向ARM Cortex-M4冲刺，谁在领跑？

向ARM Cortex-M4冲刺，谁在领跑？

2011年9月23日，意法半导体宣布基于ARM? Cortex?-M4内核的STM32? F4系列微控制器产品上市。它在现有出色的STM32微控制器产品组合中新增了信号处理功能， F4的主频运行速度达168MHz，故有“迄今市场上性能最高的Cortex-M微控制器”的称号。

2011年11月8日，飞思卡尔半导体（Freescale）推出新的Kinetis X系列，再次刷新了微控制器（MCU）的性能标准。采用ARM? Cortex?-M4核心 (具备DSP与浮点指令集)的组件将运行频率提升到200 MHz，整合海量存储器及外围，并提供大量的外围研发支持环境。

2011年12月6日，恩智浦半导体发布LPC4300数字信号控制器（DSC），这是迄今为止业内速度最快的ARM? Cortex?-M4微控制器，其速度高达204MHz。

短短的3个多月时间内，ARM? Cortex?-M4的运行速度在不断刷新，毫无疑义，它已成为现今微控制器业界最为瞩目的明星，如今MCU的格局仅用热闹来形容恐怕远远不够。巨大的市场前景及飞快的发展速度令其竞争也日趋白热化，从技术性能到市场策略，各大厂商可谓是针尖对麦芒，在接下来的阶段赛中谁将领跑？我们认为，以下几个方面至关重要。

新应用催生新战场

随着智能数字时代的到来，各智能产品都呈高位增长。除了智能手机等便携式电子产品以外，智能化也延伸到智能家居、汽车电子等领域。近日，恩智浦半导体微控制器全球产品市场经理Gordon Cooper在接受我们采访时表示，能激发MCU市场的应用很多，然而新兴应用领域有着可以预见的巨大能量。未来几年以Cortex?-M4为代表的恩智浦微控制器产品，在四个应用领域将会有更大的成长空间，尤其是在中国市场。第一就是智能家居，第二就是人机界面的消费类电子及工业控制类产品，第三是能源控制，不仅涉及更高效的能源转换，还包括高效电机控制和半导体照明等应用，第四是对环保的考虑，这不仅涉及有关减少电池用量的低功耗节能问题，甚至还涉及旨在减排的发动机点火控制器等。

ARM? Cortex?-M4微处理器的高性能意味着它在中高端市场以及新兴应用中具有得天独厚的优势，因此找准目标市场，针对性地提供更贴合市场需求的产品将令角逐者在这场竞赛中开个好头。

没有最好只有更好的性能

市场的自我行为导向对MCU提出了新的要求，新市场需要具备更高集成度、更低耗高能的产品。“这要求MCU具有内置冗余性与自检功能的高可靠性、可延长电池使用寿命的超低功耗性、可采用快速数字控制环路的高级控制算法及具有高级模拟集成性等。”TI半导体事业部MCU业务拓展经理吴健鸿表示。这也表明，集成了更多模拟及其他IC功能、更大容量、更快处理速度的ARM? Cortex?-M4这类高性能MCU产品比例会逐渐提高。

我们先来看看意法半导体推出的被誉为迄今市场上性能最高的基于ARM? Cortex?-M4内核的微控制器STM32 F4。最高1MB片上闪存、192KB SRAM、复位电路、内部RC振荡器、PLL锁相环、低于1uA的实时时钟(误差低于1秒) ，这一系列数据表明了意法半导体对高集成度产品的态度与诚意。

飞思卡尔半导体（Freescale）推出新的Kinetis X系列，再次刷新了微控制器（MCU）的性能标准。Kinetis X系列的内部存储器包括1至4 Mbyte的快取、以及0.5 Mbyte的SRAM，另外还有多种芯片外部的内存选项可供扩充之用。此外，为了便于进一步扩充，几乎支持所有的外部内存 (包括NOR和NAND闪存、串行式快闪、SRAM、低功率DDR2和DDR3等)，如此可为系统成长提供几乎无限制的选择空间。高效能的XIP亦可透过NOR或Quad-SPI的串行快闪执行。

TI也推出了自己的新型低功耗、浮点Stellaris Cortex-M4F微控制器系列。新型Stellaris是全球首批采用65nm工艺制造的MCU，可实现更高的速度、更大的内存和更低的功耗。

