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灵动MM32 MCU

作者：黄文凤

随着我国集成电路产业的快速发展，云计算、物联网、大数据、VR等新兴业态将不断催生微控制器(MCU)芯片需求，分析机构预计2018年全球市场规模将超过200 亿美元。而中国MCU市场规模尤其巨大，增长速度国际领先，到2018年中国MCU市场规模将达390亿元，但是面对在MCU市场领域已耕耘很多年的外国厂商的争抢，夹缝中求生存的本土MCU厂商是否迎来大爆发？
　　
MCU市场庞大 角逐激烈
　　
随着物联网应用的火爆，新兴的4C产品更偏向智能应用的新设计趋势，让MCU技术的成长空间更大，包括行业记录器、可穿戴设备、智能监控、工厂自动化、无人机及VR装置等产品，都看到MCU的技术应用，无论国外还是国内的供应商都扎堆投资，希望分食MCU市场这块大蛋糕。
　　
据2014年统计，中国国内市场的前2大MCR厂商分别是瑞萨电子、飞思卡尔半导体(现已被恩智浦收购)，目前已有超过50家以上厂商推出各式MCU产品，以应用不同的领域，除了瑞萨、NXP、Microchip、TI、ST等国际大厂商外，还有韩国三星，中国本土也有20家以上如华大半导体、上海灵动微电子、爱普特微电子、杭州中天微等。因此，MCU市场竞争激烈程度可见一斑。
　　
国产MCU的出路与挑战
　　
MCU微控制器是各种系统的核心，广泛应用于消费电子、工业控制、汽车电子及通信等领域，MCR应用是中国制造转向中国智能制造的引擎，也是保障国家信息安全的有力支持，因此，在国家政策的支持下，MCU市场对于本土厂商来讲，确实是一个重大机遇，中国MCU厂商将在中国MCU舞台上扮演重要的角色。
　　
随着技术的不断改进，8位MCU价格方面始终具有优势，市场前景巨大，从趋势上看，国外厂商逐渐放弃了8位市场，这对于中国MCR厂商来讲说蕴藏着重大机会，另外，本土厂商可借助ARM成熟的MCU IP平台，避开繁杂的软件开发和韧体整合工作，快速投入终端产品技术与创新应用上去，并大大减少投资成本，这是本土厂商进入主流32位MCU市场非常好的机遇。
　　
随着国内MCU厂商的不断增加，同类产品不断增加，国内MCU产品同质化竞争将会越来越激烈，面对此现象，国内采用ARM内核本土厂商深圳市爱普特微电子有限公司技术总监鲁翔和杭州中天微系统有限公司高级副总裁徐滔均表示，在保证服务质量的前提下，价格相对较低将更能获得客户的认可。对此，ARM物联网应用市场经理耿立锋则不赞同此看法，其认为产品定位、性能与服务更为重要，不担心成本价格对市场接受度的影响，并以华为与海思联合，打造高端智能手机为例来说明。
　　
毋庸质疑，芯片本身的差异化越来越小，但是价格战绝不是抢占市场份额的唯一出路，毕竟MCU市场相对较分散，没有绝对的垄断寡头，本土厂家要根据自身的优势找准产品开发的方向和细分领域，并针对细分领域在软件、解决方案和应用方面上体现产品价值。
　　
另外，较于在国内MCU市场主导20多年的海外芯片厂商来说，本土MCU厂商有其自身的优势，在第八届MCU技术创新与嵌入式应用大会的国产MCU沙龙上，华大半导体、上海灵动微电子、上海微技术工研院等本土MCU厂商一致认为，电子产品的主战场在中国，本土MCU厂商在成本、服务响应速度等方面具有较大的优势，更容易与本土企业配合。
　　
毋庸质疑，本土MCU厂商面临重大的发展机遇，在全球半导体产业发展趋缓和政府大力支持芯片产业之际，本土MCU厂商应抓着机遇，面对行业利润不断走低，要较早谋划资本投入计划，以避免渗淡出局，未来能有效掌握移动设备与物联网MCU商机的国内、外芯片商，肯定将有机会笑到最后。

作者：刘丹

8月23日，上海灵动微电子股份有限公司2016年秋季新品发布会取得圆满成功，众多MCU领域的知名厂商代表、专业人士以及国内30多家知名门户与科技媒体现场云集，一起见证本土企业灵动历年来的快速发展以及强大产业链，此外针对不同领域灵动发布了三款不同的新品。

深耕本土 为中国MCU作第一推动

活动一开始，主持人电子创新网CEO张国斌就国内MCU市场做了相应介绍，他表示随着物联网和智能硬件的快速发展，32位MCU的需求呈现快速上升趋势。据相关数据统计，2015年全球MCU出货量255亿颗，比2014年提升了12.4%。

张国斌告诉记者，虽然今年全球的经济相对低迷，但是MCU的需求仍然有望增长20%左右，预计2016年全球MCU市场出货量将突破300亿颗大关。并且，32位的MCU市场未来几年会保持30%左右的高速增长!

