硬件仿真如何让嵌入式系统便宜可靠

越来越多的系统设计或整机制造企业意识到，要保证产品的创新或是独特性，必须要有自家独特的设计。如果是能够在核心的控制芯片或是处理芯片，采用自家专有的技术，同时还能降低对供应商的依赖或是材料成本，这将会是在市场上取得成功的重要，甚至是关键的因素。

在本文中，笔者很乐意来分享一个无人机市场上，一家方案公司自己设计开发MCU的故事，给大家一些启发。

在过去的一年中，玩具级无人机的出货增长逐渐放缓，在澄海众多玩具无人机厂商激烈的低成本竞争中，玩具无人机对于方案商的要求不断增加。玩具无人机不仅能手控各种飞行，还要增加越来越多的功能，包括拍摄高清视频、远距离无线视频传输、甚至还要配有简单的云台。最后价格还要定在1000元以下。这对于无人机的上游方案公司来说，要保持出货量，就必须不断地增加功能，同时还要降低成本。

“能够降一毛钱，对于我们的BOM成本来说都很重要。价格越低的方案，成本压力越大，因为低价格的方案往往出货量更大。”一位深圳的方案公司研发老总C先生对电子工程专辑表示。

业内人士估计，2016年玩具级无人机中国厂商的出货量在3千万至5千万台，现在主要由深圳的为数不多的方案公司在主打这个市场。由于技术不断升级更新，原本很多的方案公司，逐渐选择退出。原因一方面是研发与设计人才，不断地被无人机龙头企业挖走，培养新的人才根本很难适应。“我们来不及培养一个新人去做出有竞争力的方案，老的工程师现在根本留不住。”一家退出市场的方案公司老板苦笑着感叹说。

进入2017年以来，玩具级无人机的市场增长放缓也是很多方案公司选择退出的原因。客户少了，再增加投入的意义不大。

但在这个时候，有一家深圳的方案公司，却选择去开一颗ARM Cortex-M0的MCU。设计上，他们采用了设计外包，一个几个人的内地开发团队，几十万的流片费用，看起来是可以承受的范围内。毕竟，如果这颗芯片成功了，今后所有的方案都有机会采用自家的芯片了。“一方面可以解决市场缺货的问题，另一方面以后自己的方案要增长新的功能，就可以用自己定制化的MCU，成本降下来的同时，用起来还更省心。”C先生解释说。

也许在很多个成熟的应用市场，都已经被中国本土公司设计的芯片渗透进来。这得益于中国本土IC设计人才在过去十几年中，在与客户接触的过程中，了解到了客户的需求。同时，还在参与到外资芯片公司IC设计的项目中，积累了很多的经验。

现在很多公司的老板常说的一句就是：“不行咱们就自己开一颗。”也许在深圳的电子企业，或者是更广泛的消费类电子产品制造企业里，越来越多的公司会选择采用ARM授权的IP，来自主开发MCU，甚至更高端的芯片。

ARM公司特别推出了一个基于Cortex-M0的在线设计平台“Design Start”。除了有易用的设计工具、丰富的IP与专家社群资源，也提供低成本的原型制作与低门坎授权条件，能在使用者将创意化为实际量产成品的过程中提供充分的协助。

常用单片机系列

1.8051系列单片机

Intel公司于1980年推出8位的高性能8051单片机，在工业控制领域引起不小的轰动，并迅速确立了其不可动摇的地位。之后不久，Intel公司彻 底开放了8051单片机的技术，引来世界上很多半导体厂商加入了开发和改造8051单片机的行列中，这其中贡献最大的有Philipe公司，它着力发展了 单片机的控制功能和外围单元;Atmel公司，它在单片机内部植入了Flash ROM，使得单片机应用变得更灵活，在我国拥有大量的用户;ADI公司，它推出的AduC8 xx系列单片机，在单片机向SOC发展的模/数混合集成电路发展过程中扮演了很重要的角色;Cygnai公司，它采用一种全新的流水线设计思路，使单片机 的运算速度得到了极大的提高，在向SOC发展的过程中迈出了一大步。

目前8051系列单片机各生产厂商的主流产品有几十个系列，几百个品种。尽管其各具特色，名称各异，但作为集CPU、RAM、ROM(或EPROM)、 I/O接口、定时器/计数器、中断系统为一体的单片机，其原理大同小异。现以Intel公司的系列产品为例，说明其各系列之间的区别。

