迅杰科技采用ARM Cortex-M核心 实现笔记本电脑EC芯片功能升级
- 李佳玲／台北
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对笔记本电脑来说，Embedded Controller（嵌入式控制器，简称EC）扮演着好比隐形管家的重要角色，举凡电源管理、温度管理、人机界面等各种功能，都是藉由这颗芯片完成，使笔记本电脑能在提供强大的运算能力之余，亦能以更好的使用体验来满足消费者需求，同时EC也是为笔记本电脑带来特性差异化的重要关键。
迅杰科技（ENE Technology）已在EC芯片领域耕耘了超过20年，是全球主要的EC芯片供应商之一。随着笔记本电脑功能的持续演进，推升了对具备更高处理能力EC的需求，以支持各种创新应用。在本文中，将介绍EC的主要功能与发展趋势，以及迅杰为因应市场需求，采用ARM Cortex-M3核心，开发出适用于高端消费性笔记本电脑的最新EC产品，并采用ARM Cortex-M4核心，开发支持Chromebook的新款EC产品。
一、笔记本电脑用嵌入式控制器（EC）概要
EC主要功能
在笔记本电脑中，EC最早是由键盘控制器逐步演进而来的，主要功能是用来负责笔记本电脑系统中的慢速I/O控制，而高速运算都是由CPU来处理。这些慢速I/O所负责处理的主要功能包括了电源管理、温度监控管理、以及人机界面控制等。在实际的消费者体验中，包括充电指示灯及各种功能键灯的亮起、CPU温度太高时启动风扇运转，以及近年来在电竞笔记本电脑上支持的动态光源效果，使键盘与周边装置能随着电玩情境同步亮灯等，都是透过EC实现。
EC芯片的主要功能包括：
1.电源管理：EC芯片可以监测和管理笔记本电脑的电源供应，包括电池的充电和放电，以延长电池的使用寿命和最佳效能。其中，需要用很多GPIO接脚来产生电源序列生成（power sequence generation），以便在系统不同的状态下进行转换，并利用GPIO，根据系统状态，来开关不同的装置。最后，使用I2C/SMBUS来控制充电器或读取电池电量信息，以控制电池的充放电，延长电池寿命。
2.温度监测：EC芯片可以监测笔记本电脑的温度，并在需要时调整风扇的运转速度，使笔记本电脑适当散热，让笔记本电脑发挥最大的效能。这是透过电源管理的工作周期来控制风扇转速，以及FANFB读取风扇转速，并搭配ADC/SMBUS/PECI读取热源，一起执行温度管理来完成的。通常，不同笔记本电脑都会有其自有的温度表，EC可参考这些信息，以决定多少温度该用多少转速来降温。
3.人机界面控制：EC芯片负责处理笔记本电脑的键盘和触控板输入，并将它们转换为电脑可以理解的信号。其中包括，内建执行键盘功能所需
的键盘扫描仪、以及触控板的PS/2界面。此外，还内建了LED控制所需的PWM/GPIO，以以控制笔记本电脑上的LED指示灯，如电源状态、电池状态等。在周边方面，则有传感器存取用的I2C/SMBUS、SPI。
4. 硬件设备控制：它还可以管理其他硬件设备，如USB埠、音讯设备等。其他功能，还包括系统除错、EC除错、自动加载程序码等。总之，EC芯片在笔记本电脑中扮演着控制和管理硬件设备的重要角色，使笔记本电脑能够全面性地正确运作，并提供令人满意的使用者体验。
EC发展趋势
尽管笔记本电脑是发展较为成熟的市场，但随着各种新功能、新应用的导入，例如Type-C Power Delivery功能、电玩应用需求的兴起，以及笔记本电脑新产品推出，例如二合一翻转触控笔记本电脑、电竞笔记本电脑、Chromebook等，使得EC控制器需要支持的任务越来越多。因此，EC的发展趋势为需要具备更强的处理功能，以及内建较多的SRAM/eFlash资源。
以电竞笔记本电脑为例，除了在硬件效能、显示技术、散热系统和设计方面有更高的要求之外，为了满足玩家的使用体验，近来也日益强调RGB灯效等，以与游戏设备结合。对此，微软和品牌业者都开发相关的动态光源技术。为了简化系统设计，EC芯片与LED控制器必须作更紧密的结合。
此外，随着信息安全的重要性日益提升，也带动了商用以及消费性笔记本电脑所使用的EC，开始需要导入安全性验证的相关功能，这亦使得EC供应商必须提升其产品效能。
至于Google力推的Chromebook，也是业界瞩目的新焦点。与传统的Wintel架构笔记本电脑不同，Chromebook EC须具备执行实时操作系统(RTOS)的能力，不仅设计方式与一般NB不同，并且需求较高的运算资源。对既有EC业者来说，是新产品与新市场的拓展。
二、ARM Flexible Access （AFA）计划协助迅杰开发EC
