2015年是MCU市场的一个分水岭。物联网与智能硬件的发展带动32位MCU需求快速上升，据相关数据显示，去年32位MCU的出货量甚至超过了4位+8位MCU的总和，并会在未来几年里保持30%左右的高速增长！

云汉芯城产品副总裁程凯亦表示，从公司平台的大数据反馈来看，32位MCU一周搜索量可以达到2万次，平均3000次/天，势头火热。

正是在这样的背景下，上海灵动微电子股份有限公司（后简称“灵动微”）于今年8月下旬发布了三款32位通用MCU系列产品：基于Cortex-M3内核的MM32F103系列（今年5月已在市场供货）、基于Cortex-M0的MM32F031系列和MM32P011系列（预计今年Q4面世），分别瞄准了中高端、中低端、超低端市场，并采用了国际领先的封测供应商，以显灵动微对产品品质的严格要求。

目前MM32 MCU系列主要聚焦在IoT/低功耗、工业控制/高可靠应用、传感器/MEMS应用、加密安全应用四个领域，推出的参考设计方案包括了智慧家庭、无人机、平衡车、高清显示、电子烟、电子标签、LED屏、无刷电机驱动（BLDC）、打印机等。

可以看到，目前灵动微是国内第二家ARM MCU芯片公司，前有兆易创新，后有中颖、芯海在蠢蠢欲动，昭示着本土企业在MCU市场的蓄势待发。

不过，这些企业凭什么能从老外手中抢得蛋糕呢？

众所周知，由于芯片原厂的工程师离中国市场较远，因此决策速度相对较慢。同时，这些原厂的重视程度也不够，据智慧产品圈了解到，有的厂商甚至想将FAE外包出去，生生砍断了客户反映需求的直接通道。这些都是本土企业的机遇点所在。

娄方超亦指出，ARM MCU市场目前主要还是一些国外厂商在竞争，仍然是蓝海市场，中国企业有一定的生存空间。对此，智慧产品圈总结出了本土企业可行的三个切入点：

一、注重产品定义，合适的就是最好的。本土企业做MCU不能想着去拼价格，这样一定会死掉，因为公司没钱再去做下一代产品的研发，必须要走差异化，前期的产品定义非常重要。未来的应用会对芯片底层技术提出一些新的共性需求，据娄方超透漏，未来灵动微更多是对这些共性要求提前做预判、研发，多听市场的声音。

二、提供更贴心、更迅速的客户服务。所谓近水楼台先得月，凭借地理优势，本土企业可以向客户提供更接地气的“保姆式”服务，娄方超就指出，“有客户曾说，只要你们能在24小时内上门帮忙调试、解决问题，我就愿意选择你的产品！”

三、与产业链伙伴保持紧密合作。物联网应用市场的需求非常细分，因此包括灵动微在内的本土MCU企业可以积极与合作伙伴紧密沟通，通过灵活的商业模式做定制化服务。比如采集人体特征数据的可穿戴产品，其核心功能在于传感器的采集与算法，目前算法是通过软件的方式跑在MCU上的，未来可以将这些算法固化成IP集成在MCU上，加快处理速度。

这也正是灵动微的底气所在。成立于2011年的灵动微电子是从MCU设计定制服务起家的，在转型做MCU品牌后，继续保持了原有的定制化业务两条腿走路，有望在物联网时代迅速崛起。

结语

纵观全球市场，欧美的优势在于IC核心技术，日本优势在于元器件材料，而中国的优势在于制造和应用，把握了一头一尾。

物联网的出现，不仅带动了32位MCU的迅速发展，更是颠覆了原来以IC为主导的游戏规则，其碎片化的特性决定了，未来将由细分应用来带动周边产业链的增长，借助这个势能，本土IC企业有望获得快速增长，抢占一席之地。

设计以MCU为核心的嵌入式系统硬件电路需要根据需求分析进行综合考虑，需要考虑的问题较多，这里给出几个特别要注意的问题。

1、MCU的选择

选择 MCU 时要考虑 MCU 所能够完成的功能、MCU 的价格、功耗、供电电压、I/O 口电平、管脚数目以及 MCU 的封装等因素。MCU 的功耗可以从其电气性能参数中查到。供电电压有 5V、3.3V 以及 1.8V 超低电压供电模式。