而就在近期恩智浦发布LPC4300数字信号控制器（DSC）时，恩智浦半导体微控制器产品线市场总监Jan Jaap Bezemer表示，“LPC4300不同于以往的Cortex-M4微处理器，它的高性能和DSP功能将大大满足消费者的要求。DSP功能和浮点运算能让嵌入式工程师实现LPC1800和LPC4300的无缝升级。”另外，LPC4300也在业界首个具有Cortex-M0协处理器的双核非对称架构。非对称双核心架构降低了功耗、成本和系统复杂性，为开发者提供了单一芯片解决方案，让软件分区变得更简单。

可以看到，在ARM? Cortex?-M4微控制器诸侯纷争的时期，随着市场不断变化，产品对高集成度、低耗高能的追求将永无止境。

量身定做的解决方案

MCU的开发一直都围绕着高效能、低功耗等关键功能在发展。随着各种消费类及工业控制类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产品智能化的需求，MCU的发展受到了前所未有的挑战，呈现出多元化的发展势头。Jan Jaap Bezemer认为，在此时的这场竞赛中为用户提供量身定做的解决方案至关重要。一是产品系列的完整性，即能否提供给客户多种选型，做到产品更新换代的延续性。以ARM? Cortex?-M微控制器为例，从M0到M4甚至以后的MX，从低端到高端产品系列开发的完整性、及时性将会夯实个性化解决方案的打造；二是根据所在应用市场，要提供即齐全又有特性的组合产品方案，比如足够丰富的外设、更小的封装尺寸，再比如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。

所以MCU在一些需要数据处理、数据算法要求更高的领域开始与其他技术融合，双核MCU已经开始在市场中得到应用，例如德州仪器的ARM+DSP构架MCU，比起对称性构架的多核MCU，非对称性MCU更能充分调节每一个核心的运算效能，进而提升整体处理性能。

多核、众核的新构架和新设计也会层出不穷。恩智浦的LPC4300就是业界首个带有Cortex-M0协处理器的双核非对称架构。一个Cortex-M4内核用于实时处理，而另一个Cortex-M0内核则用于实时控制。门数极少的Cortex-M0内核能分担大量的控制与I/O处理任务，减少Cortex-M4处理器的带宽占用，从而使Cortex-M4可以全力以赴地处理数字信号控制应用中的数字计算。两个内核均可在204 MHz下运行。

事实上，这种非对称式构架的多核MCU，可将工程师最需要的处理器资源进行整合，同时不需要编写额外的演算法来分配不同核心之间的运算关系。这对于那些仍在犹豫该选择一颗还是两颗Cortex-M4核心来进行设计的工程师来说，非对称式构架无疑是最好的选择。

基于MCU的功能融合性单芯片(或模块)产品将成为未来MCU市场的重要发展方向，但双核应用会不会成为趋势，M4本身已提供了MCU和部分DSP功能，额外的M0会不会增加成本预算，还有待市场验证。

同质化产品竞争，价格胜

随着半导体大厂纷纷导入90奈米(nm)甚至更先进的65奈米制程量产Cortex-M4微控制器，促使相关解决方案价格快速下滑，亦有助推升其市场采用比重。可以预测新推出的M4系列在一些新兴应用领域会逐渐替代M3系列，因为全新的M4系列成本上可能只比M3高出10%左右，而性能更强，还具备DSP运算功能，所以在新方案上厂商更倾向给客户推广M4系列产品，同时尽可能的与M3兼容，最终逐渐替代M3，最后体现在市场份额上就是M0高端侵蚀M3低端，M4低端侵蚀M3高端。

面对MCU厂商纷纷将重头戏转向Cortex-M4内核, 不断刷新的运行速度、更低的能耗、更丰富的外设、更小的封装尺寸、更高集成度……可以看到，在产品同质化的情况下，价格低更有说服力。

我们观察到德州仪器凭借先进的65奈米制程，Cortex-M4微控制器价格已下调至1.5美元，意法半导体产品行销经理杨正廉表示，意法半导体Cortex-M4微控制器价格最低亦可达1美元。恩智浦的Jan Jaap Bezemer认为，在产品同质化的竞争中，价格将是最后的加速器。然而，厂商不但要降低Cortex-M4微控制器产品的价格，还要通过优化解决方案，帮助客户降低应用成本。

产品的性价比孰优孰劣我们在此不做定论，没有最好只有更好将是必然的结果，谁将在本场角逐中领先，亘古不变的一个原则就是，谁更适合嵌入式市场的竞争法则。