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2022全球MCU生态发展之国内现状(四):沁恒USB/蓝牙/以太网及基于RISC-V内核全栈MCU 

时间:2022-06-23 15:11:21 作者:Challey 阅读:
2022全球MCU生态发展之国内现状(四):这一部分主要介绍南京沁恒微电子在MCU内核研发、全栈MCU方面的经验,以及USB、蓝牙和以太网等产品。
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MCU已经发展成为全球规模高达200亿美元的大市场,中国市场的规模也接近400亿元人民币。MCU的应用十分广泛,从消费电子、家用电器、工业控制、汽车电子,到新兴的物联网应用,都需要MCU进行控制和计算处理。除了几家国际IC巨头外,国产MCU厂商也如雨后春笋,发展得如火如荼。据不完全统计,目前国产MCU厂商有80家左右,这一细分市场的竞争也日渐剧烈。

2022年6月17日,由AspenCore主办的“2022全球MCU生态发展大会”在深圳进行,会上众多国内外厂商分享了各自的成功经验,产品以及应用领域。本系列主要对国内MCU厂商的情况进行介绍。这一部分介绍南京沁恒微电子在MCU内核研发、全栈MCU方面的经验,以及USB、蓝牙和以太网等产品。

4、南京沁恒:USB/蓝牙/以太网及基于RISC-V内核全栈MCU 

沁恒微电子专注于连接技术和MCU内核研究,基于自研收发器PHY和内核IP的全栈研发模式提供接口芯片和MCU,技术涉及ADC/PGA等模拟检测、MCU智能控制+算法、HID人机交互、网络通信、接口通讯、数据安全、物联协议和云端服务,应用的领域主要在计算机、手机周边、工业控制、物联网等方面。其主要产品有以太网、蓝牙无线、USB和PCI类等接口芯片,及集成上述接口的连接型/互联型/无线型全栈MCU+单片机。

一、RISC-V现状和意义

目前RISC-V的兴起给半导体领域带来了新的现象,同时也给行业带来了实实在在的益处。

1、RISC-V有望与X86、Arm一起形成三分天下的局面

处理器是软件和互联网技术的核心,提供关键性能,长期主要由X86和ARM主导,而近年来RISC-V技术逐渐获得业界的青睐,其架构不断更新,发展势头迅猛,特别是芯片行业,越来越多基于RISC-V的产品推出。目前业界有这样一种观点:未来一段时间之内,RISC-V将成为非常主流的MCU内核。现在,英特尔等大厂也加入了RISC-V联盟,RISC-V有望与X86和ARM形成三分天下的局面。

2、RISC-V给芯片行业带来的好处

芯片产业链最上游除了制造外,还有IP公司和芯片设计公司,IP公司研究各种技术复杂、设计较难的模块,比如处理器IP、存储器IP、专业模拟接口IP等,而芯片设计公司一般会采取这些IP模块加上其他的自研模块,主攻芯片整体和应用优化,目前所有的芯片厂商都是基于这种模式研发产品。

RISC-V的发展在与芯片行业结合碰撞的时候,又产生了一些变化,这些变化从RISC-V对于整个芯片的意义上看,能够对厂商和用户带来很多益处。

对芯片设计公司的意义

首先是带来了直接的价值,节省了第三方IP授权费用和每只芯片的提成费用;第二是具有战略意义,芯片公司掌握核心技术之后,能够更加灵活的结合自身技术和产品提升专业性和灵活性,实现内核自由。基于这种模式,可以实现真正意义上的处理器内核级别的自主可控,以此担负起对客户长期保供的承诺。

对用户的意义

而对于终端用户来说,基于RISC-V研发的芯片节约了内含的IP提成费用,降低了芯片的使用成本;能够带来实实在在的应用端便利和价值。

二、RISC-V内核研发经验

沁恒微电子分享了基于RISC-V内核研究过程中遇到的一些问题的解决方案,以及对终端用户带来的一些体验。主要包含了五个方面:怎样降低运行功耗、如何优化内核、首家支持WFE低功耗睡眠指令、首家支持字节和半字节压缩以及提供高速2线调试接口。

降低运行功耗

从上表中看到基于RISC-V的CH32V203与基于ARM M3的CH32F203的功耗参数比较,前者明显要更低。

这两款芯片采用了相同的架构,除了处理器内核不一样,其他的外设都是一样。

在设计芯片时,降低功耗是比较难的。

V203采用青稞RISC-V微处理器,它的功耗会比F203降低20%,主要是由于RISC-V架构的更新以及自研RISC-V处理器内核级的优化。

同时V203是兼顾高性能和低功耗的MCU,它的主频可以达到144Hz,性能较通用型(ST32F103)提升一倍;但是功耗比低功耗系列(ST32L051)要减半甚至更低,从上表中的数据可以看到。

