16位MCU的市场机会

Microcontroller(微控制器)又称MCU或μC，是现代电子设备中不可或缺的核心器件之一，担负着控制、运算、信号转换及处理、通信等多项工作，人们日常生活中的大部分电器都或多或少地采用了不同架构、不同性能的MCU。

MCU按照总线位数来说，可分为4位、8位、16位、32位和64位，由于制造工艺的改进，8位MCU与4位MCU的价格相差无几，8位MCU已成低端市场的主流。针对4位MCU，大部分供货商采用按单生产，主要用于低端的电子产品上。16位MCU广泛用于手机、数码相机、汽车等中低端应用。32位MCU以基于ARM内核的产品为代表，是增长最快的市场，ST、飞利浦、夏普、NEC、瑞萨、三星等公司开发了许多基于ARM内核的MCU，主要用于各种手持设备和需要高性能的其他电子产品。而MIPS、Tensilica、ARC在32位市场中所占的份额很小，不过他们均已进入中国市场，希望借中国巨大的IC市场翻身。

MCU市场增长潜力巨大

根据WSTS市场调研公司的资料显示，MCU产品2004年的销售额达到120亿美元，出货量为70亿片，比2003年增长了27%以上，超过半导体行业18%的年平均增长率。随着微电子技术的飞速发展，MCU已成为低成本器件，其应用面更加广泛，已全面渗透到人们的日常生活中。IC Insight和WSTS公司预测，MCU市场将从2004年的120亿美元发展到2008年的160亿美元。而在MCU产品中，增长速度最快的是32位MCU产品，市场总值将从2004年的27亿美元增至2008年的67亿美元。2004年8位MCU占总出货数量的55%以上，而32位MCU约占7%。但从销售额来看，8位MCU为39%，32位MCU为30%，因此预计在未来4年32位MCU将以20%的速度增长。

MCU市场的两大驱动力是消费电子和汽车电子，特别是对中国市场来说，庞大的传统家电产业对MCU有着巨大的需求，市场增长速度较为平稳；而中国消费电子产业发展迅速，极大地拉动了对MCU的需求，从而使得数字消费类MCU在消费类MCU市场中所占比例上升较快。在2004年中国消费类MCU产品市场结构中，8位MCU仍然是市场的主力产品，销售量占据中国MCU市场51%的份额。此外，由于中国拥有巨大的小家电产业规模，从而对4位低端MCU仍然有较大的需求。而数字电视、机顶盒以及数字家庭市场的陆续启动，必然带动对16位、32位高端MCU的需求。

据Strategy Analytics的报告指出，2004年汽车电子业总市值将达到151亿美元，未来5年内汽车电子装置成本将占到汽车整车成本的50%左右，其中MCU将担任重要的角色。汽车智能化的进展促使车用MCU的数量不断提升，如8位和16位MCU主要用于仪表控制、ABS、仪表和安全气囊等方面，而随着控制精度需求的提升，16位MCU正逐步取代8位MCU成为车用MCU中增长最快的器件，32位MCU则将在发动机控制、汽车导航、音响及汽车智能等方面找到用武之地。

16位MCU不断集成创新

8位MCU的厂商众多，不但有飞利浦、ST、NEC、东芝、飞思卡尔、Microchip、Ateml、瑞萨等大厂，中国台湾地区的盛群半导体和凌阳科技近几年也异军突起，在小家电、工业控制等领域的市场份额和销售额取得了长足进步。与10年前相比，现在的8位MCU不但尺寸缩小了，功耗降低了，功能也增加了LCD驱动器、PWM控制器、高性能的模数转换器和闪存，有的还提供了I2C、SPI、CAN等新接口，提供了休眠和停机下的低功耗工作模式。

32位MCU则主要用在手机、PDA、便携式多媒体播放机、机顶盒、网络安全等产品当中，随着制造工艺的进步，32位MCU的价格也变得平易近人了，开始和16位MCU争夺中端市场。例如，飞利浦推出了ARM9核的90nm32位MCU LPC3000，该器件采用的90nm技术支持1V操作，与3V相比，可减少9倍的功耗。而ARM9系列也提供多项电源管理功能，包括可以进入低功率状态，直到出现岔断或除错请求。LPC3000包括集成的USB On-the-Go (OTG)和完整的USB Open Host Controller Interface (OHCI)主控能力等外设功能，无须外部控制器，进一步降低功率消耗和成本。LPC3000也将提供一个多阶层NAND Flash接口，让消费者能选择更高密度和低成本的闪存。LPC3000的外设包括7个UART、SPI、I2C、USB、实时时钟、NAND Flash接口及其他接口，提供一个向量浮点辅助处理器，支持单精度和双精度运算，以满足马达控制等信号处理应用的需求。

32位MCU的最大好处是可以支持大容量的存储器和提供大量的I/O接口，一方面可以容纳越来越大的程序来满足复杂的控制需求，另一方面大量的I/O引脚可以节省许多外围器件，例如深度FIFO、UART上的附加寄存器组以及数模转换器上的附加插入电路等，从而降低系统成本。

夹在8位和32位MCU之间的16位MCU似乎有些尴尬，低端市场受到性能不断增强的8位MCU的挤压，高端市场基本上是32位MCU的天下，而且32位MCU的价格不断下滑，侵占了许多16位MCU的市场份额。不过，这并不意味着16位MCU没有用武之地了，各家公司仍在不断推出新的16位MCU，以满足客户的多样化需求。

英飞凌推出的XC164S/D/N是XC16x系列中的16位MCU，包括片上A/D转换器、CAN接口、64Kb或128Kb闪存等。此外，捕捉/比较、CAN控制器和MAC等智能外设单元进一步减轻了中央处理器的负担，其总线结构允许多个芯片子系统同时运行，与目前的16位MCU相比，性能提升了一倍以上，可媲美一些32位MCU。与同类产品相比，还可节省30%的成本，降低了众多应用的系统价格。

德州仪器公司的MSP430是16位RISC Flash MCU，集成了12位DAC、16位Δ-ΣADC、运算放大器、DMA和不耗电的掉电复位电路，时钟恢复稳定时间为 1μs。MSP430的最大特色是低功耗，其端口漏电流为50nA，在数据保持模式和实时时钟模式下的工作电流为0.1μA和0.8μA，在1MIPS时的工作电流为250μA，非常适合手持设备、远程监控等对功耗要求极为严格的应用。