为了能合理分配 MCU 的I/O资源，在 MCU 选型时可绘制一张引脚分配表，供以后的设计使用。

2、电源

（1）考虑系统对电源的需求，例如系统需要几种电源，如24V、12V、5V或者3.3V等，估计各需要多少功率或最大电流(mA)。在计算电源总功率时要考虑一定的余量，可按公式“电源总功率=2×器件总功率”来计算。

（2）考虑芯片与器件对电源波动性的需求。一般允许电源波动幅度在 ±5% 以内。对于A/D转换芯片的参考电压一般要求 ±1% 以内。 (3)考虑工作电源是使用电源模块还是使用外接电源。

3、普通I/O口

（1）上拉、下拉电阻：考虑用内部或者外部上/下拉电阻，内部上/下拉阻值一般在 700Ω 左右，低功耗模式不宜使用。外部上/下拉电阻根据需要可选 10KΩ～1MΩ 之间。

（2）开关量输入：一定要保证高低电压分明。理想情况下高电平就是电源电压，低电平就是地的电平。如果外部电路无法正确区分高低电平，但高低仍有较大压差，可考虑用 A/D 采集的方式设计处理。对分压方式中的采样点，要考虑分压电阻的选择，使该点通过采样端口的电流不小于采样最小输入电流，否则无法进行采样。

（3）开关量输出：基本原则是保证输出高电平接近电源电压，低电平接近地电平。I/O 口的吸纳电流一般大于放出电流。对小功率元器件控制最好是采用低电平控制的方式。一般情况下，若负载要求小于10mA，则可用芯片引脚直接控制；电流在 10~100mA 时可用三极管控制，在 100mA～1A 时用 IC 控制；更大的电流则适合用继电器控制，同时建议使用光电隔离芯片。

4、A/D电路与D/A电路

（1）A/D电路：要清楚前端采样基本原理，对电阻型、电流型和电压型传感器采用不同的采集电路。如果采集的信号微弱，还要考虑如何进行信号放大。

（2）D/A电路：考虑 MCU 的引脚通过何种输出电路控制实际对象。

5、控制电路

对外控制电路要注意设计的冗余与反测，要有合适的信号隔离措施等。在评估设计的布板时，一定要在构件的输入输出端引出检测孔，以方便排查错误时测量。

6、考虑低功耗

低功耗设计并不仅仅是为了省电，更多的好处在于降低了电源模块及散热系统的成本。由于电流的减小也减少了电磁辐射和热噪声的干扰。随着设备温度的降低，器件寿命则相应延长，要做到低功耗一般需要注意以下几点：

（1）并不是所有的总线信号都要上拉。上下拉电阻也有功耗问题需要考虑。上下拉电阻拉一个单纯的输入信号，电流也就几十微安以下。但拉一个被驱动了的信号，其电流将达毫安级。所以需要考虑上下拉电阻对系统总功耗的影响。

（2）不用的I/O口不要悬空，如果悬空的话，受外界的一点点干扰就可能成为反复振荡的输入信号，而MOS器件的功耗基本取决于门电路的翻转次数。

（3）对一些外围小芯片的功耗也需要考虑。对于内部不太复杂的芯片功耗是很难确定的，它主要由引脚上的电流确定。例如有的芯片引脚在没有负载时，耗电大概不到1毫安，但负载增大以后，可能功耗很大。

7、考虑低成本

（1）正确选择电阻值与电容值。比如一个上拉电阻，可以使用4.5K-5.3K的电阻，你觉得就选个整数5K，事实上市场上不存在5K的阻值，最接近的是 4.99K(精度1%)，其次是5.1K(精度5%)，其成本分别比精度为20%的4.7K高4倍和2倍。20%精度的电阻阻值只有1、1.5、2.2、 3.3、4.7、6.8几个类别(含10的整数倍);类似地，20%精度的电容也只有以上几种值，如果选了其它的值就必须使用更高的精度，成本就翻了几倍，却不能带来任何好处。

（2）指示灯的选择。面板上的指示灯选什么颜色呢?有些人按颜色选，比如自己喜欢蓝色就选蓝色。但是其它红绿黄橙等颜色的不管大小(5mm以下)封装如何，都已成熟了几十年，价格一般都在5毛钱以下，而蓝色却是近三四年才发明的，技术成熟度和供货稳定度都较差，价格却要贵四五倍。（注：这一已经是几年前的看法了）