内核级优化提升实时中断响应,最快提升3倍

USB3.0批量:320M+ Byte/s

USB3.0同步:360M+ Byte/s

沁恒微电子表示,在设计USB 3.0的时候遇到了一个问题:遇到高速传输带宽,数据量大时怎么跑满?这里面的状态和控制比较灵活,我们需要一个快速的中断响应机制,所以在沁恒微电子的自研内核处理器中,基于其自身的技术,进行了中断信息流程的改造,以此得到更快的实时中断响应速度,最终测试比当时第三方RISC-V中断响应速度提升3倍,比经典32位MCU响应速度提升1.6倍,可以做到360MB/s的传输速度。

首家支持WFE低功耗睡眠指令

沁恒微电子的的蓝牙产品叫青稞微处理器,是首家支持WFE低功耗睡眠指令的RISC-V处理器。这是他们在做低功耗蓝牙产品遇到问题时解决研发的产品。

低功耗蓝牙产品在睡眠、唤醒等切换过程中,如果不是WFE睡眠指令,它的功耗处理不好,虽然ARM支持,但是当时标准的RISC-V不支持。

因此,沁恒微电子在设计的时候,基于他们对低功耗蓝牙产品的理解和研究,支持了WFE指令!

当然在基于这个触发条件时,他们的芯片也可以支持多种睡眠模式,可以有效的降低芯片睡眠功耗。其比较典型的蓝牙产品的睡眠功耗可以做到0.2uA。

首家支持字节和半字压压缩

支持字节和半字压缩指令是沁恒微电子在基于MCU协议栈编译后的目标代码过大时发现并解决的技术。也是RISC-V中首家支持字节和半字压压缩的设计。

沁恒微电子的工程师发现基于MCU协议栈编译后的目标代码较大,对用户很不友好,因为相同的资源能做的事少了,所以他们就去研究怎样解决这个问题。研究过程中发现后面指令中采用大量字节和半字的读写指令,所以在其青稞V4处理器内核中把这种基于字节和半字的压缩指令集成进去。这样做的目的很简单:提升芯片的代码密度,能够让有限的资源做更多的事情。

在使用这种压缩指令后,其以太网协议编译后的代码空间占用率降低了6%。这对于用户来说能节省代码空间,带来价值。

上面是沁恒微电子的一款比较典型的以太网产品,它的外围非常少,就是一颗单芯片,甚至把网口的电阻也做了集成(内置50Ω匹配电阻),它的正常运营功耗在35mA以内,而且支持以太网传输。距离达到200米。

高速2线调试接口

在高速线调试接口方面,ARM大部分是基于两线接口,但是早期RISC-V还是采用低速的4线接口,对于用户来讲,它主要的问题是占用IO多,而且运行调试速度慢,也非常不方便。

沁恒微电子非常关注终端用户的需求,结合其调试经验,在首版青稞微处理器中提供了2线调试接口,相对4线调试接口,速度提升到3.8倍,但是数量降低到两根。

三、全栈MCU

沁恒微电子主要专注内核技术的研究和连接技术。

在基于USB、蓝牙、以太网接口提供连接型、互联型、无线型的MCU连接的研发中,发现了一些问题:当采用第三方连接器或者以太网收发器的时候不够便利。

第一,各家的IP形状不一样,衔接不变,导致芯片面积的浪费,进而导致成本的增加。

第二,尽管IP很成熟,均是标准化设计,但是想对应用去做优化的时候,空间其实非常小,因为它是一个标准的东西,因此存在优化的问题。

第三,是直接的授权成本和提成的费用是比较多。

基于这些问题的思考,沁恒微电子结合自己对接口IP以及接口技术的积累,提出了全栈MCU的想法:

基于自研的RISC-V处理器IP,加上自研的垂直全链IP,打造出专业的连接型/互联型/无线型的全栈MCU。

基于全栈的MCU内在结合,自成一体,各模块之间兼容性更好,带给客户的体验是性能更强,成本更低,体积更小,功耗可以做得更低。

更多关于全栈MCU的精彩解读可以移步《全栈,这种MCU玩法太有竞争力》。

责编:Challey
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