在此市场红利下，国内厂商抓住此次机遇，纷纷加入32位MCU阵营，灵动微电子就是其中一家。灵动董事长兼CEO吴忠洁博士在详细介绍了灵动微电子多年来的发展历程后提出，灵动作为一家本土的MCU公司，希望能紧密结合国内的发展环境，能够一起推动本土MCU发展。

他强调，灵动微电子的特色也正在于立足本土，洞悉市场，贴近客户，以及为客户提供“保姆式”的全方位支持几个方面。

三大MCU产品 实现市场高中低端全覆盖

针对国内MCU不同层次的应用需求，灵动微电子发布了三款MCU产品，以实现高中低端全覆盖。三款MCU产品分别为：基于Cortex-M3内核的MM32F103系列MCU，基于Cortex-M0内核的MM32F031系列MCU和MM32P011系列的MCU，其中MM32F031系列MCU有突出的性价比特性，主打IoT及消费类市场。对于三款产品的详细信息，灵动微电子MCU事业部总经理娄方超先生做了如下详细的介绍。

首先是MM32F103，其实体模型如图，蓝色表示部分数字外设，红色表示主要的模拟模块，存储器包括128K字节的Flash闪存和20K字节的SRAM。该芯片的闪存为定义式闪存，所以其数据吞吐率非常高，可以有效保证客户在高效的应用场景下数据吞吐的连续性。

据娄方超介绍，MM32F103MCU的特点就是拥有ARM cortex-M3的内核，同时灵动为该款MCU设计了大量的数字外设、模拟外设以及搭配本土的嵌入式的工艺。

另外，MM32F103目前有四个不同封装形式的pattern number，相应的其Flash较前者减少一半。

其次，推出的另一款MCU是MM32F031系列，该MCU是一款基于ARM Cortex-M0的产品，其定义也为标准型，与F103系列MCU相比，在外设上所减少，可以从图上看到其外设数量以及SRAM以及Flash大小都要略小于F103产品。

相应的F031提供三种pattern number，分别对应不同的封装形式。据介绍，该产品的交货周期为4到8周。

最后一款为P011系列MCU。对于市场，娄方超表示，如果将MCU 的Price以及Performance作为坐标轴，可以看到如图常见的发展形式，同时灵动微电子的M031系列主打M0内核的中低端MCU市场，M103系列主打M3内核的中高端MCU市场,P011看准的则是超低端市场，其主要竞争对象是8位芯片市场。

娄方超强调，P011实际上是一个32位的内核，但其价格以及应用性能都可以与市场上的8位MCU相媲美，目前已经在测试过程中，预计今年第四季度就可以面世。

对比主流MCU，娄方超表示，主流MCU功能灵动的MCU也都具有，另外灵动微电子的MM32在供电电压做了一个宽压设计，主流为2.0-3.6V，而灵动微电子的MM32F103为2.4-5.5V，其他方面也做了加强，主频做到96MHz，娄方超透露，未来灵动还会推出一些加强型的产品，在主频性能、电源性能方面也会更强。

最后，娄方超在向大家介绍历年来灵动微电子做MCU的心得时表示，灵动MM32 MCU平台可归纳为10大要素，其中模拟IP，数字IP排列较前，且需根据特定环境进行不断优化。

而内存控制器是做嵌入式闪存必不可少的要素，该控制器尤其在高阶MCU下，整个CPU都是被内存控制器监管的，所以内存控制器的性能不仅仅影响到不仅仅影响系统运行，对调试结果也有非常直观的影响，且直接影响整个系统的稳定性，因此，灵动微电子将超过30%的成本投入在该项的研发中，也正因为此，灵动在内存控制器方面丝毫不逊于全球同类型的顶尖产品。

在架构上，娄方超提出，目前的MCU与传统的8位MCU不太一样，它更像一个SOC，所以一个好的架构也是非常重要的。

而库函数函数可以有效解决用户习惯，在32位MCU大家越来越倾向于C语言开发以及图形化的MCU开发语言，这些都是建立在强大的硬件基础之上，灵动做了差不多有上千种的函数，所有这些函数都可以在网上进行下载。

