌入式处理器Blackfin系列，采用单核结构。Blackfin处理器基于ADI和Intel联合开发的微信号架构(MSA)，将一个32位RISC型指令集和双16位乘法累加(MAC)信号处理功能，与通用型微控制器所具有的易用性组合在一起。Blackfin处理器包含一个10级RISCMCU/DSP流水线和一个专为实现最佳代码密度而设计的混合16/32位指令集架构。这种处理特征的组合使Blackfin处理器能在信号处理和控制处理应用中均能发挥出色作用。在许多场合中，它还免除了增设单独的MCU的需要，简化了硬件和软件设计和实现难度。对于一些需要同时采用高性能信号处理器和高效控制处理器的应用中，采用一个Blackfin处理器就可以满足系统要求，缩减了开发时间并降低了成本。

Blackfin处理器架构还具备RISC控制处理器的一些特点，包括功能强大且灵活的分层存储器架构、良好的代码密度以及各种的微控制器型外设(包括10/100以太网MAC、UARTS、SPI、CAN控制器、支持PWM的定时器、看门狗定时器、实时时钟和一个无缝同步和异步存储器控制器)。这些特性为设计人员提供了设计灵活性，并最大限度地降低了终端系统成本。目前，Blackfin处理器已经广泛的用于嵌入式音频、视频和通信应用等领域(图1)。Microchip而一向在MCU领域见长的Microchip公司，推出了其16位dsPIC数字信号控制器(DSC)，并首次提出了DSC概念，即将高性能16位微控制器的控制优势与DSP的高速计算相结合，形成适合嵌入式系统设计的紧密结合的单芯片单指令流解决方案。

dsPICDSC架构支持84条指令和10种寻址模式。dsPIC指令集由用于嵌入式应用的各种灵活的MCU指令和从单指令流执行的DSP操作专用指令集组成，两种指令可以共享很多CPU资源。dsPICDSC内核支持MCU和DSP功能需要的各种位操作。位操作在MCU中很常见，但在DSP中的应用却很少见。而dsPICDSC增加了强大的位操作功能，如位测试、位设置和位移动指令以及能识别出数据字中第一个有效位的位寻找操作。

Microchip数字信号控制器部门产品推广工程师SteveMarsh先生指出，dsPIC系列产品具备一些非数字信号处理器的特性(如桶式移位器或更多的随机存取内存空间)，而这正是工程师们所想要的，所以在非数字信号处理器应用方面，工程师更倾向于选择数字信号控制器而不是单片机。dsPIC系列产品目前已经用于AC/DC转换器、隔离式DC/DC电源转换器以及其他电源转换应用，如嵌入式电源控制器、逆变电源和不间断电源(UPS)等领域。MIPS科技MIPS科技也推出了内置DSP扩展的高性能、低功耗内核系列——MIPS3224KE，它集成了高效DSP能力，同时能够显著减少整体SoC面积、成本及功耗，并可改善信号处理性能。MIPS产品营销经理PeteDelVecchio表示，DSP/MCU混合处理架构性能等于或高于低端DSP内核的性能。利用单芯片或单内核可以获得明显的成本优势，还可以大大加快产品上市时间。兼具DSP与MCU功能的平台最早应用于发动机控制，之后拓展到语音处理、传感器处理等应用，并用来代替带有数字滤波器的合成模拟滤波器。如今，这一平台越来越广泛的应用到计算机、电话线或以太网等相关领域。此外，在医疗、电器、空调、不间断电源、切换式电源、半导体照明和其他方面都随处可见它们的身影(图2)。趋势二：发展高性能MCU

虽然，DSP与MCU融合的平台已经显示出种种优势以及广阔的市场前景，但SiliconLabs微控制器产品亚太营销经理暨产品营销经理LenStaller却给出了自己观点。他认为，对于需要强大效能和控制功能的应用来说，DSP/MCU集成器件并非最佳解决方案。他指出，DSP/MCU集成器件不仅会替制造商带来新的设计挑战，还需要发展和测试新程序。真正理想的解决方案应该是高效能微控制器。趋势二：发展高性能MCU(续)LenStaller认为，要满足市场对高效能和控制功能的需求，最好的方法就是开发效能强大的微控制器。这是因为高效能微控制器不仅针对控制功能最佳化，还拥有设计人员期望于DSP/MCU混合器件的强大效能，以及微控制器设计简单的优点，因此是超越DSP/MCU混合器件的更佳解决方案。

SiliconLabs推出的C8051F36x小型微控制器系列，为设计人员提供了一套高效能、易于使用和高度集成的解决方案，它支持传统上必须使用高成本16位微控制器和DSP的应用，包括需要精准移动控制和信号处理的消费和工业应用，例如工厂自动化、马达控制、触控面板、卫星接收机通讯和显示器。

C8051F360时钟速度达100MHz，包含1组双周期16x16乘加器(MAC)、1个精准度2%的内部振荡器和32kB可在线烧录闪存，并拥有可配置I/O引脚和各种通讯外设，包括无石英晶体的UART、SPI和SMBus。这款微控制器易于使用，其高集成度可以减少外部元器件数目，同时简化及加快设计程序。趋势三：FPGA替代部分DSP和MCU功能

FPGA自从问世以来，就以强大的灵活性著称。FPGA最大的特点就是可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不变的情况下用不同硬件电路实现各异的功能，并且，随着工艺技术的进步，FPGA的功耗不断降低，速度逐渐提高，同时成本也越来越低。因此，在某些领域，或者代替DSP，或作为DSP的协处理器，为许多需要DSP功能的复杂应用场合提供了快速、低成本的解决方案。

虽然FPGA相较DSP同样具有可编程的特点，但FPGA更适合高性能运算密集型应用。FPGA可以以更大的并行度实现产品所需功能，在某些特定的应用场合FPGA可以代替DSP的功能，例如，进行视频编码的运动估计，为了搜索到最好的运动矢量，编码出最好的视频质量，需要大量的运算单元进行搜索，由于DSP不具备大量的并行处理能力，如果采用DSP将无法很好的完成这些工作。而采用FPGA，则利用其硬件逻辑的可并行工作性，给视频质量带来更高的保障。SOPC

(SystemOnaProgrammableChip)此外，随着可编程芯片系统SOPC(SystemOnaProgrammableChip)的出现，相当多的FPGA里面都集成了DSP或者CPU，目前Xilinx和Altera的FPGA都可以完成这样的工作，它们不但可以集成自己的软核，而且可以集成目前流行的PowerPC、ARM等硬核。这样，FPGA就可以完全实现DSP和MCU的功能。而且FPGA在内置的嵌入式处理器中还可以添加一些自定义指令，从而可以快速完成一些特定算法，并且可以根据需要定义芯片管脚。

Xilinx非常著名的XtremeDSP技术就是在FPGA中引入了DSP模块。XtremeDSP技术是针对航天和军用产品、数字通信、多媒体、视频和成像行业的高性能定制DSP解决方案。XtremeDSP平台产品包含2大系列-VirtexDSP

和SpartanDSP，提供各种价格、性能、功效、带宽和I/O选项，可以满足通信、MVI(多媒体、视频和成像)和军用产品行业中各种应用的要求。

Xilinx中国区运营总经理和亚太