关于SiLabs Precision32单片机的详细分析报告

本文介绍了Silicon Labs公司新型Precision32单片机产品．该公司首次推出的32位MCU.除了具有兼容ARM的cPU之外，芯片还集成USB和多种模拟组件，以及常见的Flash闪存、SRAM，定时器和串行接口等。本文由Silicon Labs赞助，但所有意见和分析均来源于作者本人。

Silicon Labs深耕单片机行业

大多数人熟知Silicon Labs公司是由于其模拟与混合信号技术。该公司具有集成高性能模拟外设与数字电路的CMOS专业设计经验。这一专长体现在多种IP区块中，例如模拟-数字转换器(ADC)和数字．模拟转换器(DAC)、数字隔离器、数字锁相环、USB、RF、传感器等。该公司通过集成这些区块创建出针对特定应用的产品，包括SLIC和DAA器件（用于VoIP设备）、AM/FM无线电接收器和发射器、硅电视调谐器、电容式触摸传感器、USB桥接器和可编程时钟产品。

较少为人知的是，Silicon Labs公司在单片机(MCU)市场耕耘多年。这方面的经验可以追溯到1999年，当时一家Cygnal Integrated Products公司开始推出一系列混合信号MCU产品。Silicon Labs公司2003年收购Cygnal公司的时候，该公司已发布50多款8位MCU产品。该公司开发的管线式结构兼容805 1的CPU最高可运行在100MHz。除了快速CPU外，这些单片机还包括ADC、DAC、振荡器、稳压器和其他模拟功能。

自从完成收购，Silicon Labs持续不断的投入单片机、扩展其产品线，集成多种模拟产品技术到MCU之中，许多MCU版本包括RF.USB和其他通信接口。公司还利用其在模拟技术上的专长减少单片机功耗，包括工作模式功耗，以及休眠模式功耗。

现在，Silicon Labs提供多种混合信号8位单片机，最小封装为2rrirr12 0系列芯片广泛应用于工业、嵌入式、消费和通信领域，尤其是需要小封装、模拟特性和低功耗的应用领域。

基于ARM的Precision32 MCU

为扩展其单片机产品线，Silicon Labs公司最近推出32位MCU系列新产品。新型Precision32产品内含ARM CPU，充分利用ARM架构所拥有的软件和工具优势。ARM是业界最受欢迎的指令系统，拥有大量供应商和可观的年出货量，虽然这一成功大部分来自手机市场，现在ARM也正迅速成为32位MCU出货量领导者。

Silicon Labs Precision32系列产品采用ARM Cortex-M3 CPU，运行速度最高可达80MHz。虽然这个时钟速度并不比Silicon Labs 8位MCU快，但是ARM 32位架构更适合现代编译软件和其他使用16位或32位数据代码. Cortex-M3支持ARM Thumb2模式，通过尽可能压缩指令到1 6位，减少代码大小。因此，ARM CPU代码大小与8051或其他8位指令系统的代码比较而言，大小相当甚至更少。

Precision32产品结合Cortex-M3 CPU和多种模拟组件，其中许多组件同样应用于该公司8位单片机产品。这些组件包括：两个12位ADC、两个10位DAC，一个振荡器、一个稳压器、以及一个1 6通道触摸传感器。该产品还包括Flash闪存、定时器、计数器和串行接口等，如图1所示。

   
图1．Precision32，单片机框图。新型Silicon Labs MCU结合Cortex-M3 CPU、Flash闪存、多种模拟接口。

首先发布的Precision32产品有两种基本类型：带USB和不带USB。前者支持USB 2.0全速(12Mbps)，不支持高速。每种类型产品Flash闪存容量范围为32-256KB。公司提供带引脚和不带引脚封装类型，支持QFN-40封装（最小尺寸6mm)、QFN-64封装、QFP-64封装、TQFP-80封装和LGA-92封装（最大I/O引脚配置）。值得注意的是即使最小尺寸6mm版本的器件也支持最大256KB闪存容量。总之，此次公司推出的32位系列产品与众不同。所有初始发布的产品现已开始提供样品，并预计在2012年第2季度大量生产。

降低系统成本

通过减少数个外围元器件，Precision32 MCU高模拟集成度降低系统成本。例如大多数MCU需要外部晶体振荡器，以便在较快速度下（例如8MHz）运行。这种晶体成本大约1 0美分。Precision32 MCU仅需要使用其内部振荡器和PLL即可让USB接口工作，而无需外部晶体。内部振荡器采用时钟恢复技术，在PVT（工艺、电压、温度）范围内可提供1.5%精确度，而这在USB规格允许的公差范围内。第二个内部振荡器产生80MHz CPU时钟（也具有1.59~ PVT），他利用USB时钟（无需外部晶体）或便宜的32kHz晶体生成。