最后，特别强调的一点是加密与安全，从最初做MCU开始灵动从来没有放弃过加密Flash技术的专研，因此在此部分也十分出色。

2016上半年，全球32位MCU的出货量已经超过了8位、16位MCU出货量的总和。截止到2016年5月，STM32系列MCU出货已达16亿颗，是市占率最高的MCU。中国作为MCU全球最大的消耗国，竟然有80%以上的MCU都是舶来品！那么，国产MCU该如何突出重围值得深思。巨大的市场，意味着机遇与挑战并存，借着32位MCU的东风，灵动微电子于2016年5月20以黑马之势正式杀入32位领域。

2016年8月23日，上海灵动微电子股份有限公司于深圳星河丽思卡尔顿酒店举办“灵动微电子2016秋季新品发布会”，活动现场大咖云集，共同见证灵动微电子2016秋季新品发布。灵动微电子董事长兼CEO吴忠洁博士、灵动微电子联合创始人兼MCU事业部总经理娄方超先生、ARM物联网应用市场经理耿立锋先生、华宏宏力的Olina Li女士、蚁石科技总经理朱才智先生、周立功单片机创始人周立功先生等为现场观众带来了精彩的演讲及现场互动。

根据现场数据显示，2015年全球MCU出货量255亿颗，比2014年提升了12.4%。虽然今年全球的经济相对低迷，但是MCU的需求仍然有望增长20%左右，预计2016年全球MCU市场出货量将突破300亿颗大关，其中32位MCU市场未来几年会保持30%左右的高速增长。

高速增长的市场趋势，势必会为国产MCU厂商的崛起带来新契机。灵动微电子作为一家专注于MCU领域的企业，立足本土，洞悉市场，贴近客户，以为客户提供“保姆式”的全方位支持为特色，立志成为“中国本土MCU第一推动力”，为客户提供高性价比MCU产品及方案。

MM32系列新品

此次发布会，灵动微电子主要为大家带来三款新产品。它们分别是基于Cortex-M3内核的MM32F103系列MCU，基于Cortex-M0内核的MM32F031系列MCU和MM32P011系列的MCU，其中MM32F031系列MCU有突出的性价比特性，主打IoT及消费类市场。其最高工作频率为96MHz，内置高速存储器，拥有丰富的增强IO端口和连接到两条APB总线的外设，产品供电电压为2.5V至5.5V，一系列的省电模式，最大程度的保证了低功耗应用的要求。

其他产品周边及应用方案

灵动微电子其他产品周边其应用方案主要有：应用开发平台，031核心板，103核心板，脱机下载器，烧录器，平衡车方案，四轴飞行器方案，电子相框方案，热敏打印机方案，BLDC电机驱动方案，电子标签方案，LED显示屏方案等。

MM32系列MCU构成要素

1、模拟IP

灵动微电子有大量针对MCU的模拟模块，覆盖电源管理、时钟、信号处理等等，并且这些模拟模块都是为MCU深度定制的，在多个MCU产品中得到量产验证。

2、数字模块

灵动微电子也有MCU需要的数字IP例如各种接口、总线和信号处理系统等等，针对MCU应用度身定制。

3、内存控制器

嵌入式Flash平台最基础也是最重要的MCU模块，它决定了整个平台的数据吞吐、执行效率，也决定了软件开发、调试、烧录、使用的方式。但又常常被设计者所忽略。

4、架构

架构是关系到MCU开发者体验的关键，灵动微电子为MM32MCU配备了超过700种函数，便于客户从原有平台上迅速完成设计迁移。

5、库函数

库函数是开发MCU的关键，是晶体管寄存器与应用软件之间的桥梁，可为用户快速开发、平台迁移提供便利，可为MCU/SoC原厂提供自由发挥的空间，并且可有效解决软件兼容性问题。

6、固件例程

灵动微电子的固件例程可为客户提供新品导入和平台迁移的信心为设计开发人员提供贴近实际应用的场景和一手的测试环境。

7、文档手册

文档手册对于MCU开发者非常重要，当年周立功单片机就是把大量NXPMCU的文档翻译成中文推动了NXPMCU的中国销售，灵动微电子也提供了大量文档和手册。

8、开发调试下载烧录

灵动微电子获得了来自ARM原厂的直接支持，目前已经进入ARMKEIL的厂商及产品目录，目前仅有两家本土企业做到这一点。

9、加密安全

MM32系列MCU拥有32位硬件CRC校验电路模块，每一颗芯片都有唯一的96bitID号，Flash集成了硬件加密电路，极大地加强了客户程序以及数据的安全性，可有效抗击外部的各种攻击手段。