Microchip公司则另辟蹊径，向市场推出的产品都是混合型的。其8位MCU在输出部分是8位的，但在内部指令集部分，就有16位、14位和12位，因此能够与低端的16位MCU进行竞争。Microchip推出的16位MCU在输出部分是16位的，在内部指令集部分可以达到24位水平，完全能够集成在DSP引擎上，从而能够与低端DSP及低端32位MCU竞争。

英国Cyan Technology推出的16位MCU eCOG1采用了Harvard RISC内核，具有2个USART和2个UART接口、I2C接口、带有主/从适应器的SPI接口、ISO7816快速适应卡接口、IR/IrDA功能、16位计时器、通用计数和计时器、6通道12位ADC、存储器管理单元(MMU)、外部存储器接口(EMI)、内置温度传感器和电源监测器，提供了60个数字I/O和模拟功能，与28个专用GPIO引脚，可用于中断唤醒MCU，以节省功耗。64kb闪存包括8个带有读/写保护的独立分区，数据可安全保存100年，256B可擦写分区可反复擦写20万次，单电压支持保存、写入及擦掉闪存。

eCOG1具有14个独立的时钟分区，使得每个外设都可以在最低500Hz的时钟频率下运行，还可以在不使用的情况下关闭以节约能量，极大地降低外设的功耗。内部PLL从32kHz和5MHz的震荡输入中选择产生25MHz和100MHz的系统时钟，带有中断提醒功能的休眠模式。eCOG1的最主要特色是低功耗，在停机状态下的电流小于400nA，16kHz时的电流为10.1μA，25MHz时的消耗电流为11mA。

CyanIDE集成开发环境能够在几个小时内完成16位MCU eCOG1k和COG1m的配置任务，用户只需要一个微控制器便可以满足不同应用或特性需求。不但有模拟器、调试器和系统内部编程器，符合ANSI标准的C语言编译器还附带了编辑器、项目文件管理器，编辑器支持C语言、自动编排和括号匹配。

工作台窗口可以按照用户的需要定制，支持分开、移动、合并，甚至多个显示器。在同一个环境下都能模拟和仿真硬件，同时可以查看存储器、寄存器或变量，并且CyanIDE能够充分利用标准的Python语言。

调试器支持最多512个断点，足以调试最复杂的程序，通过指令或C声明，以及C源码和汇编浏览器，CyanIDE支持单步调试，并能通过片上电路仿真器在目标硬件上进行调试。仿真电路不需要配备插座，开发环境也不需要其他额外的硬件设备支援。

内存配置的工作也非常简单，通过内存管理系统(MMU)的配置对话框，经过鼠标简单地点选和拖放处理，就能够图形化地设置MMU。只需输入逻辑基地址和物理基地址，并从下拉框中选择段的大小，CyanIDE便会自动产生存储器管理单元所需的全部启动码。“系统支持模块”对话框允许工程师选择外围设备的时钟源和分割器。

软件可自动生成配置文件并作为用户项目的一部分，包括了所有必须用来配置选定外设的代码，通过计算输入到eCOG1中外围寄存器的值，用户就可以集中精力设计应用程序了。

CyanIDE还提供了一个独特的外设配置工具，设计师可以选定所需的外围设备，然后把它们拖曳到eCOG1k或者COG1m的影像上，只需在选定的外围设置上用鼠标右击，便能轻松地显示及设定其特性。如果配置发生了错误或者冲突时，用户将会接到警示信号。启动配置码也会自动产生，而且经过改进的调试器支持通过键盘输入的数据观察与检测，还能够在活动程序中修改指定地址处的参数和数据。在程序完成过程中，如果各种数值发生了变化，调试器将会把它们明显地标示出来。

以上几个产品只是各厂商推出的16位MCU当中的一部分，以后的产品还将具有更大的RAM和闪存、更高的处理能力和更多的外设。

16位MCU的未来市场

从销售量来看，8位MCU市场仍将继续增长，并占有最大的比重，但由于竞争的压力导致价格不断下滑，8位MCU的销售总额基本保持平稳甚至有所萎缩。

32位MCU是增长最快，也是利润最为丰厚的市场，连传统的8位MCU厂商Atmel也挤了进来，发布了基于ARM内核的AT91处理器，在32位领域小试牛刀。

16位MCU仍然固守着许多传统市场，一部分应用产品(如PC、办公设备及通信)会升格成32位，向SoC方向发展。然而在汽车、工业及数码AV等领域中，16位MCU的市场比重将会持续扩大。

特别是在汽车电子产品中，8位和16位MCU是汽车电子领域的主流产品。由于汽车系统是分布式架构，所以对32位MCU的需求并不像消费电子产品那样强烈。另外，汽车电子领域对成本非常敏感，虽然4位MCU在淡出，但8位和16位MCU会因其独特的成本优势占据车身控制和传感器应用领域。

8位和16位MCU的高可靠性已经在长期的使用和实践中得到验证，还有大量已经得到验证的代码。处于对安全的考虑，汽车厂商对32位MCU接受起来还是要反复测试、循序渐进的。毕竟，在高速行驶的汽车中MCU死机或重启，其后果是谁都无法预料的。

就像8位MCU那样，16位MCU也要不断提高时钟频率、加大RAM和闪存、增加更多的外设和改进封装，还需要用更先进的设计和工艺来实现低电压、低功耗和低成本，再辅以灵活低成本的开发工具，在8位与32位MCU之间的市场空白中，16位MCU仍然大有作为。

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FPGA、CPLD和结构化ASIC为用户提供更多选择

几乎无所不能的FPGA

随着成本、功耗和容量的不断改善，FPGA和CPLD已经广泛渗透到消费电子和汽车电子应用市场，其市场份额几乎已与通信市场二分天下。但通信和工业领域仍是FPGA两块最大的终端用户市场，Cisco、华为、西门子等公司的交换机、无线基站等设备大量采用了FPGA进行设计。利用FPGA的可编程特性，甚至可以在设计完成以后对系统进行升级，以适应新的标准或提供更多的功能。