ARM Flexible Access（AFA）是由ARM推出的设计授权计划，目的是让各种规模的公司和设计团队更容易获得使用ARM架构的处理器核心和相关技术的授权，是降低SoC开发门槛，提供更灵活的设计授权选项，进而促进更广泛的创新和开发。
ARM Flexible Access计划的主要特点包括：
1. 灵活的授权模式： ARM Flexible Access计划允许设计团队选择授权核心和技术，以满足其特定的项目需求，以助于业者选择最适合其产品的设计元件。
2. 设计授权和工具： 计划提供了使用ARM处理器核心的设计授权，以及相关的开发工具、模型和资源，以助于加速产品开发过程。
3. 逐步升级： 设计团队可以从较小的专案开始，并在需要时逐步升级到更高端的设计授权，以支持不同阶段的产品发展。
4. 技术支持： 计划包括ARM的技术支持，以协助设计团队解决在开发过程中可能遇到的技术挑战。
由于ARM Flexible Access是以预付、免成本或低成本的方式，提供客户取得各种 ARM IP、工具及训练课程。客户能以完整的产品组合进行实验与设计，直到客户确认设计，才需在生产制造时支付授权费，并且仅有最终系统单芯片设计中包含的IP才需支付权利金。
对于迅杰而言，AFA的开发工具能协助ENE做无缝的平台转换，AFA包含的广泛的IP能协助客户针对子系统进行完整的探查与评估，了解其客户实际工作负载适用何种MCU，此外，由于AFA内含的Corstone子系统是已经预先整合与验证过的IP子系统，使得迅杰能缩短产品上市时间。
三、因应市场需求，采用ARM Cortex-M核心实现产品升级
迅杰科技（ENE）简介
成立于1998年的迅杰科技（ENE Technology），是一间总部位于新竹的芯片设计业者，早期是以开发键盘控制芯片、读卡机芯片起家，在2007年股票上市。近年来，该公司产品是以笔记本电脑用EC（嵌入式控制器）为主，并逐步扩展至触控MCU、以及电竞PC/NB用的LED MCU等，致力成为可携式信息产品应用IC的领导厂商。
迅杰虽是一家小型的芯片设计公司，但凭藉着在键盘控制器、EC等领域超过20年的长期耕耘，目前已是全球主要的NB EC供应商。迅杰亦由最早透过提供兼容EC芯片的方式进入市场后，转换为透过提供定制化设计，以最适切的规格满足客户需求，并同时整合客户的外部周边线路，达到降低整体使用成本的目标。
就EC市场来看，目前市场应用主要分为商用笔记本电脑和消费性笔记本电脑两大块，前者较重视安全性、妥善率、电池续航力等，后者较重视性价比。目前迅杰的主要市场是以在消费性笔记本电脑为主，因为消费性笔记本电脑价格竞争激烈，所以主要的设计考量是提供具成本效益、且能满足客户需求的产品。
NB领域，几乎所有的芯片都是标准化，不同品牌业者的NB产品功能差异并不大。但EC却不是标准化产品。在消费性NB市场，EC的韧体程序码都是客户自行设计的。透过自行设计，实现差异化特性。多年来，迅杰的韧体与硬件研发人员均致力于协助客户开发差异化产品。透过与客户的密切合作并提供深化服务，目前几乎NB产业中主要的品牌厂商均曾与迅杰合作，累积了深厚的支持客户解决问题的经验，成为客户信赖的合作夥伴。
此外，在其他产品线的扩展方面，虽然从2005年起，迅杰的营收是以EC产品为主要来源。但随着市场演进，近年来，迅杰积极在PC系统或周边找寻其他MCU的应用商机，陆续布局了触控、LED及PD等应用。
LED MCU主要是锁定电竞市场的动态光源应用，例如机壳、显示卡等周边的灯光与电玩情境同步；触控MCU是针对小家电面板的应用；PD则包括Type-C适配器/转接器等。
目前LED MCU已有内建ARM Cortex-M0的产品上市，主要应用在主机板、屏幕及机壳。从既有的8051程序基础升级到采用ARM Cortex-M0，主要是因为需要更大的32位元程序码空间，提升产品效能。
在触控产品方面，虽然8051足以支持单纯触控及简单显示功能（如家电操作面板），但为了满足客户更多的应用处理需求，迅杰规划未来也会把触控MCU升级至ARM Cortex-M0解决方案。
为何选用ARM-Cortex-M核心升级EC产品？
长久以来，EC都是采用传统的8051架构，便足以满足笔记本电脑的应用需求。然而，8051在执行数学运算时效率较差，无法充分支持传感器相关应用。由于近来笔记本电脑日益重视人机界面设计，以使用者体验作为主要的差异化特性，因此需要EC具备处理传感器原始数据的能力。
随着AI应用兴起，迅杰希望能提升EC的运算效能，除了支持一般EC需要处理的事务，还能有余力处理传感器的原始数据，使笔记本电脑能藉由这些传感器实现AI功能。
例如，透过ToF（Time of Flight，飞时测距）、近接传感器的信息读取，用来侦测是否有人或物品在笔记本电脑前方，并运用这些侦测机制来整合系统功能，使系统可以自动调整电源管理，达到节能省电目标。