10、原型开发

灵动微电子有多个的并行开发模式，在完全不接触客户核心算法源码的情况下，完成整体架构设计、IP设计及整合、异地协同设计验证等，大幅度提升开发效率。

以上10大要素共同构成了灵动MM32 MCU生态链所倡导的优质产品和精致服务的基础。

MM32系列MCU应用领域

MM32系列MCU主要涵盖四大应用领域：

1、IOT/低功耗应用；

2、工业控制及高可靠性应用；

3、传感器/MEMS应用；

4、加密安全应用。

细分领域：平衡车，无人机，电子标签，电子相框，电机驱动，工业控制，医疗和手持设备，游戏外设，导航平台，可编程控制器(PLC)，打印机和扫描仪，警报系统、视频对讲和暖气通风空调系统，物联网平台，仪器仪表，低功耗应用领域。

在工艺方面，娄方超表示，灵动微电子未来会逐步推出支持超低功耗、无线连接的系列，在工艺上在会逐渐过渡到40nm工艺。

作为灵动微电子重要的合作伙伴，ARM物联网应用市场经理耿立锋先生亲自到场支持，并发表了以《ARM助力国产MCU腾飞》为主题的演讲，他从工具、生态系统建设、商业模式等各个发展方向，系统地介绍了ARM是如何与本土企业合作。

在圆桌论坛环节，演讲嘉宾周立功单片机创始人周立功、南京万利电子创始人刘强、深圳智慧家庭协会秘书长蔡锦江等与观众面对面互动，为灵动微电子的发展出谋划策。对于灵动微电子亦或是国内MCU的发展方向，大家一致认为，本土MCU在未来的发展机遇很大，要抓住发展机遇就要专注细分领域一战成名。

开漏输出：输出端相当于三极管的集电极，要得到高电平状态需要上拉电阻才行。适合于做电流型的驱动，其吸收电流的能力相对强（一般20ma以内）。

推挽结构一般是指两个三极管分别受两互补信号的控制,总是在一个三极管导通的时候另一个截止。

我们先来说说集电极开路输出的结构。集电极开路输出的结构如图1所示，右边的那个三极管集电极什么都不接，所以叫做集电极开路（左边的三极管为反相之用，使输入为“0”时，输出也为“0”）。对于图1，当左端的输入为“0”时，前面的三极管截止（即集电极C跟发射极E之间相当于断开），所以5V电源通过1K电阻加到右边的三极管上，右边的三极管导通（即相当于一个开关闭合）；当左端的输入为“1”时，前面的三极管导通，而后面的三极管截止(相当于开关断开)。

我们将图1简化成图2的样子。图2中的开关受软件控制，“1”时断开，“0”时闭合。很明显可以看出，当开关闭合时，输出直接接地，所以输出电平为0。而当开关断开时，则输出端悬空了，即高阻态。这时电平状态未知，如果后面一个电阻负载（即使很轻的负载）到地，那么输出端的电平就被这个负载拉到低电平了，所以这个电路是不能输出高电平的。

再看图三。图三中那个1K的电阻即是上拉电阻。如果开关闭合，则有电流从1K电阻及开关上流过，但由于开关闭其它三个口带内部上拉，当我们要使用输入功能时，只要将输出口设置为1即可，这样就相当于那个开关断开，而对于P0口来说，就是高阻态了。

对于漏极开路(OD)输出，跟集电极开路输出是十分类似的。将上面的三极管换成场效应管即可。这样集电极就变成了漏极，OC就变成了OD，原理分析是一样的。

另一种输出结构是推挽输出。推挽输出的结构就是把上面的上拉电阻也换成一个开关，当要输出高电平时，上面的开关通，下面的开关断;而要输出低电平时，则刚好相反。比起OC或者OD来说，这样的推挽结构高、低电平驱动能力都很强。如果两个输出不同电平的输出口接在一起的话，就会产生很大的电流，有可能将输出口烧坏。而上面说的OC或OD输出则不会有这样的情况，因为上拉电阻提供的电流比较小。如果是推挽输出的要设置为高阻态时，则两个开关必须同时断开(或者在输出口上使用一个传输门)，这样可作为输入状态，AVR单片机的一些IO口就是这种结构。

开漏电路特点及应用

在电路设计时我们常常遇到开漏(open drain)和开集(open collector)的概念。

所谓开漏电路概念中提到的“漏”就是指MOSFET的漏极。同理，开集电路中的“集”就是指三极管的集电极。开漏电路就是指以MOSFET的漏极为输出的电路。一般的用法是会在漏极外部的电路添加上拉电阻。完整的开漏电路应该由开漏器件和开漏上拉电阻组成。如图1所示：