FPGA和CPLD为工业产品提供丰富功能

在工业市场上，Rigol公司用Cyclone II和Stratix II开发了DS1102C数字示波器，可执行大量的数学运算和高速信号处理；UniTest公司将Stratix II用于UNI460和UNI560 SDRAM测试平台，可以快速地进行模式生成；NI公司用MAX II设计CompactRIO模块，减小了产品体积和功耗；Host Engineering公司在PLC以太网控制器上采用了Cyclone和Nios II，可以连接PLC背板和外设。

所有这些市场都有一个共同的特点：小批量、多品种、灵活性、多功能、要求产品快速上市，而这正是FPGA最擅长的工作。

FPGA饱受功率问题困扰

与ASIC相比，FPGA的弱点在于性能慢、密度低、功耗大，目前性能和密度问题已基本解决，功耗问题成为芯片供应商面临的最大挑战，尤其是进入深亚微米节点后，漏电流的增加会导致静态功耗上升。FPGA的布线电容是ASIC的10到100倍，并具有更大的线迹和大量的晶体管，这些晶体管虽然不会在电路工作中使用，但是却仍然产生泄漏功率。与此同时，OEM对降低功耗、延长电池的使用时间与降低成本和体积等方面的需求还会攀升。iSuppli曾预计，如果能解决功耗问题，未来FPGA至少能夺走30亿美元的ASIC市场份额。

在Altera公司的Quartus工具中，就可以对嵌入式RAM模块的功率进行监控映射，能够将时钟周期内处于活动状态的RAM数目最小化。该方案可以将存储器的动态功率降低21%，将总动态功率降低7%，而性能和逻辑方面的牺牲仅为1%。

QuickLogic公司开发出了反熔丝型的Polar Pro系列FPGA，其待机时电流不足10μA，具有超低功率、耗电量非常小的待机模式。这种模式通过将内部逻辑内核与外部I/O焊点分开等措施，降低了耗电量。在待机模式下，也能维持I/O电路状态和内部寄存器的值，可在数微秒内从待机模式恢复正常。

Actel则在ProASIC3 Flash FPGA的基础上，推出了低功耗的IGLOO系列FPGA。IGLOO系列FPGA采用了多种功率优化技术和130nm工艺，使静态功耗降至5μW，支持1.2V电压，具有多种功率模式以优化功耗，包括Flash*Freeze模式、低功耗工作模式和睡眠模式。

降低FPGA功耗的比赛才刚刚开始，尽管目前看来FPGA还没有办法将功耗降低到ASIC的功耗等级，但并不说明没有解决办法，在市场的推动下，各个公司会投入大量资源开发低功耗技术，会使FPGA的功耗越来越接近ASIC。

竞相采用65nm工艺

FPGA厂商总是先进制造工艺的尝鲜者。Xilinx公司已经正式推出采用65nm工艺制造的新一代FPGA产品Virtex-5系列。Virtex-5系列有三个主要特点：65nm三极栅氧化层技术、新型ExpressFabric技术和ASMBL架构。与上一代90nm产品Virtex-4相比，Virtex-5 FPGA的速度平均提高30%，容量增加65%，同时动态功耗降低35%，静态功耗保持相同的低水平，使用面积减小45%。Virtex-5采用了具有六个独立输入的查找表(LUT)和新型对角互连结构，减少了逻辑层次，改进了构造块之间的信号互连，使逻辑性能比上一代Virtex-4平均提高30%。

另一大FPGA厂商Altera迟迟未发布65nm的产品，它希望在成品率提高到90%以上再正式发布。业界推测Altera将在2006年底推出65nm的Stratix III系列，将采用增强版自适应逻辑模块(ALM)。ALM是几年前Altera推出Stratix II FPGA的时候引入的逻辑结构，允许设计者实现两个大小相同或不同的LUT组合，是Stratix II和III灵活性的关键所在。ALM允许设计者将多个LUT配置在单个ALM中，经验表明，80%的场合下，两个LUT可能配置在单一ALM中。40%的场合下，两个4输入LUT可能配置在单一ALM中，24%的场合下，两个5输入LUT可能配置在单一ALM中，因此这种逻辑结构具有非常好的适用性和灵活性，在很多设计中可以节约大量的逻辑资源。除了逻辑灵活性外，Altera的65nm Stratix III产品线中使用的增强版ALM集成了软件配置功能，允许客户在性能和功耗间进行平衡，让每个逻辑单元可根据设计需求调节功耗。客户可以通过调节时钟速度，获得不同的功耗水平，当客户对时钟速度要求不太高的时候，可以获得非常低的功耗。在相同时钟工作频率下，Stratix III的总体功耗可降低到Stratix II的一半，如工作时钟频率相对降低30%，则其整体功耗更可降低70%。

由于FPGA是一种通用逻辑器件，采用更先进的工艺来提高性能、降低成本和功耗是其不二法门。在完成向65nm工艺转型后，Altera和Xilinx还会将缩小线宽的竞赛延伸到45nm和32nm，但前提是能够解决漏电流和功耗的问题。

消费电子成FPGA竞争热点

消费电子产品具有种类繁多，产品生命周期短，更新速度快的特点，并且对功耗和成本有严格的要求。随着价格的下降，FPGA在许多市场上已经能和ASIC分庭抗礼，并且在中批量的情况下，采用FPGA比ASIC更具有成本优势。

以Altera公司为例，目前消费电子应用占Altera公司总体收入的16%，而且还在以20%的速度增长，这得益于低成本的Cyclone系列FPGA，已经有非常多的成功案例。Leapfrog公司的Leapster L-MAX游戏机采用了MAX II CPLD，实现了很好的视频处理性能和低功耗；Roku Labs公司的网络音乐播放器利用MAX II桥接无线通信模块和DSP；Loewe公司的大屏幕液晶电视采用Cyclone II实现低成本的图像增强功能；Humax的个人视频录像机使用Cyclone实现灵活的接口，并大大减少了产品上市时间。对于中高端产品，为了性能的需求，客户也可以采用结构化ASIC，数字电视和DLP电视已经有应用HardCopy的成功实例。