（3）不要什么都选最好的。在一个高速系统中并不是每一部分都工作在高速状态，而器件速度每提高一个等级，价格差不多要翻倍，另外还给信号完整性问题带来极大的负面影响。

ARM Cortex™-M处理器系列是一系列可向上兼容的高能效、易于使用的处理器，这些处理器旨在帮助开发人员满足将来的嵌入式应用的需要。这些需要包括以更低的成本提供更多功能、不断增加连接、改善代码重用和提高能效。

Cortex-M 系列针对成本和功耗敏感的MCU和终端应用（如智能测量、人机接口设备、汽车和工业控制系统、大型家用电器、消费性产品和医疗器械）的混合信号设备进行过优化。

科技的发展，身边的智能产品越来丰富，扫地机器人、手机、VR、穿戴设备及车载仪表、导航仪等，这些产品都具备个智能的“芯”，今天，主要介绍这些“芯”的特点与联系。

ARM

ARM处理器是Acorn计算机有限公司面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器。更早称作Acorn RISC Machine。ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集，一般来讲比等价32位代码节省达35%，却能保留32位系统的所有优势。20世纪90年代，ARM 32位嵌入式RISC(Reduced lnstruction Set Computer)处理器扩展到世界范围，占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域的领先地位。ARM公司既不生产芯片也不销售芯片，它只出售芯片技术授权。

MCU

MCU本质为一片单片机，指将计算机的CPU、RAM、ROM、定时计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成的芯片级的计算机。

DSP

DSP(DigitalSignalProcessing)，数字信号处理，简称DSP。DSP是用数值计算的方式对信号进行加工的理论和技术。另外DSP也是Digital Signal Processor的简称，即数字信号处理器，它是集成专用计算机的一种芯片，只有一枚硬币那么大。

FPGA

FPGA(Field－Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

SOC

SoC的定义多种多样，由于其内涵丰富、应用范围广，很难给出准确定义。一般说来， SoC称为系统级芯片，也有称片上系统,意指它是一个产品，是一个有专用目标的集成电路，其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容。同时它又是一种技术，用以实现从确定系统功能开始，到软/硬件划分，并完成设计的整个过程。

ARM、MCU、DSP、FPGA、SOC的比较

采用架构

● ARM：架构采用32位精简指令集（RISC）处理器架构，从ARM9开始ARM都采用了哈佛体系结构，这是一种将指令与数据分开存放在各自独立的存储器结构，独立的程序存储器与数据存储器使处理器的处理能力得到较大的提高。ARM多采用流水线技术，此技术通过多个功率部件并行工作来缩短程序执行时间，使指令能在多条流水线上流动，从而提高处理器的效率和吞吐率。现今ARM7采用了典型的三级流水线，ARM9采用五级流水线技术，而ARM11使用了7级流水线，ARM Cortex-A9更是使用了可变流水线结构（支持8-11级流水线）。在多核心的支持上ARM Cortex-A9最多可支持4个核心，这是ARM系列处理器中首次支持多核心技术。下图表示了NXP ARM体每当处理器。　　　

● MCU：大都在结构上是基于冯·诺伊曼结构的，这种结构清楚地定义了嵌入式系统所必需的四个基本部分：一个中央处理器核心，程序存储器（只读存储器或者闪存）、数据存储器（随机存储器）、一个或者更多的定时/计数器，还有用来与外围设备以及扩展资源进行通信的输入/输出端口——所有这些都被集成在单个集成电路芯片上。指令集上早期的MCU是采用CISC的，后面被RISC取代。在总线位数上，MCU覆盖了4位、8位、16位、32位，应用十分广泛。

● DSP：又名数字信号处理器，它是一种专用于实时的数字信号处理的微处理器。结构上它采用哈佛结构，同样采用流水线技术。此外，DSP被用于宿主环境时可作为直接内存存取设备运作，还支持从模拟数字转换器（ADC）获得数据，最终输出的是由数字模拟转换器（DAC）转换为模拟信号的数据，支持一定的并行处理。

● FPGA：FPGA是英文FieldProgrammable Gate Array（现场可编程门阵列）的缩写，它是在PAL、GAL、PLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物，是专用集成电路（ASIC）中集成度最高的一种。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。用户可对FPGA内部的逻辑模块和I/O模块重新配置，以实现用户的逻辑。它还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改。FPGA有别于DSP、ARM、MCU的地方主要在于它的并行处理能力，它的强大并行性使复杂的运算得到极大的速度比提升。

