低功耗高效设计：各厂商ARM架构MCU简介
- DIGITIMES企划
-
随着智能家庭、智能医疗、智能工厂、智能城市等议题发酵，带动了物联网(IoT)的相关应用与发展，各式运用微控制器(MCU)所设计出来的相关产品需求，也逐渐增加。针对物联网相关应用产品都需要长效使用、快速反应、传输安全等特性，各厂商纷纷推出针对物联网应用最佳化的MCU产品，以符合市场需求…
MCU(微控制器)的产品种类繁多，从早期的4或8位元应用在基本的电器、家电、工控产品，近期16位元偏多媒体产品的应用，直到近年来物联网(IoT)的应用兴起，带动32位元MCU成为市场主流。各MCU厂商无不在摩拳擦掌，推出各式针对物联网应用的32位元MCU，让设计人员能够降低功耗和开发成本。
目前各大MCU制造商，除了自家既有的8/16位元MCU之外，都几乎都有推出32位元的MCU产品线，以抢占IoT应用市场大饼，其中又以ARM所带领的Cortex-M核心、32位元MCU颇受到各大MCU大厂的青睐。
当然除了ARM核心之外，其他非ARM阵营的MCU厂商也有推出对应的产品，例如Microchip就坚守自家PIC32(MIPS架构)的产品线，并认为8位元MCU即可做到的事，无须使用到成本较高的32位元MCU。
然而，在当今移动设备绝大多数都迈向ARM架构的怀抱之下，以其既有的庞大开发平台的生态体系，所延伸出来的各种智能应用(包含穿戴式产品、物联网相关应用产品)，自然也会吸引促使大多开发人员，去选用与智能移动设备相同架构的ARM MCU来设计。
一来是有现成的各式传感器驱动程序、函式库、操作系统等资源，二来是能与手机的CPU架构兼容，减少因软件架构的不同所耗去的转换与开发时间。虽说硬件售价可能会高于使用8位元的产品，但考量产品的未来扩充弹性与软件的维护成本来说，使用32位元MCU也许更节省整体的开发成本。
低耗电、高整合 ARM MCU显其威
目前当红的ARM Cortex-M架构，依照市场需求区隔成M0至M4与M7的等级，Cortex-M0主打初阶8/16位元应用，Cortex-M3主打中端的16/32位元应用，Cortex-M4主打高端32位元与DSC(数码信号控制)应用，而Cortex-M7则主打旗舰级的高端自动化生产与IoT应用。
由于单一架构MCU具有指令集向下兼容的好处，再加上ARM的低功耗效果超越其他CPU架构，因此许多MCU大厂都纷纷取得Cortex-M的IP授权，推出自家的ARM系列MCU，以下就简单介绍各家32位元MCU的产品线。
Atmel的Smart系列，其产品编号为SAM(Smart ARM MCU缩写)开头，号称是市面上最省电的MCU，Bosch Sensortec便采用该公司SAM D20的MCU做为Sensor Hub(传感器中枢)解决方案。Atmel的picoPower超低耗电技术，可以做到电压降到1.62V时，所有MCU内部元件仍可正常运作。
以其于2015年第3季将推出的SAM L21 (Cortex-M0+架构)产品为例，就号称比其他竞争对手少1/3的电力，在Active模式下可以降到每MHz仅耗费35uA(微安)，并维持32KB的Flash存储器有足够的电力来运行时间与日历的软件(只耗费< 900nA；奈安)，让电池供电寿命长达10年，适合IoT传感相关应用。
Freescale的Kinetis系列可说是种类极多：K系列(高效能；Cortex-M4)、L系列(超低功耗；M0+)、E系列(5V强固环境；M0+)、EA系列(车载应用；M0+)、V系列(马达控制与电源转换；M0+/M4/M7)、M系列(能源计量；M0+)、W系列(无线连结；M4/M0+)、Mini系列(超微型封装)等等，适合各种不同应用环境。
以其L系列为例，其VLPR(Very Low Power Run)模式可做到每MHz只耗39uA(微安)。Freescale的Kinetis产品已被应用在各IoT领域，例如Nest Labs的Nest Protect(烟雾传感器)，便采用其K60芯片，而微软的Microsoft Band(智能手环)，也其K24产品做为其核心控制器。
NXP的LPC家族，有LPC800/1100/1200(M0/M0+；主打入门级)、LPC1300/1500/1700/1800(M3；主打中端)、LPC4000/5400系列 (M4；主打高端)等系列。另外还有双核心设计的LPC4300(M0 & M4F；低功耗智能应用)与LPC5410(M0+ & M4F；超低功耗应用，如全天候传感)等系列，可适用于各种应用领域，并广泛获得业界使用。