FPGA和CPLD加速消费电子产品的上市

Xilinx也在利用低成本的Spartan-3加紧向消费电子市场的渗透，加大向机顶盒、DVD播放器、HDTV、汽车应用等领域的推广，并推出了专门的显示系统参考设计。QuickLogic公司和Actel公司也不约而同地瞄准了消费电子市场，他们推出的Polar Pro系列和IGLOO系列FPGA具有很低的功耗，将用于智能手机、无线PDA等便携式产品当中。

结构化ASIC成败未定

由于FPGA是通过查找表来建立硬件逻辑的，因此存在大量的逻辑冗余，有许多逻辑资源未被利用。转化为结构化ASIC，就可以省去这些没有用到的晶体管和布线，从而缩小芯片尺寸，降低功耗和成本。例如，某项应用需要24mm×24mm的EP2S180或18mm×18mm的EP2S90，转换成同样功能的HardCopy结构化ASIC HC230、HC2201和HC210后，硅片尺寸缩小到10mm×10mm、8mm×8mm、6.5mm×6.5mm，节省的成本和功耗将非常可观。

Altera公司在结构化ASIC市场上的占有率超过50%，同时拥有FPGA和名为HardCopy的结构化ASIC产品，客户只要把FPGA设计好，网表和时序的约束定义好，Altera可以在16周左右的时间之内完成从FPGA到HardCopy的移植并提供工程样片。FPGA与HardCopy的设计是在同一个软件平台上实现的，并且结构化ASIC保持与原型FPGA的引脚兼容性，这样即便结构化ASIC在应用时出现任何问题包括供货，也不会影响系统制造商的正常交货计划。

TI、飞利浦、LG、摩托罗拉和NEC等国际知名厂商都已经成功在其产品设计中采用了HardCopy方案。在中国市场上，3G TDS-CDMA无线基站、数字电视传输设备、网络安全设备等都会是结构化ASIC的用武之地。但与300亿美元的ASIC市场相比，结构化ASIC的销售额还不到5亿美元，前景尚未可知。

ASIC、CPLD、FPGA、结构化ASIC，各个产品都在不断发展，用户在选择时的确要费心思量，但有一点是不变的，那就是在性能、成本、功耗、产品上市时间中取得平衡。在需要产品快速上市和小批量的市场，FPGA无疑将是赢家，如果能不断降低成本和功耗，FPGA在消费电子、汽车电子、通信、广播、工业等市场的应用将更加广泛。

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工控市场的差异化竞争

工控设备是实现嵌入式系统和生产自动化的基础产品，也是军工、航天、交通运输等行业必需的产品。中国的大规模基础建设和经济的快速发展，为工控行业提供了发展良机。

来自中国台湾地区的研华、凌华、研杨、大众、磐仪等厂商借助在PC配件制造上的传统优势，顺利地进入了嵌入式工控市场，国内的研祥、集智达等厂商也不断推出新品，积极开拓新的应用和市场。

嵌入式工控市场的需求差异非常大，设备制造商常常要根据需求的特点，对各项功能进行精心设计，提供定制化设计服务，最好能做到“增一分则肥减一分则瘦”，除了提供所需的通信接口、显示接口、处理性能和外设之外，不提供其他多余的功能。

但在用户的设计阶段，除了需要高度整合的产品，也需要易于维护和升级的技术，这样才能在变化多端的市场中拥有竞争优势。因此灵活性也是嵌入式产品的关键因素。模块化架构可以让系统整合商设计符合潮流的产品，定制则可让系统整合商居于竞争的领先地位。

基于这个特点，各厂商纷纷在各自熟悉的市场内深耕细作，寻求差异化经营。

作为老牌的嵌入式板卡制造商，研华有MIC-3321C 3U CompactPCI高性能控制器、MIC-3001CR/14 4U 19英寸上架式 CompactPCI机箱、MIC-3321 3U CompactPCI高性能控制器，还有IPPC-9171坚固型工业平板电脑。研华最新推出的ARK可堆叠PC/104嵌入式系统具有很高的抗振性，可以抵御恶劣的温度，此外还提供可堆叠和模块扩展功能，是交通、军用、航空和通信应用的理想选择。尺寸仅为164mm×130mm×49.2mm，适合空间狭小的应用。另外，ARK系列采用了铸铝外壳、散热鳍等来协助散热，利用系统内的导热管来实现在-40～85℃工作温度下无风扇的非主动散热方案。

磐仪科技紧随Intel的步伐，推出基于Intel Core Duo/Core2 Duo COM Express架构的CPU模块EmETXe-i9455，采用Intel 915GM和945GM芯片组，可支持PCI Express扩充接口和Pentium M/Celeron M、Core Duo /Core 2 Duo处理器。EmETXe-i9455具备标准模块、可更换插槽式处理器、支持BGA型式处理器，1个DDRⅡ SDRAM SO-DIMM插槽可支持2GB的系统内存。

其他厂商也提供了许多采用Celerom、Pentium 4、Pentium D等处理器的产品，预计也将紧跟Intel，陆续推出支持Core处理器的工业主板。研祥等厂商还为客户提供了PXI机箱、平板电脑等产品。

凌华科技的产品线更为丰富，不但有大量的嵌入式主板，还有数据采集卡、机箱、系统控制器、IEEE488 GPIB接口卡、运动控制卡、图像采集卡、通信卡、CAN总线接口卡、以太网接口模块、SCSI模块、高速数字化仪、多功能卡、模拟量输入/输出卡、数字输入/输出卡，还有PCI到PCI延伸系统、端子板、电缆附件、软件工具等独特的产品，可以让用户组建功能更为强大完备的嵌入式系统。

此外，凌华还有很多针对行业应用定制的产品，如针对军工、航天、铁道交通等对环境有严格要求的应用推出了PCI Express规格的3U CompactPCI高性能刀片处理单板cPCI-3915，搭载低功耗的Intel Pentium M处理器和Intel 915 GME高速芯片组，再搭配高传输速率的DDR2 400/533内存，实现高可靠性的无风扇设计。cPCI-3915提供单槽与双槽两种选择，提供USB 2.0、以太网接口、PS2键盘/鼠标插孔、COM插槽、VGA插槽、IDE接口、Serial ATA接口和CompactFlash插槽。凌华还为cPCI-3915提供了VxWorks和Linux驱动开发包，可让用户开发在实时操作系统下运行的应用程序。8槽PXI仪器级机箱PXIS-2680P是为便携式仪器应用而设计的，可接3U PXI和CompactPCI模块，兼容PICMG 2.0 CompactPCI R 3.0规范；提供PXI触发总线，10MHz参考时钟，星形触发和PXI局域总线；带有15英寸LCD显示器；双热插拔300W ATX冗余电源可缩短系统维修的时间，同时提供电源状态警示系统；工作温度为0～50℃，具有优异的抗冲击和振动的性能，适合应用在机动性高、轻便坚固的量测系统中，如电力工业、电子量测、军事或电信等方面。

