新需求
与其前辈8位MCU的日渐式微相比,16/32位MCU的前途可谓是一片光明。数据显示,自2006年到2011年,全球MCU市场将以4.4%的年均符合增长率(CAGR)从不到130亿美元增长至160亿美元左右。“8位MCU将继续保持一定的增长,但增速明显不及它的后来者。”邱荣丰说。
8位MCU的下滑之路将从2011年正式开始——由于嵌入式用途的16/32位MCU正在日益成为主流,从而导致整个MCU市场结构发生巨大变化——据悉,2011～2015年全球MCU市场CAGR为2.8%,市场总量将达到创纪录的180亿美元。其中32位MCU的表现最为抢眼,年均增速达到9.6%,2015年时其市场总量在三者排名中跃至首位。紧随其后的是16位MCU,年均增速5.3%。与之形成鲜明对比的是,8位MCU市场将在这五年中每年缩水4.7%,市场总量也从最初的排名第一沦至末位。
16/32位MCU的扩张离不开嵌入式技术的推动,然而随着嵌入式系统的不断发展,其对MCU技术也提出了更高的要求:首先,这些日益强大的终端需要有更复杂的控制、更快的处理速度以及更低的功耗；其次,为了尽可能的缩短开发周期,终端工程师希望在新产品设计中能够充分运用到已有产品的设计资源；最后,尽管嵌入式系统的演变使得程序的复杂度日益增加,然而成本控制却永远是需要优先考虑的问题。
“为了满足市场需求,我们认为应该在五个方面来对现有产品进行改善,分别是:更高的性能、更低的功耗、更高的代码效率、更高的集成度以及对既有产品的继承性。”邱荣丰指出。
新产品将在2009年第二季度与工程师见面。邱荣丰表示,将通过采用90nm工艺在这些指标上得到提高。而瑞萨的设计目标则是:将最大工作频率和处理速度提高到200MHz和1.25MIPS/MHz,分别是原有产品的5倍和2倍；此外,代码执行效率也将改善30%；功耗方面,他们希望能将CPU电流降低到现有水平的1/3,即0.03mA/MHz；最后,RX系列还将进一步提高集成度来应对程序增加对内存的需求,将闪存最大容量提高4倍,增至4MB。
RX系列MCU的目标指标。
新内核
新系列将覆盖瑞萨已有的H8S、H8SX、M16C和R32C四个系列MCU的应用领域。而其所采用的CPU内核也同已有的H8/M16C内核属于同一体系架构。不过要达到上述的设计目标,还需要设计诀窍。很显然CPU内核将是其中的关键,事实上,邱容丰甚至号称,RX CPU将拥有“最高水平的处理性能”以及“最高水平的代码效率”。
为了实现200MHz的CISC MCU工作频率——据称这是业界目前的最高水平——设计人员进行了大量的测试和分析工作。“作为全球头号MCU供应商,我们能够采集到各种基准程序和应用程序。”邱荣丰说,“基于对这些程序的测试结果,最终确定了16个32位通用寄存器、能够兼顾代码效率与性能的结构。”此外,瑞萨还减低了现有CPU使用率较高的基本指令(包括基本传送指令和运算指令)的指令周期,并采用内置了单精度浮点运算器的通用寄存器来实现包括数码过滤运算、傅立叶运算、矢量运算在内的各种浮点运算指令。
新的嵌入式系统需要更多的数字信号运算能力。为此,RX CPU强化了高速高性能的32位乘法器(32位×32位＝64位)、除法器(32÷32位＝64位)和乘法累加器(32位×32位+80位＝80位)。而为了实现1.25MIPS/MHz的处理速度,还引入了CISC MCU中较为少见的哈佛结构。
设计人员将通过指令和编译器两个方面的改善来提高内核的代码效率。已经提及的16个32位通用寄存器是特别适合编译器的CPU结构。而在指令方面,除了采用可变字节(8位)长度的指令集外,还将使用率较高的指令(包括传送、转移、比较、加减法以及移位等)赋予了短指令代码。值得一提的还有新增的3个操作数指令格式和适合矩阵、指针运算的寻址方法。前者包括ADD、SUB、AND、OR和MULU,后者则包括变质寄存器间接寻址、后增寄存器寻址以及先减寄存器寻址。“更高的效率意味着更少的内存需求。”邱荣丰说,“工程师将能够选用更少内存的MCU,这将有利于系统成本的进一步降低。”
最后要谈到的是电流、集成度以及继承性:首先,新开发的90nm低漏泄/低工作电流工艺使得在MCU内置大容量闪存和丰富的外围功能成为可能；其次,搭配逻辑和电路方式的优化后,这种工艺还将也有利于CPU消费电流的进一步降低；由于能够支持数据的Bi-Endian和Endian变换指令,新内核还可继承现有产品的数据存取(M16C为little-Endian,H8S为Big-Endian)。此外,瑞萨还为新系列MCU配备了继承M16C/R32C、H8S/H8SX的软件工具。
作者:王彦
（电子工程专辑）
