單一微控制器平台下的多樣化解決方案
- 洪千惠
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以多年車用電子、工控領域開發經驗，英飛凌推出單一微控制器平台架構XMC4000微控制器家族，以產業標準化的ARM Cortex M4處理器核心，具備彈性化的可配置能力、豐富且多元的週邊介面，以及DAVE3整合開發環境與圖形化介面的程式碼產生器，協助業者聚焦於高能源轉換效率、行動應用與安全防護三大應用領域…
台灣英飛凌科技(Infineon)工業與多元電子市場部經理黃國為(Danny Wong)提到，40多年以來，英飛凌專注於當前三大未來最吸引人的應用領域，也就是能源效率(Energy Efficiency)、行動應用(Mobility)以及安全防護(Security)。而英飛凌的微控制器組合，就是針對汽車車用電子與工業控制應用最佳化所設計的產品。
以MIPS執行效能為縱軸，英飛凌微控制器系列，從執行效能約10MIPS等級的8位元C5xx、XC8xx MCU系列，採與8051相容的設計，到執行效能達100MIPS等級的C166/XE166，16-bit C166、XC166、XC2000、XE166等MCU。接下來執行效能達200MIPS等級的XMC4000系列，包含XMC4100、XMC4200、XMC4400、XMC4500、XMC4700；最高階32位元TriCore微處理器則有AUDO Family、AURIXTM Family兩大系列，執行效能設定在300MIPS以上。
英飛凌的XMC4000系列以廣泛的ARM Cortex-M4處理器核心架構設計，提供比C16x更高的運作時脈、執行效能，更大的記憶體定址空間以因應物件導向化的程式設計(object-oriented programming)，並整合了Infineon週邊控制介面的進化設計。XMC4000系列關鍵應用於工業車輛、可循環能源與自動化這領域，據IMS2010年市調數據，在工業車輛的MCU/DSC應用市場，規模高達3.6億美元，在電力能源領域的MCU/DSC應用市場，規模達到3.75億美元，在自動化領域的MCU/DSC應用市場，規模達到5.56億美元。
當前工控、汽車電子與自動化面臨的挑戰
黃國為指出，在當前工控應用、汽車電子與自動化應用所面臨到的挑戰。第一項是能源效率( Energy efficiency)。先進的演算法驅使更高計算效能的需求，而高效率變頻控制需要頂尖的類比數位轉換器與計時器。第二項挑戰在於週邊連接控制性(Connectivity)，像整個系統的即時連接能力，以及全球消費者所需的週邊連接能力，例如CAN控制匯流排，UART、I2C、SPI串列週邊介面，Ethernet以太網路連線能力，USB介面連接能力，SD/MMC記憶卡連接讀取能力。
第三項挑戰在於軟體的複雜程度越來越高。引述2008年德國Bitkom 資訊雜誌所述，嵌入式軟體開發(Embedded software development)已經成為最勞力密集的行業，而台灣工業技術研究院 International Technology Roadmap for Semiconductors(ITRS)在2007年研究期刊上也提到，嵌入式系統的軟體複雜度的成長已經超越了摩爾定律，而軟體研發的生產力與進化速度遠落後於硬體發展的速度。
黃國為提到Infineon提出具備無數解決方案的XMC4000單一控制器平台架構。它以32位元ARM Cortex M4核心架構，整合全新的週邊I/O設備，提供即時執行的高效能；搭配DAVE3整合開發環境(integrated development environment；IDE)，提供免費的編譯器(Compiler)、偵錯軟硬體(Debugger)與快閃記憶體載入程式(flash loader)，提供用戶延展使用商業化編譯器與偵錯器的能力，免費的自動程式碼產生器，以及作業系統整合上的支援；Infineon也在產品品質、長期供應與承諾上，給予客戶充分的信賴。
XMC4000系列功能與規格介紹
黃國為指出，Infineon XMC4000系列可以做為觸動控制、類比轉換、工業控制通訊以及嵌入式安全上的標竿。在ARM Cortex M4微處理器與浮點運算單元，以及內建偵錯單元、系統計時器、真實時鐘(Real Time Clock)、直接記憶體存取(DMA)與記憶體基本項目，同時在通訊功能部份，增加了乙太網路控制器(Ethernet)、USB匯流排控制器、SD/MMC讀卡機介面(SD/MMC card I/F)、外接記憶體介面(External Memory I/F)、CAN工業控制匯流排與USIC串列通訊介面；計時器與觸發控制(Timer & Actuator Control)部份，則提供了Capture Compare Unit(CCU4)與CCU8，高解析度脈衝寬度調變(Pulse-width Modulation；PWM)、導航定位晶片介面、ΔΣ Demodulator調變電路等。
在類比與混合訊號處理方面，XMC4000內建ADC類比數位轉換器、DAC數位類比轉換器。在人機介面(HMI)部份，則提供投射式電容觸控(Capacitive Touch)、LED數字顯示電路矩陣(LED Matrix)與連接埠(Ports)；至於在安全防護？信賴度部份，XMC4000提供ECC/Parity即時偵測修正╱同步位元檢查的資料完整性防護能力，以及CRC 隨機模式數值產生器。以上除了ARM Cortex M4、FPU、DEBUG、System Timer、Ethernet、USB與SD/MMC card I/F等項目是各家MCU的標準功能，其餘皆為Infineon領先創新的特色，或者是最擅長的領域。