为方便用户使用MATLAB开发的算法，凌华的DAQ-MTLB for MATLAB数据采集工具箱可在MATLAB中直接存取动态的数据，提供完全硬件触发能力。

凌华还提供许多软件来简化用户的工作，DAQ-BOY提供了图形化的数据采集驱动程序，能够自动生成代码；DAQBench是32位的用于测量与SCADA/HMI的Active X控件；DAQ-LVIEW PnP for LabVIEW是数据采集VI套件，可直接替换NI-DAQ VI；DAQCreator可让用户不需要任何编程就可完成数据的采集和显示，进行高速数据记录、实时FFT和频谱显示，支持多片采集卡同步采集。

这些嵌入式系统和工控产品生产商不但为石油、电力、通信、金融、交通等行业提供了强有力的装备，也为中国的众多电子工程师提供了门类齐全、功能丰富的产品以供选择。这些厂商大多把制造部门设在长江三角洲和珠江三角洲，以贴近国内的广大用户，并不断细分市场，寻求差异化的竞争优势。

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在嵌入式系统中用FPGA进行开发的几个发展方向

顾名思义，嵌入式系统指的是嵌入到系统内部的计算机系统，是面向特定应用设计的专用计算机系统。早期的嵌入式系统一般是以通用处理器或单片机为核心，在外围电路中加入存储器、功率驱动器、通信接口、显示接口、人机输入接口等外围接口，再加上应用软件，有些还加上了嵌入式操作系统，从而构成完整的系统。

随着微电子技术的进步，SoC已经在很多应用中取代了传统的以单片机为中心的架构，将很多外设和存储器集成在一个芯片中，使系统的功耗和体积越来越小，而功能却越来越强。

FPGA在嵌入式系统中的应用前景

现在的MCU和DSP的功能已经非常强了，但处理能力毕竟还是有限的，厂商在推出一款器件的时候，其性能就已经固定了。当某一款产品的性能无法满足要求时，就必须选用新的处理器，常常意味着重新进行PCB的设计，重新进行各项软硬件的验证测试，所导致的工程资源的浪费是非常惊人的。

FPGA是通过逻辑组合来实现各种功能的器件，几乎可以进行任何类型的处理；对于常用的数字信号处理，有些FPGA专门还提供了DSP模块来实现加速；FPGA的并行处理架构非常适合图像处理、数字信号处理等运算密集的应用；用某款芯片无法满足要求时，还可以通过使用同样封装且容量更大的FPGA芯片来提供更高的处理能力，这样就可以保持管脚的兼容性，从而无须对PCB板进行修改；FPGA的可编程性使设计工程师可以随时对设计进行修改，即使在产品部署后也能对设计错误进行更正；FPGA不但可以完成MCU和DSP的各种功能，还可以根据需要生成新的功能，或者调配各项功能之间的资源配比，使同一个硬件电路设计可以满足不同的应用需求；FPGA还可以利用现成的处理器内核，直接生成软处理器，并在其上运行操作系统。

由于FPGA是通过逻辑组合来实现功能的，所以其功耗和成本一般高于MCU和DSP。在几年前，FPGA给人的印象一直是高高在上的价格，除了通信、航天、军工、工业等少数行业，FPGA更多地是在扮演原型验证开发的角色，在消费类电子等更广大的市场中迟迟未打开局面。

随着Xilinx和Altera竞相采用新的制造工艺，其单位门电路的价格下降得比ASIC还要快，价格在很多应用中已不再是障碍了。特别是在一些需要特定功能的应用中，设计师在市场上找不到可以满足要求的器件，他们就必须自己开发ASIC芯片，或者用FPGA进行设计。但开发ASIC的成本和风险在不断提高，甚至超过了未来的收益，用FPGA就成了一个非常实际的选择。

开发流程的演进

传统嵌入式系统的开发流程是一般先做好硬件平台，再在硬件平台上面应用嵌入式系统开发工具进行软件开发。这样做的结果是软件开发人员必须在硬件设计完成后才能工作，或者是用各种仿真工具在虚拟的硬件平台上进行开发。

在用FPGA进行开发时，开发人员首先要设计输入(FPGA厂商专用工具+语言/原理图+IP CORE)，然后编译仿真(FPGA厂商工具+仿真工具)，再进行板级调试(测试板制作+逻辑分析仪)，如果发现问题，再循环进行上面的环节。

这种设计模式存在诸多问题：设计可移植性差，语言的不足及IP CORE的费用昂贵，系统仿真的可靠性及速度瓶颈，需要制作专用测试板，外接测试仪器的局限性，测试板的重复制作导致开发周期延长。

此外，从原理图设计、逻辑验证和仿真、电路板设计、嵌入式软件的开发和调试，到最后的综合调试，在整个过程中要用到多个厂商的不同工具，不但需要开发人员掌握各个软件的使用方法和技巧，仅仅从资本投入上就是一笔不小的开支。而且，各个软件之间还经常要互相调用文件，尽管各个厂商都宣称自己的软件可保证兼容性，但软件日益复杂的功能和不断增长的代码让人难以对兼容性完全放心。

有没有一个能完成整个FPGA嵌入式系统设计的一体化开发环境呢？有，这就是Altium Designer6.0，该软件的前身就是被电子工程师所广为熟知的Protel，直到现在，还有大量的工程师在用Protel进行PCB板设计。Altium Designer由三部分组成：Foundation是电子产品设计前端，包含了原理图输入、电路仿真和验证、PCB及CAM文档资料浏览功能；Board Implementation可实现传统板级电路设计、验证及CAM文档编辑功能；Embedded Intelligence Implementation是基于大规模可编程逻辑器件(FPGA/CPLD)的数字电路设计、片上可编程嵌入式系统软件开发和数字电路实时验证功能。