对消费性笔记本电脑用EC来说，在兼顾升级运算能力与成本效益的考量下，加上ARM的AFA计划，可降低产品开发的门槛，加上ARM坚强的生态系统支持，因此迅杰决定采用ARM Cortex-M3核心来开发锁定高端消费性笔记本电脑，特别是电竞笔记本电脑的EC新产品。
最新EC产品– KB106x介绍
内建ARM Cortex-M3核心的新款KB106x，是迅杰EC产品的重大升级，在执行速度、规格、效能等各方面，都较先前产品有显着的提升，锁定要求更高运算能力的EC应用，能够快速处理更多的EC事务。此外，延续迅杰重视客户服务的精神，新产品亦提供了完备的除错界面、除错器、工具链等支持，以加速产品开发时程。
<整合NKRO与LED控制器在单一EC芯片中>
在KB106x提供的特性中，值得一提的是针对近来兴起的电竞笔记本电脑市场，迅杰开发了防鬼键（Anti-Ghosting）功能，及内建较多的电源管理控制器，可以支持更多的LED控制以及微软最新的动态光源（Dynamic Lighting）功能，使电玩应用程序能够直接控制LED灯效，与电玩的使用情境同步。
所谓NKRO（N-Key Rollover），亦即防鬼键功能，是指一种特殊类型的电脑键盘，能够支持多个按键的同时输入，不会出现按键冲突的情况。此功能在需要同时按下多个按键的情况下非常有用，特别是在玩电子游戏或进行快速打字时，藉由提供更高的准确性和反应速度，可以减少玩家出错的机会。
由上图可看出，目前针对NKRO与LED驱动器的支持，常见的设计方案是在EC之外，再增加一颗或两颗独立式芯片。而迅杰在其KB106x芯片中，把这两个功能整合在一起，仅需单一芯片就能实现电竞笔记本电脑要求的最新应用，大幅减化设计。
此外，迅杰特别开发另一项功能 ─ G-感应器融合（G-Sensor Fusion）解决方案，则是专为二合一翻转笔记本电脑（convertible NB）所设计。这是近年来一种受欢迎的笔记本电脑产品，透过中央的转轴翻面，可灵活切换为笔记本电脑或平板的使用模式。
至于笔记本电脑或平板模式的判断，需依赖EC计算出屏幕与键盘之间的角度来决定。迅杰之前基于8051的EC芯片，若要直接执行三角函数运算，非常费时。为克服此问题，迅杰特别开发出利用简化数学运算及透过查表方式，使客户仅需要一小段程序码以及很短的处理时间，就能计算出夹角信息。这是迅杰对此问题开发的特殊设计，但对大部分的传感器应用来说，并非都能透过这种特殊方法来解决。因此，透过采用ARM核心，迅杰将能进一步提升这些特殊运算的处理能力。
未来产品规划
Chromebook是近年来Google力推的新产品。与传统NB不同，Chromebook EC的韧体程序码并不是由各家EC供应商自行设计，而是采用Google指定的实时操作系统Zephyr OS，作为EC内部的韧体程序码。因此，需要的运算资源，包括嵌入式快闪存储器、SRAM、MCU处理能力等更高。此外，若Chromebook亦需要支持传感器相关应用，便需要内建浮点运算功能。对此，迅杰决定采用ARM Cortex-M4核心来开发Chromebook用EC。
迅杰在开发Chromebook用EC产品KB1200时，除了最终决定采用的ARM架构，在初期曾针对不同的CPU核心架构进行评估。迅杰考虑到自己是此市场的新进者，再加上目前主要客户所使用的解决方案也都是使用ARM Cortex-M4核心。所以，基于功能兼容性的考量，以及刚跨入32位元市场的迅杰，已具备了先前采用M0/M3核心开发新产品的经验，对于ARM相关的工具链较熟悉，因此决定采用ARM Cortex-M4。
此新产品可执行RTOS，将锁定更高端的市场应用，未来有机会使用在商用笔记本电脑以及Chromebook 产品，以拓展新市场。
四、结论
台湾是笔记本电脑设计与开发的全球重镇，无论在品牌制造或ODM领域都有杰出的表现，也孕育了像迅杰这样美，专精于开发笔记本电脑用EC芯片的IC设计业者，并成为全球主要的EC芯片供应商。
随着近来笔记本电脑产品导入了更多的新技术与应用，也推升EC芯片的功能升级需求。对于迅杰来说，为了维持市场优势与竞争力，将既有8051架构EC芯片升级至32位元核心已是必然之举。然而，在公司有限的资源下，ARM不仅提供了坚强的生态系统支持、优异的产品效能，更重要的是，结合ARM Flexible Access计划，大幅降低了迅杰开发SoC的进入门槛，加速新产品开发。
除了EC产品，迅杰的另外两条产品线，LED控制器及触控IC，也都将采用ARM Cortex-M进行产品升级。对迅杰而言，不断寻求与竞争者的差异化是推动公司成长与开拓新市场的重要契机，而ARM在其公司的转型与业务拓展方面，发挥了重要作用。
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