Intel公司从其生产单片机开始，发展到现在，大体上可分为3大系列： MCS-48系列、MCS-51系列、MCS-96系列。该3大系列的性能简介见表1。

表1 Intel单片机系列性能简介

这里，我们仅对MCS-51系列作一简要介绍。MCS-51系列单片机虽已有10多种产品，但可分为两大系列：MCS-51子系列与MCS-52子 系列。 MCS-51子系列中主要有8031、8051、8751 三种类型。而MCS-52子系列也有3种类型8032、8052、8752。各子系列配置见表1.2所示。

表1.2中列出了MCS-51系列单片机的两个子系列，在4个性能上略有差异。 由此可见，在本子系列内各类芯片的主要区别在于片内有无ROM或EPROM;MCS-51与MCS-52子系列间所不同的是片内程序存储器ROM从4 KB增至8 KB;片内数据存储器由128个字节增至256个字节;定时器/计数器增加了一个;中断源增加了1～2个。另外，对于制造工艺为CHMOS的单片机，由于采用 CMOS技术制造，因此具有低功耗的特点，如8051功耗约为630 mW，而80C51的功耗只有120 mW。

其它单片机

当很多公司在改造MCS-51系列单片机的同时，世界上一些有影响力的大公司也在开发自己的单片机，比如Motorola、TI、Microchip、OKI、Epson等。这些单片机的指令系统和内部结构都和MCS-51系列单片机不同，功能也各有千秋。

(1)Motorola的单片机

Motorola是世界上最早开发单片机的著名厂商，是目前全球最大的8位单片机生产商。现在已经拥有8位、16位和32位约十几个系列的单片机，这其中 8位机主要有68HC05、68HC08和68HC11等3个系列;16位机主要有HCS12、68HC12、DSP56800和68HC16等4个系 列;32位机主要有Coldfire的MC683xx、MCORE、MPC500和MCF5 xxx等系列。Motorola单片机的功能一般都很强，进入我国的时间也很早，在单片机应用领域有很高的威望，但由于其开发工具价格较高，影响了普及率。

(2)Microchip公司的PIC单片机

Microchip公司是当今世界上第二大8位单片机生产商，Microchip单片机在我国也有比较多的用户，近几年随着Microchip不断推出颇 具特色的各型单片机，Microchip已越来越受到业界的广泛关注。目前，市面上比较常见的单片机主要有以下3个系 列：PIC12C5xxx/16C5x系列，这两个系列的单片机是PIC单片机中的低端产品，其中PIC16C5x系列是最早在市场上得到发展的系列，因其价格较低，且有较完善的开发手段，因此在国内应用最为广泛;而PIC12C5xx是世界上第一个8脚低价位单片机，可用于一些对单片机体积要求较高的简 单智能控制领域，前景十分广阔。PIC12C6xx/ PIC16Cxxx系列是PIC中档产品，是Microchip近年来重点发展的系列产品，品种最为丰富，其性能比低档产品有所提高，指令周期可达到 200ns，增加了中断功能、带A/D、内部E2PROM数据存储器、双时钟工作、比较输出、捕捉输入、PWM输出、I2C和SPI接口、异步串行通信 (USART)、模拟电压比较器及LCD驱动等，其封装从8脚到68脚，可用于高、中、低档的电子产品设计中，适合于高级复杂系统的开发，其性能在中档位单片机的基础上增加了硬件乘法器，指令周期可达成160ns，它是目前世界上8位单片机中性价比最高的机种之一，可用于高、中档产品的开发，如马达控制、音调合成。

(3)TI(Texas Instruments)公司的MSP430单片机

TI公司是闻名全球的DSP制造商，但其前几年才推出的MSP430系列16位单片机同样在业界掀起不小的波澜。MSP430系列单片机最突出的特点是低电压供电和超低功耗，非常适合应用于采用电池长时间工作的场合。电压范围为1.8~3.6V;在1MHZ2.2V下，活动模式功耗为225μA，待机模式 功耗为0.8μA、掉电模式功耗为0.1μA。在这个系列中有很多个型号，它们是由一些基本功能模块按照不同的应用目标组合而成的。MSP430系列单片 机的CPU采用16位RISC精简指令系统，集成有16位寄存器和常数发生器，发挥了最高代码效率;它采用数字控制振荡器(DCO)，使得从低功耗模式到 唤醒模式的转换时间小于6μs;内部集成了A/D转换器，工业应用方便;其中MSP430x41x系列设计有一个16位定时器、一个比较器、96段LCD 液晶驱动器和48个通用I/O口。