Altium Designer拓宽了板级设计的传统界限，将FPGA与PCB设计集成在一起，同时支持原理图输入和HDL硬件描述输入模式；同时支持基于VHDL的设计仿真，混合信号电路仿真、布局前/后信号完整性分析。PCB版图设计中的布局布线采用完全规则驱动模式，并且在PCB布线中采用了无网格的Situs拓扑逻辑自动布线功能；同时，将完整的CAM输出功能的编辑结合在一起。

Altium Designer支持PCB与FPGA引脚的双向同步，提供完善的混合信号仿真、布线前后的信号完整性分析功能，提供了对高密度封装(如BGA)的交互布线功能。
在原理图部分，Altium Designer新增的特性包括：文件管理功能，多层次、多通道的原理设计，可自动标注元器件，FPGA引脚配置导入，原理图环境中的PCB规则定义，丰富的集成库，改善的编辑、查询和可视化。

FPGA引脚配置导入功能允许管脚约束文件，管脚定义可以直接来源于FPGA器件商的引脚约束文件，同时提供对引脚名称和电气类型定义的支持；不再强调必须在Altium Designer环境下完成包括FPGA内部逻辑电路设计在内的一体化系统设计。

在PCB部分提供了完整的由规则驱动的PCB设计环境；支持高速设计，具有成熟的布线后信号完整性分析工具；支持差分对布线；支持BGA封装器件的逃溢式扇出功能；支持汉字输入；支持任意可配置引脚定义器件的网络优化功能；Orcad、PADS、AutoCAD和其他软件的文件导入和导出功能；完整的ODB++/Gerber CAM-系统使得用户可以重新设计原有的设计，弥补设计和制造之间的差异。PCB部分还支持布局优化、布线功能优化、PCB板的3D显示、FPGA的全面协同、CAM输出。

Altium Desigenr内嵌的仿真软件兼容XSPICE/PSPICE电路仿真模型，它能将仿真结果以波形的方式显示，可进行混合电路仿真和仿真波形显示，支持多种仿真模型。在信号完整性分析部分，提供了消除反射和串扰分析功能，

在Altium Designer中，用户可以用图形化的方式来完成整个设计流程，系统自动调用FPGA厂商提供的工具进行布局布线，设计环境中的集中过程控制和监测功能使得信息能够得到及时反馈从而实现交互式设计与调试。

使用“虚拟仪器”元件，工程师可以在原理图级将“虚拟仪器”连入设计；FPGA编程后，可以从外部控制；可以实时观察FPGA发生的情况；调试时使用JTAG 边界扫描检验FPGA的信号；用Nexus协议和虚拟仪器进行通信并对设计进行调试。

Altium Designer还提供了大量通用的预验证的IP Core，支持通用IP Core 的设计，并且支持第三方提供的IP Core 。通过与Nanoboard NB1系统验证板的结合，可进行实时设计，从而实现独立于目标器件的FPGA设计。

Altium公司的这种设计方法，将硬件、软件和可编程硬件等领域均被统一在单一的开发系统内，可以完全控制和同步从概念构想到完成实施的整个设计流程。

这种一体化开发流程的缺点是，尽管非常方便易用，但软件的各个部分在性能和功能上无法全部做到领先，在验证、功能设计、PCB设计等方面要弱于一些专业性的或FPGA厂商自己的软件，在需要针对器件进行非常细致的优化以取得最佳性能时，Altium Designer就未必是最佳选择了。

定位不同的硬件开发板

同软件定位不同一样，目前众多的硬件开发电路板的市场定位也是不同的。主流的FPGA厂商均推出了自己的开发板，为了市场推广和销售的需要，他们也和一些大的经销商合作推出开发板，更容易利用经销商在价格和渠道上的优势。

Xilinx公司的主要经销商安富利公司开发了很多FPGA开发板，在功能上更加丰富，在定价和促销上也更灵活。如，安富利推出的Virtex-4 FX PCI Express开发工具套件和Virtex-5 LX开发工具套件。

找到精确满足开发人员需求的FPGA开发基板是非常困难的，在基板上添加子板是一个不错的方法。安富利推出的EXP扩展标准使设计人员在原型设计时候可以通过子卡添加多种功能，满足FPGA开发板的不同要求，免费提供给设计工程师用于定制基本板和扩展模块。使用EXP模块的好处是成本低、灵活性高、易于制作原型。在结构上，半长EXP模块可提供84个用户I/O、32个单端信号、22个差分信号、单端时钟输入和输出、差分时钟输入和输出，单端和差分信号的最高频率分别是200MHz和700MHz。

安富利提供的EXP模块包括：视频预处理模块、高速ADC模块、高速DAC模块、ADI公司的EXP适配器模块。有全长(126mm×80mm)和半长(108mm×80mm)两种尺寸，采用Samtec公司高性能的QTE/QSE连接器。

视频预处理模块的输入兼容DVI、VGA、S-Video，输出支持DVI、VGA、LCD，具有图像传感器、音频输入和输出。高速ADC EXP模块采用TI的12位、50MS/s ADC，带有14位的LVDS接口，用两块卡可以支持双通道。高速DAC模块采用TI的双通道、16位分辨率、采样率为1GS/s、带16位LVDS接口的DAC。还有支持ADI公司器件的EXP适配器模块，可以很方便地连接到90多种ADC评估板上，支持LVDS和并行接口评估板，可连到Virtex-4、Virtex-5和Spartan-DSP基板上。

Altium公司的NanoBoard开发板支持的范围更广，包括Xilinx、Altera、Actel等公司的众多FPGA型号，与FPGA组成了可重新配置的系统设计验证平台；NanoBoard通过打印电缆接口与用户PC进行通信，支持硬件设计的下载和实现Live设计验证功能。NanoBoard还支持可插拔的FPGA子板，可以通过更换子板来调试不同的FPGA。

NanoBoard的板上资源包括：CAN总线接口、串行口、VGA接口、显示链输入输出、外部存储器、I2C接口、连接用户开发板接口、连接FPGA子板的插座、系统时钟、JTAG接口、PS2键盘和鼠标鼠标接口、多用户I/O接口。用户在一块板子上就可以完成整个系统的开发和验证，通过更换子卡，可以试用各厂商的不同器件，找到性价比最佳的器件，而不必重复购买开发板。