同样，采用片内电压调节器即无需使用片外调节器，片外调节器成本大约为15美分。片内电压调节器允许Silicon Labs芯片直接在5v电源工作，如果需要，他甚至能够通过USB直接供电。片内电压调节器也能够对外驱动输出供电，且电压可编程，这使得MCU可以为外部IC提供电源，无需外部电压调节器。另外，输出电源也可以作为恒流源驱动LED显示屏的背光，一个独立LED背光控制器成本约为3 0美分。

MCU还提供了6个高驱动输出引脚，每个能够输出300mA或输入150mA。足够直接驱动功率MOSFET、高功率LED、蜂鸣器和类似组件。由于一个高驱动片外晶体管大约增加4美分系统成本，因此这些输出总计最多可节省24美分。此外，该芯片可以直接连接高达1 6个电容触摸传感器。这种类型的传感器越来越多应用到消费类电子和其他设备中，以替代机械按键，机械按键通常更加昂贵，并且可能导致失效。如果使用外部触摸控制器则可能另外花费高达50美分。

   
图2：集成模拟元器件能节约成本。这张图片显示出典型的基于MCU设计中，高集成度Precision32芯片能替代数种外围元器件。

对于USB系统来说，芯片集成完整的USB PHY和模拟前端，可直接连接到USB连接器。其他大多数单片机需要一个外部USB上拉电阻和终端电路，所添加的小元器件总成本约为5美分。使用Precision32 MCU所节省下的元器件总成本可高达1.34美元。当然，许多系统不需要LED背光或触摸控制器，这降低了所节省的成本，但大多数设计将能够节省至少3 0美分。如图2所示，外部电路的减少也使电路板面积减小。

降低功耗

Silicon Labs公司注重Precision32 MCU在工作和休眠模式下低功耗设计，特别是针对Cortex-M3 CPU。在工作模式下，整个芯片仅消耗22mA（80MHz运行速度），或者0.28mA/MHz。虽然飞思卡尔某些最新的Kinetis MCU也能运行在0.25mA/MHz(最大72MHz运行速度)，Silicon Labs的低功耗水平仍超过其他大多数同类型MCU产品。Precision32 MCU的休眠模式电流更加令人赞叹：启动RTC时电流仅仅0.35uA，为业内功耗最低。

该公司同时还专注于降低系统功耗，因为许多MCU应用是由电池或通过USB规范的受限等级供电。对于开发人员而言，集成上文提到的模拟器件，例如振荡器和USB终端，可以缩短信号路径长度和集成外围元器件，从而降低整个系统功耗。

此外，片上振荡器使CPU可以运行在任意需要的频率；而如果采用8MHz外部晶体，MCU运行频率必须是8MHz的倍数。出于同样的原因，Silicon Labs允许CPU和USB频率独立设置，而不是固定比例。这种灵活性使系统设计人员能够任意微调CPU频率，提供所需的性能，同时保持最低速度和功耗。

减少设计时间

凭借其在8位MCU中设计经验，Silicon Labs在Precision32设计中内置灵活的I/O系统。如图3所示，芯片中包括两个crossbar，可以连接任意I/O功能到不同引脚。在TQFP-80封装示例中，Crossbarl连接引脚9-40，其中不包括引脚28和29，他们是电源和地引脚。Crossbarl支持1 4种不同内部功能，包括多种串行接口、定时器和比较器等；这些功能能够连接到crossbar支持的任何外部引脚。这些引脚中的一部分也能映射到ADC输入或者5V兼容输出。

极大的灵活性为系统设计人员提供多种好处。设计人员可以配置芯片引脚以简化电路板设计，例如配置输出引脚靠近他们所要连接的芯片。在某些情况下，这种方法甚至可以允许使用更少布线层PCB，从而节省成本。此外，引脚再配置还可轻松应对最终电路板变动难题。

当选择哪些功能连接到引脚，哪些悬空时，这种方法能提供更大的灵活性。特别是在使用带有少量I/O引脚的小型封装时，灵活性显得尤为重要。其他大多数MCU也提供一些配置，但是可能在每个引脚上仅支持一种或两种功能，限制了选项数量，导致潜在的引脚冲突。

如此多的配置可能带来混乱，因此Silicon Labs为设计人员提供一个软件工具，以简化配置。应用程序构建器( AppBuilder)工具提供图形界面，允许设计人员使用拖拽功能配置引脚。一旦配置完成，工具能够产生加载配置到MCU的引导代码。该工具可以与商业IDE协同工作，包括Keil和IAR以及流行的Eclipse，Silicon Labs已经加以调整Eclipse以支持Precision32产品。

   
图三。Precision32 I/O crossbar。Silicon Labs MCU包括两个内部crossbar，能够使任意I/O功能连接到不同引脚。

业界领先的低功耗

目前有多家供应商提供基于ARM的32位单片机，Silicon Labs需要具备一些特殊功能使其脱颖而出。如表一所示，竞争对手包括飞思卡尔半导体的新品Kinetis，意法半导体的STM32系列，以及德州仪器的Stellaris。其他厂商，例如Atmel、EnergyMicro和恩智浦也参与市场竞争，但我们更关注市场领先者。为了方便与其他厂商广泛的产品线比较，我们将尽量选择类似CPU速度和内存容量的幸好，也包括USB端口。