组成开漏形式的电路有以下几个特点：

1. 利用外部电路的驱动能力，减少IC内部的驱动（或驱动比芯片电源电压高的负载）。当IC内部MOSFET导通时，驱动电流是从外部的VCC流经R pull-up ，MOSFET到GND。IC内部仅需很下的栅极驱动电流。如图1。

2. 可以将多个开漏输出的Pin，连接到一条线上。形成 “与逻辑” 关系。如图1，当PIN_A、PIN_B、PIN_C任意一个变低后，开漏线上的逻辑就为0了。这也是I2C，SMBus等总线判断总线占用状态的原理。如果作为输出必须接上拉电阻。接容性负载时，下降延是芯片内的晶体管，是有源驱动，速度较快;上升延是无源的外接电阻，速度慢。如果要求速度高电阻选择要小，功耗会大。所以负载电阻的选择要兼顾功耗和速度。

3. 可以利用改变上拉电源的电压，改变传输电平。如图2, IC的逻辑电平由电源Vcc1决定，而输出高电平则由Vcc2（上拉电阻的电源电压）决定。这样我们就可以用低电平逻辑控制输出高电平逻辑了（这样你就可以进行任意电平的转换）。（例如加上上拉电阻就可以提供TTL/CMOS电平输出等。）

4. 开漏Pin不连接外部的上拉电阻，则只能输出低电平（因此对于经典的51单片机的P0口而言，要想做输入输出功能必须加外部上拉电阻，否则无法输出高电平逻辑）。一般来说，开漏是用来连接不同电平的器件，匹配电平用的。

5. 标准的开漏脚一般只有输出的能力。添加其它的判断电路，才能具备双向输入、输出的能力。

6.正常的CMOS输出级是上、下两个管子，把上面的管子去掉就是OPEN-DRAIN了。这种输出的主要目的有两个：电平转换、线与。

7.线与功能主要用于有多个电路对同一信号进行拉低操作的场合，如果本电路不想拉低，就输出高电平，因为OPEN-DRAIN上面的管子被拿掉，高电平是靠外接的上拉电阻实现的。（而正常的CMOS输出级，如果出现一个输出为高另外一个为低时，等于电源短路。）

8.OPEN-DRAIN提供了灵活的输出方式，但是也有其弱点，就是带来上升沿的延时。因为上升沿是通过外接上拉无源电阻对负载充电，所以当电阻选择小时延时就小，但功耗大;反之延时大功耗小。所以如果对延时有要求，则建议用下降沿输出。

应用中需注意：

1. 开漏和开集的原理类似，在许多应用中我们利用开集电路代替开漏电路。例如，某输入Pin要求由开漏电路驱动。则我们常见的驱动方式是利用一个三极管组成开集电路来驱动它，即方便又节省成本。如图3。

2. 上拉电阻R pull-up的阻值决定了逻辑电平转换的沿的速度。阻值越大，速度越低功耗越小。反之亦然。

Push-Pull输出就是一般所说的推挽输出，在CMOS电路里面应该较CMOS输出更合适，因为在CMOS里面的push-pull输出能力不可能做得双极那么大。输出能力看IC内部输出极N管P管的面积。和开漏输出相比，push-pull的高低电平由IC的电源低定，不能简单的做逻辑操作等。push-pull是现在CMOS电路里面用得最多的输出级设计方式。

当然open drain也不是没有代价，这就是输出的驱动能力很差。输出的驱动能力很差的说法不准确，驱动能力取决于IC中的末级晶体管功率。OD只是带来上升沿的延时，因为上升沿是通过外接上拉无源电阻对负载充电的，当电阻选择小时延时就小、但功耗大，反之延时大功耗小。OPEN DRAIN提供了灵活的输出方式，但也是有代价的，如果对延时有要求，建议用下降沿输出。

电阻小延时小的前提条件是电阻选择的原则应在末级晶体管功耗允许范围内，有经验的设计者在使用逻辑芯片时，不会选择1欧姆的电阻作为上拉电阻。在脉冲的上升沿电源通过上拉无源电阻对负载充电，显然电阻越小上升时间越短，在脉冲的下降沿，除了负载通过有源晶体管放电外，电源也通过上拉电阻和导通的晶体管对地 形成通路，带来的问题是芯片的功耗和耗电问题。电阻影响上升沿，不影响下降沿。如果使用中不关心上升沿，上拉电阻就可选择尽可能的大点，以减少对地通路的 电流。如果对上升沿时间要求较高，电阻大小的选择应以芯片功耗为参考。

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