随着FPGA的制造工艺向65nm、45nm和更先进的工艺发展，FPGA的器件成本会越来越低。为了取得差异化的竞争优势，系统厂商必须开发出独特的产品功能，但采用ASSP和ASIC都只能提供固定的有限功能，而开发ASIC的巨大成本和风险又使得ASIC只能成为少数大公司的选择。成本不断下降的FPGA已经成为大多数系统厂商的不二之选，但在传统设计流程中软硬件的不同步、需要交叉使用多个软件、硬件开发板的支持范围有限，可能成为阻碍更多采用FPGA的问题。Altium公司的Altium Designer是业界首个提供了一体化设计环境的开发工具，如果有更多的厂商参与开发类似的软件工具，并不断提高易用性和性能，才能真正将这种设计理念推广到更广的应用领域。

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系统分类: 嵌入式   |    用户分类: 无分类    |    来源: 无分类

嵌入式人才的发展方向

嵌入式系统无疑是当前最热门最有发展前途的IT应用领域之一。嵌入式系统用在一些特定专用设备上，通常这些设备的硬件资源（如处理器、存储器等）非常有限，并且对成本很敏感，有时对实时响应要求很高等。特别是随着消费家电的智能化，嵌入式更显重要。像我们平常常见到的手机、PDA、电子字典、可视电话、VCD/DVD/MP3 Player、数字相机（DC）、数字摄像机(DV)、U-Disk、机顶盒(Set Top Box)、高清电视(HDTV)、游戏机、智能玩具、交换机、路由器、数控设备或仪表、汽车电子、家电控制系统、医疗仪器、航天航空设备等等都是典型的嵌入式系统。
嵌入式系统是软硬结合的东西，搞嵌入式开发的人有两类。
一类是学电子工程、通信工程等偏硬件专业出身的人，他们主要是搞硬件设计，有时要开发一些与硬件关系最密切的最底层软件，如BootLoader、Board Support Package(像PC的BIOS一样，往下驱动硬件，往上支持操作系统），最初级的硬件驱动程序等。他们的优势是对硬件原理非常清楚，不足是他们更擅长定义各种硬件接口，但对复杂软件系统往往力不从心（例如嵌入式操作系统原理和复杂应用软件等）。
另一类是学软件、计算机专业出身的人，主要从事嵌入式操作系统和应用软件的开发。如果我们学软件的人对硬件原理和接口有较好的掌握，我们完全也可写BSP和硬件驱动程序。嵌入式硬件设计完后，各种功能就全靠软件来实现了，嵌入式设备的增值很大程度上取决于嵌入式软件，这占了嵌入式系统的最主要工作（目前有很多公司将硬件设计包给了专门的硬件公司，稍复杂的硬件都交给台湾或国外公司设计，国内的硬件设计力量很弱，很多嵌入式公司自己只负责开发软件，因为公司都知道，嵌入式产品的差异很大程度在软件上，在软件方面是最有“花头“可做的），所以我们搞软件的人完全不用担心我们在嵌入式市场上的用武之地，越是智能设备越是复杂系统，软件越起关键作用，而且这是目前的趋势。
从事嵌入式软件开发的好处是：
（1）
目前国内外这方面的人都很稀缺。一方面，是因为这一领域入门门槛较高，不仅要懂较底层软件（例如操作系统级、驱动程序级软件），对软件专业水平要求较高（嵌入式系统对软件设计的时间和空间效率要求较高），而且必须懂得硬件的工作原理，所以非专业IT人员很难切入这一领域；另一方面，是因为这一领域较新，目前发展太快，很多软硬件技术出现时间不长或正在出现（如ARM处理器、嵌入式操作系统、MPEG技术、无线通信协议等），掌握这些新技术的人当然很找。嵌入式人才稀缺，身价自然就高，越有经验价格就越高。其实嵌入式人才稀少,根本原因可能是大多数人无条件接触,这需要相应的嵌入式开发板和软件,另外需要有经验的人进行指导开发流程。
（2）
与企业计算等应用软件不同，嵌入式领域人才的工作强度通常低一些（但收入不低）。搞企业应用软件的IT企业，这个用户的系统搞完了，又得去搞下一个用户的，而且每个用户的需求和完成时间都得按客户要求改变，往往疲于奔命，重复劳动。相比而言，搞嵌入式系统的公司，都有自己的产品计划，按自己的节奏行事。所开发的产品通常是通用的，不会因客户的不同而修改。一个产品型号开发完了，往往有较长一段空闲时间（或只是对软件进行一些小修补），有时间进行充电和休整。另外，从事嵌入式软件的每个人工作范围相对狭窄，所涉及的专业技术范围就是那些（ARM、RTOS、MPEG、802.11等），时间长了这些东西会越搞越有经验，卖卖老本，几句指导也够让那些初入道者琢磨半年的。若搞应用软件，可能下一个客户要换成一个完全不同的软件开发平台，那就苦了。
（3）
哪天若想创业，搞自已的产品，那么嵌入式是一个不错的主意，这可不像应用软件那样容易被盗版。土木学院有一个叫启明星的公司开发出一个好象叫“工程e”的掌上PDA（南校区门口有广告），施工技术人员用该PDA可当场进行土木概预算和其它土木计算，据说销路特好。我认识的某大学老师，他开发的饭馆用的点菜PDA（WinCE平台，可无线连网和上网），据他说销路不错，饭馆点点PDA让客户点菜，多显派头档次。我记得00级2+2班当年有一组同学在学Windows程序设计课程时用VC++设计了一个功能很强的点菜系统做为课程项目，当时真想建议他们将这个软件做成PDA，估计会有些销路（上海火车站南广场的Macdonald便使用很漂亮的PDA给用户点食品，像摸像样的）。这些PDA的硬件设计一般都是请其它公司给订做（这叫“贴牌”：OEM），都是通用的硬件，我们只管设计软件就变成自己的产品了。
从事嵌入式软件开发的缺点是：
（1）
入门起点较高，所用到的技术往往都有一定难度，若软硬件基础不好，特别是操作系统级软件功底不深，则可能不适于此行。
（2）