● SOC:：系统芯片是一个将计算机或其他电子系统集成单一芯片的集成电路。系统芯片可以处理数字信号、模拟信号、混合信号甚至更高频率的信号。系统芯片常常应用在嵌入式系统中。系统芯片的集成规模很大，一般达到几百万门到几千万门。SOC相对比较灵活，它可以将ARM架构的处理器与一些专用的外围芯片集成到一起，组成一个系统。其实现有的ARM处理器如Hisi-3507、hisi3516等处理器都是一个SOC系统，尤其是应用处理器它集成了许多外围的器件，为执行更复杂的任务、更复杂的应用提供了强大的支持。

功耗

● ARM：可以说ARM之所以在移动市场上得到极大的成功，其中最主要的原因便是它的低功耗。众所周知的是在移动市场上的电子产品对处理器的功耗是十分敏感的，在过去PC平台上处理器的功耗在几十W到上百W不等，这样的功耗放在移动平台上是不可想像的，ARM在主频1G的情况下功耗才几百mW,强劲的低功耗使它能适应移动电子产品。

● DSP：在与非网的一组数据上显示，在数字信号处理方面的市场占有率DSP与FPGA各得半壁江山。DSP相对于FPGA的一个优势是它的功耗相对较低，DSP生产厂商通过提高处理器的主频、努力降低功耗来保证它的市场占有率，因为在高性能的数字处理市场上FPGA似乎更占有优势。如果单纯从DSP领域上来看，DSP在功耗上、性能上做得最好的要数TI公司，TI公司的DSP处理器相对其它的DSP厂商生产的处理器成本更低、功耗更低，所以TI的DSP芯片更在竞争力。

● MCU：MCU面世时间最长，各种厂商都有它们自己的架构与指令集，如果从低功耗方面来看，TI的MSP430型MCU做得相对较好。

● FPGA：FPGA由于它的内部结构原因造成它的功耗相对较高、芯片发热量大，这也是它的一个缺点。但这也是不可避免的，在支持高性能的并发计算数字电路，且内部的逻辑门大都采用标准的宽长比，最终生成的数字电路必然会在功耗上无法与ASIC等专用处理器比较。

● SOC：由于SOC自身的灵活性，它将多个器件集成到一个极小的芯片上从而组成一个系统，SOC系统相对于MCU等处理器组成的系统来说，它在功耗上具有优势。并且，SOC芯片可在版图层面上结合工艺、电路设计等因素对系统的功耗进行系统的优化，这样比由现今外围的PCB版搭建出来的系统功耗更低，占用面积更小。

速度

● ARM：随着市场应用的需求提高，ARM厂商纷纷通过优化来提高它的主频，提升它的性能。从开始的100Mhz到惊人的2.3Ghz，ARM主频以惊人的速度向前发展。

● DSP：现今最快的主频能达到1.2Ghz。当然不能单纯从主频判断它的性能会比ARM差，DSP具有单时钟周期内完成一次乘法和一次加法的能力，一般的ARM不具备这样的能力，DSP在计算领域优势尤其明显，所以TI结合了ARM和DSP两者的优势，生产出达芬奇异构芯片，当然这是属于SOC的范畴了。

● MCU：作为低端的应用处理器，它的主频从数M到几十Mhz不等。

FPGA主频时钟最高可达几Ghz甚至上10Ghz，当然它的成本也不菲。如果将FPGA与ARM、DSP等作为比较，从主频上进行比较是没有多大意义的，毕竟并行计算的能力要远远超出一般通用的处理器采用的串行计算几十倍。如同样的一个滤波算法在主频为100Mhz的FPGA上实现要比在主频为1Ghz的ARM上实现仍要快。

应用与市场

● ARM处理器现在主要是三个系列分别为A系列、R系列、M系列，其中A系列主攻消费电子应用，应用十分广泛。

计算：上网本、智能本、输入板、电子书阅读器、瘦客户端
手机：智能手机、特色手机
数字家电：机顶盒、数字电视、蓝光播放器、游戏控制台
汽车：信息娱乐、导航
企业：激光打印机、路由器、无线基站、VOIP 电话和设备
无线基础结构：Web 2.0、无线基站、交换机、服务器

R系列处理器主要针对一些对实时性要求较高的应用，如航空航天、汽车电子等场合，它具备高可靠性、高可用性、高容错能力、实时响应等优点。

M系列处理器主要针对较低端的应用，它的最初目标是替换现有的市面上的MCU。

● DSP主要针对一些计算能力要求较高的应用，如视频图像处理、智能机器人、数字无线、宽带访问、数字音频、高分辨率成像和数字电机控制等。

● MCU应用最为广泛，主要利益于它的成本控制上，使它能在许多对计算能力要求不那么高的应用立足。相信在未来几年里，MCU市场关键增长驱动力将来自于绿色能源，智能电子设备，智能电网以及电子产品的升级换代比如汽车电子。