黃國為介紹XMC4000家族的五款產品型號以及八種封裝版本，從64KB~2.5MB快閃記憶體容量的範圍做列表。首先是採VQFN48(7x7)封裝的XMC4100、XMC4200，兩者時脈皆為80MHz、20KB SRAM的設計，前者為64KB Flash設計，後者為128KB Flash設計；接下來是採用LQFP(12x12)的XMC4200為80/120MHz時脈、256KB Flash與40/80KB SRAM設計，與LFBGA64(5x5)封裝的XMC4100仍處於設計階段，具備80MHz時脈、128KB Flash與20KB SRAM的設計。接下來往上則是採LQFP64(12x12)封裝的XMC4400，具備80/120MHz時脈、256KB Flash、40/80KB SRAM的設計。
從LQFP100(16x16)封裝開始的XMC4400、XMC4500晶片，均為120MHz的時脈設計，前者為512KB Flash、80KB SRAM，後者為768KB Flash、160KB SRAM的設計；到LQFP144(22x22)封裝開始的XMC4500，時脈同樣為120MHz、160KB SRAM，但Flash加大到1MB；LFBGA144(10x10)的XMC4500同樣為120MHz、1MB Flash與160KB SRAM設計。而設計階段的XMC4700晶片將採用LFBGA144(10x10)、LFBGA176(26x26)與LFBGA225(13x13)三種封裝，規格均為180MHz、2.5MB Flash、512KB SRAM的設計。
針對電動車輛與循環能源變頻最佳化的MCU設計
黃國為也指出XMC4000針對電動車與循環？可回收能源裝置的變頻控制做最佳化設計。要創造高能源效率需同時間同步進行快速相位電流量測、附加輸入電流、溫度等訊號量測，以及隔離三相電流量測，XMC4000系列具備四組12位元ADC類比轉換器，每秒可量測三百五十萬組電流數據。ADC量測轉換後的處值自主式後續處理架構，可以減輕CPU的負擔；XMC4000同時內建ΔΣ Demodulator積分調變電路，可以剔除外接昂貴的量測IC的需求。
在XMC4000的彈性化設計，可支援多樣化的應用。其輸入？輸出端的各種週邊介面，如CCU4、CCU8、POSIF、ADC、DAC、LEDTS、DSD、USIC、CAN、ERU1與Ports等，可以用可程式化的矩陣電路來指定哪些訊號線相互連接，並且指定由哪個輸入？輸出訊號來觸發，在靈活性和可用性之間進行權衡優化，同時也支援各種產業鏈的的開發工具。
XMC4000系列提供靈活的週邊裝置的連接組合，便於消費者連接系統進行管理和維護，控制階段達成即時的連接性；週邊能以資料緩衝、過濾機制做自主化管理以降低CPU負擔，藉由軟體定義的串列通訊介面通道，指定並靈活配置每一個週邊。XMC4100/4200/4400/4500/4700全系列提供USB介面、1~3組CAN工業控制匯流排、4~6組UART、SPI、I2C、I2S串列控制介面，其中XMC4500、XMC4700提供SD記憶卡讀取介面，6組串列介面，而XMC4400/4500/4700提供USB OTG功能，以及2~3組CAN控制器。
在軟體開發部份，Infineon提供DAVE3整合開發環境(Integrated Development Environment；IDE)，以GNU Eclipse為based，提供了免費的GNU編譯器、偵錯器與Flash loader(載入程式)，免費的資料視覺化工具程式，以及開放第三方工具鏈(Compiler/Debugger)與針對各種作業系統與介面堆疊？協定的軟體插入套件；自動程式碼產生器則提供週邊與應用導向的程式選擇，透過圖形化介面輕易配置，產生的程式碼可以建構成應用程式介面(API)，藉由附上完整文件開放被其他軟體所呼叫，並經過使用者或第三方軟體的進一步延伸其應用。
對客戶的關鍵價值而言，市場需要高能源轉換效率、連接性以及降低軟體開發時間。XMC4000系列提供最先進的PWM脈衝調變、計時器與四組12bit ADC，ΔΣ-Demodulator積分調變線路，強大且自主管理的週邊，可以設計出需要高解析度PWM調變？變頻技術的邏輯控制開關或太陽能變頻器；DAVE3則可協助以圖形化方式輕鬆撰寫、取用既有的軟體演算法，並開放給客戶進行改良強化；同時XMC4000系列提供Ethernet/USB/SD MMC/CAN/SPI/UART/I2C多樣化週邊介面，而DAVE3也對應提供完整的驅動程式與相關堆疊。XMC4000系列以單一延展性的平台架構，最佳可配置性應用，與經過業界認證的產品品質、信賴度與長期供應能力，搭配DAVE3的高階程式化、軟體元件化提昇反覆利用的效率。
黃國為總結，英飛凌具備30多年汽車電子與工業微控制器的開發經驗，創新的多元化週邊介面，提供可靈活配置的功能；在品質與信賴度方面，提供高效能Flash快閃記憶體技術，部份產品可以在高達125°C高溫環境下運作，以及至少15年的長期供應承諾。而DAVE3整合開發環境提供了功能延伸，自動化程式碼產生器功能及第三方軟體界接等特性，有助於智慧裝置的區隔化。XMC4400/4200/4100處理器及相關評估套件，將於2012年底開始送樣。