飞思卡尔的Kinetis产品具有极强竞争力。其Cortex-M4 CPU与M3类似，但是包含DSP和可选FPU。在K20版本中，CPU可以达到100MHz，虽然新兴的低功耗版本限制在72MHz。在这种低功耗模式下，新型Kinetis K20有与Precision32 MCU相当的工作电流，同时运行速度仅比Silicon Labs产品稍慢。然而，在休眠模式下，Kinetis消耗4.0uA-是Precision32 MCU电流消耗的10倍以上。

Kinetis产品中多数模拟性能与Precision32 MCU相当，甚至提供更高分辨率的ADC和DAC。然而Precision32一些方面优于Kinetis，包括针对低端市场的更小封装。人们更担忧的是Kinetis产品研发进度滞后，目前低功耗版本尚未提供样品（计划于2012年一季度末提供样品）。此外，飞思卡尔的额外功能，例如DSP和FPU，将增加芯片尺寸，提高芯片价格。

Precision32混合信号MCU和主要竞争对手比较 *还提供更高功耗的100MHz运行速率；*还提供128KB闪存、20KB SRAM、无DAC的6mm QFP-36封装；**仅使用电池供电，Vdd供电时，电流4.0uA。（来源：各厂商）

ST提供多种基于ARM的MCU，而STM32FlOx是最匹配的产品，具有72MHz、Cortex-M3  CPU和全速USB接口o ST是Precision32系列产品中6mm小尺寸封装的唯一竞争对手。然而，ST 6mm封装限制了Flash闪存和SRAM的容量大小，仅大约是Silicon Labs同外形尺寸产品的一半；最小封装也禁止使用DAC。而全功能版本则需要l0mm封装。

在相同时钟速率下，STM32FlOx功耗大约比Precision32 MCU多50%，在休眠模式下，差异更超过5倍。ST提供“超低功率’’版本处理器，休眠电流为0.23mA/MHz和0.27uA;这些特性稍稍高于Silicon Labs产，但ST的超低功率器件限制CPU运行速度在32MHz.128KB Flash闪存、16KB SRAM，以便保持其超低功耗特性。

对于TI的Stellaris系列产品，我们选择3000系列用于对照比较。在这些产品中，TI限制Cortex-M3 CPU在50MHz，与Precision32 CPU速度相比较慢。为了达到80MHz CPU，必须选择使用更昂贵的5000系列，其针对汽车应用市场。Stellaris 3000使用比Precision32 MCU更大的封装，消耗更多能量，ADC分辨率有限，并且没有DAC。

Precision32系列产品提供一些独特功能，从而区别于所有这些竞争对手。芯片I/O crossbar所提供的设计灵活性是其他MCU无法比拟的。高驱动输出和LED背光控制能力很独特，并且能够显著节省成本。而目前其他领先的MCU无法提供电容式触摸接口，或许Kinetis提供样品时会具备这种能力。

脱颖而出

虽然Silicon Labs公司还未提供广泛的32位MCU产品组合，但最初发布的Precision32芯片能够很好的满足多种终端应用。对于工业用途，例如电机控制和监测，芯片所具备的5 V兼容输入和高驱动输出格外有用。基于电池供电的装置，例如血糖监测仪、GPS定位系统、传感器控制器和自动调温器都能够受益于MCU的低功耗特性；条形码扫描仪、读卡器和其他外围设备需要高集成度USB接口； 6mm封装将有助于满足lOGbps光收发器对外形尺寸的需求。

芯片独特而灵活的引脚配置对几乎所有设计来说都是一个重要优势。他可以缩短设计时间，允许最终设计变动，从而加速产品上市时间。这种方法还允许设计人员使用更小封装和更少引脚数量的MCU产品，因为这些引脚可以被分配去支持几乎所有外设组合。

Silicon Labs将其特有的模拟设计经验应用到新型32位MCU产品，使该产品具有丰富特性，例如精密振荡器、电压调节器、高驱动输出、电容式触摸接口等。虽然一些竞争对手也有类似特性，但是没有任何一家厂商能够涵盖所有特性。即使在竞争对手也能提供的功能中，例如模拟．数字转换器，Silicon Labs公司产品在精度和电压范围上往往更出色。

与竞争产品相比，Silicon Labs设计的新型MCU产品是目前休眠功耗最低的：电流仅0.35 uA，功耗不到最接近竞争产品的1/3 0其工作功耗(mA/MHz)也是业界同类MCU产品中最低的。处理器提供多种功率模式和时钟选项，以帮助设计人员最大限度降低功耗。

凭借其最新3 2位单片机产品线，Silicon Labs正在从8位产品生产领域扩展到竞争激烈的兼容ARM MCU领域。为了脱颖而出，新型Precision32产品提供低功耗、灵活的I/O和模拟集成。这些特点使其非常适合于广泛的工业、医疗、通信和消费电子应用。经常使用大型供应商MCU产品的开发人员应当关注此32位MCU市场新成员。