● SOC应用也十分广泛，主要是因为现有主流ARM芯片采用的架构便是SOC架构的一种，SOC是一个比较广泛的概念，现阶段许多ARM、DSP都开始采用SOC的方式来将多个器件加到处理器上组成复杂的系统。

开发成本

● ARM主要是搭载LINUX、ANDROID、WINCE等操作系统，在开发难度上看，相对MCU、DSP较难入门，它需要开发人员对操作系统有较深的了解；从成本来看，ARM的单芯片成本较MCU要高，主要还是应用于一些较为复杂的系统上。加速产品上市，降低硬件设计门槛，像周立功公司推出了一系列的核心板产品（WWW.ZLG.CN）。

● MCU入门最容易，上手也快，开发难度较小，并且它的成本低，在低端市场应用最为广泛。

● DSP入门较容易，但单芯片成本较高，主要还是应用于对计算能力要求高的应用。当然DSP也可以搭载操作系统，搭载操作系统后可适用于多任务的应用上。

● FPGA的开发难度较大并且开发周期也相对较长，此外它的单芯片成本很高。

在项目开发的过程中，发现程序总是死在判断DMA一次传输是否完成这个标志位上。进一步回退分析，发现是在I2C读的过程中，有使用到DMA去取外部I2C设备的data。

但是data并没有读完，Data为32bits，DMA在读到18bits时，就出现读不到data bit了。导致I2C硬件模块不能进一步动作，SCK一直被拉低，没有clock输出，SDA也是如此。

下面是通过示波器抓到的波形：

在上面的波形图中，绿色的是SCK，蓝色的是SDA。

在第一幅波形图中，有2段波形，第一段连续的I2C波形，经过确认I2C硬件和DMA配合是正常的。第二段则是有一段I2C波形，然后就SCK和SDA就都被拉低了。

将第一幅图的第2段波形放大，就是第二副图看到的情况。可以很明显的看到SCK输出有被其他因素打断。I2C吐出几个clock，被其他因素打断了，clock线即SCK被拉低一段时间，然后clock线再继续吐出几个clock。

直到I2C被频繁中断，clock吐不出来为止，SCK和SDA都被拉低，此时明显的I2C和DMA的配合过程被其他因素频繁的干扰打死了。

通过示波器抓到的波形验证了这一点，然后再来分析代码和串口输出，发现是外部GPIO一直有中断输入，Cortex-M3 MCU频繁的响应中断，导致I2C&DMA操作被打挂了。

有什么办法来解决这个问题？

方法就是在I2C和DMA操作的过程开始处关闭所有中断，而在操作结束的时候重新打开中断，以免I2C&DMA操作被其他中断打断。

ARM MDK编译环境自带的编译器ARMCC，含有内置的c函数，可供操作中断用：

__enable_irq();

__disable_irq();

不过debug发现这两个函数只会在privileged mode使用。也就是说需要Cortex-M3 MCU先进入privileged mode，才能调用这两个函数。

用什么方法让MCU从user mode切换到privileged mode呢？

exception handler！

可以用SVC啦，软件可以利用SVC制造一个exception，然后在exception handler中利用MCU的privileged mode来完成自己的任务。有点类似于linux里面的系统调用。

SVC exception可以调用SVC函数，而SVC函数可以传入参数，也可以返回参数。转为系统调用而设计。

举个例子，用户程序调用read()这个系统调用，read()会引发SVC exception，进而调用SVC函数，read()函数的参数传递给SVC函数，SVC在内核态执行硬件动作，并将SVC函数的返回结果，作为read()函数的返回，返回给用户程序。当然linux里面并不一定是SVC，这里只是做个类比。

也就是说SVC可以完成从用户态到内核态的转变，不让用户直接操作硬件。用户只需要记住系统调用API的名字和函数即可，而不用管硬件的具体实现。

所以这里我们就把I2C读的操作放在一个SVC函数里面去实现，并且在SVC函数的开始处调用__disable_irq();在函数的结束处，调用__enable_irq()。

经过验证，I2C&DMA操作再也不会被中断打断了。

参考资料：