例如昆盈的GX Gaming鼠标(LPC11U14)、苹果iPhone 5S/iPad Air/iPad mini 2&3的M7芯片(LPC18A1)与iPhone 6/6 Plus/iPad Air 2的M8芯片(LPC18B1)。此外，在NXP于2015年3月宣布并入Freescale之后，其MCU产品线的分布更加天罗地网，将对ARM MCU市场造成更大的磁吸效应。
Silicon Labs的EFM32系列，可分成Zero Gecko家族(M0+)、Tiny Gecko/ Gecko/Leopard Gecko/Giant Gecko家族(M3)与Wonder Gecko (M4)家族等产品，号称是最节能的MCU。其低功耗技术，可以让32MHz、3V的MCU只耗费150uA/MHz的电量，待机模式下维持RAM、CPU、RTC的电力只耗900nA(奈安)，shutoff模式更低于20nA，以这样的模式之下，使用典型的3V钮扣电池，可以提升到300%或者7年的使用寿命。
ST的STM32系列，共有500多款ARM架构的MCU，且接脚与软件皆可兼容。依产品等级可分成超低耗电的L0(M0/M0+)、L1(M3)、L4(M4)系列，主流的F0(M0/M0+)、F1(M3)、F3(M4)与高效能的F2(M3)、F4(M4)、F7(M7)等家族，另有W(M3)系列，内建IEEE 802.15.4协定，支持RF4CE、ZigBee-PRO、6LoWPAN等IoT的无线传感应用。因产品线齐全，故广获业界采用，例如Samsung Gear 2、Pebble智能手表等。
应用于工业领域的其他ARM MCU产品
Cypress主推的PSoC(Programmable System-on-Chip；可程序系统单芯片)架构，就是由系统模块(即一般MCU功能)，加上可程序数码与类比模块各一，以及固定功能周边模块，和可程序路由、互连的模块，可说是高度整合的系统单芯片产品，可缩小PCB板整体面积。以Cypress的PSoC 4(Cortex M0)与PSoC 5 LP (Cortex M3)的产品线，就属于ARM的核心，搭配其PSoC Designer、Creator等开发工具，便可达到各种系统级应用。
例如其PSoC 4 BLE开发套件(CY8CKIT-042-BLE)，就适合用来设计各种以低功耗蓝牙做为传输协定的穿戴式传感装置。此外，其PRoC BLE可程序无线电套件，可设计出低耗电蓝牙遥控器，应用在无人机或各式无线控制等领域。而Cypress于2014年12月购并了Spansion之后，其产品线亦可补足在工业级MCU的高端应用领域。
Infineon除了自家32bit TriCore核心之外，也有推出ARM核心的XMC系列MCU，主要有XMC1000(M0；低功耗)和XMC4000(M4；高效能)两大类，尤其XMC4800内建EtherCAT协定，主攻工业级相关应用。
而该XMC1000系列，也以32位元的效能、8位元的价格，来尝试改变传统工控市场皆是8位元MCU天下，让工厂自动化产业的开发人员，转进至更先进的32位元开发环境，此举获得不少客户的支持。Spansion的FM0+(Cortex-M0+)、FM3(M3)、FM4(M4)家族，为其ARM MCU系列的低、中、高端产品。
其于2014年底发表了全新96种FM4家族，朝向IoT的应用。其中，S6E2C采用Cortex-M4F核心，以高达200MHz的效能，新的界面与通讯协定、2MB快闪存储器、256KB SDRAM存储器与5V的I/O支持能力，为旗舰级MCU产品。支持各式工业级高速通讯协定与电脑相关界面，适合做为M2M通讯以及工业IoT相关应用。
TI的OMAP系列采用传统ARM7/ARM9与Cortex-A系列的核心，为其在一般应用处理器(AP)打下不少多媒体应用市场，至于在Cortex-M MCU产品，则主打工业、建筑、家庭自动化等应用领域。其F28M3x (M3)与TM4C12x (M4) 整合物联网与工业级专用的通讯协定，主攻控制与自动化应用领域。而MSP432 (M4)系列为MSP430的ARM低耗/高效版，适合应用在无线传感网络(WSN)的数据采集领域。
至于其他厂商的部分，像Toshiba的TX00 (M0)、TX03 (M3)、TX04 (M4)与TX09 (早期ARM9架构)，主打各种工业与电脑周边应用。Nuvoton (新唐)的Cortex-M0家族，涵盖NUC1xx/2xx、Nano1xx系列，主打工控、低耗、USB应用、车载应用。而Cortex-M4家族的M451、NUC442/472系列，则主打各种IoT相关应用。
至于Holtek(盛群)的HT32F家族，包含10多种MCU (Cortex-M3)，可当做一般用途的MCU，其HT32F1755/1765/2755可应用在白色家电控制、电源监控、警报系统、消费性电子、手持装置、数据日志应用、马达控制、指纹识别等应用。