这方面的企业数量要远少于企业计算类企业。特别是从事嵌入式的小企业数量较多（小企业要搞自己的产品创业），知名大公司较少（搞嵌入式的大公司主要有Intel、Motorola、TI、Philip、Samsung、Sony、Futjtum、Bell-Alcatel、意法半导体、Microtek、研华、华为、中兴通信、上广电等制造类企业）。这些企业的习惯思维方式是到电子、通信等偏硬专业找人。由于我院以前毕业生以企业计算为主，所以我院与这些企业联系相对较少。我院正积极努力，目前已与其中部分公司建立了联系，争取今后能有我院同学到这些企业中实习或就业。
（3）有少数公司经常要硕士以上的人搞嵌入式，主要是基于嵌入式的难度。但大多数公司也并无此要求，只要有经验即可。
我院同学若学习嵌入式，显然应偏重于嵌入式软件，特别是嵌入式操作系统方面，应是我们的强项。对于搞嵌入式软件的人，最重要的是：
（1） 掌握主流嵌入式微处理器的结构与原理
（2） 必须掌握一个嵌入式操作系统
（3） 必须熟悉嵌入式软件开发流程并至少做过一个嵌入式软件项目。
嵌入式软件方面最重要的课程包括：
（1）
嵌入式微处理器结构与应用：这是一门嵌入式硬件基础课程，我院用这门课取代了传统的“微机原理与接口”课程（目前国内已有少部分高校IT专业这样做了，因为讲x86微机原理与接口很难找到实际用处，只为教学而已）。我们说过，嵌入式是软硬件结合的技术，搞嵌入式软件的人应对ARM处理器工作原理和接口技术有充分了解，包括ARM的汇编指令系统。若不了解处理器原理，怎么能控制硬件工作，怎么能写出节省内存又运行高速的最优代码（嵌入式软件设计特别讲究时空效率），怎么能写出驱动程序（驱动程序都是与硬件打交道的）？很多公司招聘嵌入式软件人员时都要求熟悉ARM处理器，将来若同学到公司中从事嵌入式软件开发，公司都会给你一本该设备的硬件规格说明书
(xxx
Specification)，您必须能看懂其中的内存分布和端口使用等最基本的说明（就像x86汇编一样），否则怎么设计软件。有些同学觉得嵌入式处理器课程较枯燥，这主要是硬件课程都较抽象的原因，等我们的嵌入式实验室10月份建好后，您做了一些实验后就会觉得看得见摸得着。还有同学对ARM汇编不感兴趣，以为嵌入式开发用C语言就足够了。其实不应仅是将汇编语言当成一个程序设计语言，学汇编主要是为了掌握处理器工作原理的。一个不熟悉汇编语言的人，怎么能在该处理器写出最优的C语言代码。在嵌入式开发的一些关键部分，有时还必须写汇编，如Bootloader等（可能还包括BSP）。特别是在对速度有极高要求的场合（如DSP处理器的高速图像采集和图像解压缩），目前主要还要靠汇编写程序（我看到过很多公司是这样做的）。当您在一个嵌入式公司工作时，在查看描述原理的手册时，可能很多都是用汇编描述的（我就遇到过），这是因为很多硬件设计人员只会写或者喜欢用汇编描述，此时您就必须看懂汇编程序，否则软硬件人员可能就无法交流。很多嵌入式职位招聘时都要求熟悉汇编。
(2) 嵌入式操作系统类课程
除了WinCE的实时性稍差外，大多数嵌入式操作系统的实时性都很强,所以也可称为实时操作系统Real Time
Operating
System.从事嵌入式的人至少须掌握一个嵌入式操作系统(当然掌握两个更好),这在嵌入式的所有技术中是最为关键的了。目前最重要的RTOS主要包括：
第一类、传统的经典RTOS：最主要的便是Vxworks操作系统，以及其Tornado开发平台。Vxworks因出现稍早，实时性很强（据说可在1ms内响应外部事件请求），并且内核可极微（据说最小可8K），可靠性较高等，所以在北美，Vxworks占据了嵌入式系统的多半疆山。特别是在通信设备等实时性要求较高的系统中，几乎非Vxworks莫属。Vxworks的很多概念和技术都和Linux很类似，主要是C语言开发。像Bell-alcatel、Lucent、华为等通信企业在开发产品时，Vxworks用得很多。但Vxworks因价格很高，所以一些小公司或小产品中往往用不起。目前很多公司都在往嵌入式Linux转（听说华为目前正在这样转）。但无论如何，Vxworks在一段长时间内仍是不可动摇的。与Vxworks类似的稍有名的实时操作系统还有pSOS、QNX、Nucleus等RTOS。
第二类、嵌入式Linux操作系统：Linux的前途除作为服务器操作系统外，最成功的便是在嵌入式领域的应用，原因当然是免费、开源、支持软件多、呼拥者众，这样嵌入式产品成本会低。Linux本身不是一个为嵌入式设计的操作系统，不是微内核的，并且实时性不强。目前应用在嵌入式领域的Linux系统主要有两类：一类是专为嵌入式设计的已被裁减过的Linux系统，最常用的是uClinux（不带MMU功能），目前占较大应用份额，可在ARM7上跑；另一类是跑在ARM
9上的，一般是将Linux
2.4.18内核移植在其上，可使用更多的Linux功能（当然uClinux更可跑在ARM
9上）。很多人预测，嵌入式Linux预计将占嵌入式操作系统的50%以上份额，非常重要。缺点是熟悉Linux的人太少，开发难度稍大。另外，目前我们能发现很多教材和很多大学都以ucOS/II为教学用实时操作系统，这主要是由于ucOS/II较简单，且开源，非常适合入门者学习实时操作系统原理，但由于ucOS/II功能有限，实用用得较少，所以我院不将其作为教学重点，要学习就应学直接实用的，比如
uClinux就很实用。况且熟悉了Linux开发，不仅在嵌入式领域有用，对开发Linux应用软件，对加深操作系统的认识也有帮助，可谓一举多得。据我所知，目前Intel、Philip都在大搞ARM+LINUX的嵌入式开发，Fujitum则是在自己的处理器上大搞Linux开发。目前在嵌入式Linux领域，以下几个方面