低功耗高效設計：各廠商ARM架構MCU簡介
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隨著智慧家庭、智慧醫療、智慧工廠、智慧城市等議題發酵，帶動了物聯網(IoT)的相關應用與發展，各式運用微控制器(MCU)所設計出來的相關產品需求，也逐漸增加。針對物聯網相關應用產品都需要長效使用、快速反應、傳輸安全等特性，各廠商紛紛推出針對物聯網應用最佳化的MCU產品，以符合市場需求…
MCU(微控制器)的產品種類繁多，從早期的4或8位元應用在基本的電器、家電、工控產品，近期16位元偏多媒體產品的應用，直到近年來物聯網(IoT)的應用興起，帶動32位元MCU成為市場主流。各MCU廠商無不在摩拳擦掌，推出各式針對物聯網應用的32位元MCU，讓設計人員能夠降低功耗和開發成本。
目前各大MCU製造商，除了自家既有的8/16位元MCU之外，都幾乎都有推出32位元的MCU產品線，以搶佔IoT應用市場大餅，其中又以ARM所帶領的Cortex-M核心、32位元MCU頗受到各大MCU大廠的青睞。
當然除了ARM核心之外，其他非ARM陣營的MCU廠商也有推出對應的產品，例如Microchip就堅守自家PIC32(MIPS架構)的產品線，並認為8位元MCU即可做到的事，無須使用到成本較高的32位元MCU。
然而，在當今行動裝置絕大多數都邁向ARM架構的懷抱之下，以其既有的龐大開發平台的生態體系，所延伸出來的各種智慧應用(包含穿戴式產品、物聯網相關應用產品)，自然也會吸引促使大多開發人員，去選用與智慧行動裝置相同架構的ARM MCU來設計。
一來是有現成的各式感測器驅動程式、函式庫、作業系統等資源，二來是能與手機的CPU架構相容，減少因軟體架構的不同所耗去的轉換與開發時間。雖說硬體售價可能會高於使用8位元的產品，但考量產品的未來擴充彈性與軟體的維護成本來說，使用32位元MCU也許更節省整體的開發成本。
低耗電、高整合 ARM MCU顯其威
目前當紅的ARM Cortex-M架構，依照市場需求區隔成M0至M4與M7的等級，Cortex-M0主打初階8/16位元應用，Cortex-M3主打中階的16/32位元應用，Cortex-M4主打高階32位元與DSC(數位信號控制)應用，而Cortex-M7則主打旗艦級的高階自動化生產與IoT應用。
由於單一架構MCU具有指令集向下相容的好處，再加上ARM的低功耗效果超越其他CPU架構，因此許多MCU大廠都紛紛取得Cortex-M的IP授權，推出自家的ARM系列MCU，以下就簡單介紹各家32位元MCU的產品線。
Atmel的Smart系列，其產品編號為SAM(Smart Arm MCU縮寫)開頭，號稱是市面上最省電的MCU，Bosch Sensortec便採用該公司SAM D20的MCU做為Sensor Hub(感測器中樞)解決方案。Atmel的picoPower超低耗電技術，可以做到電壓降到1.62V時，所有MCU內部元件仍可正常運作。
以其於2015年第3季將推出的SAM L21 (Cortex-M0+架構)產品為例，就號稱比其他競爭對手少1/3的電力，在Active模式下可以降到每MHz僅耗費35uA(微安)，並維持32KB的Flash記憶體有足夠的電力來運行時間與日曆的軟體(只耗費< 900nA；奈安)，讓電池供電壽命長達10年，適合IoT感測相關應用。
Freescale的Kinetis系列可說是種類極多：K系列(高效能；Cortex-M4)、L系列(超低功耗；M0+)、E系列(5V強固環境；M0+)、EA系列(車載應用；M0+)、V系列(馬達控制與電源轉換；M0+/M4/M7)、M系列(能源計量；M0+)、W系列(無線連結；M4/M0+)、Mini系列(超微型封裝)等等，適合各種不同應用環境。
以其L系列為例，其VLPR(Very Low Power Run)模式可做到每MHz只耗39uA(微安)。Freescale的Kinetis產品已被應用在各IoT領域，例如Nest Labs的Nest Protect(煙霧感測器)，便採用其K60晶片，而微軟的Microsoft Band(智慧手環)，也其K24產品做為其核心控制器。
NXP的LPC家族，有LPC800/1100/1200(M0/M0+；主打入門級)、LPC1300/1500/1700/1800(M3；主打中階)、LPC4000/5400系列 (M4；主打高階)等系列。另外還有雙核心設計的LPC4300(M0 & M4F；低功耗智慧應用)與LPC5410(M0+ & M4F；超低功耗應用，如全天候感測)等系列，可適用於各種應用領域，並廣泛獲得業界使用。
例如昆盈的GX Gaming滑鼠(LPC11U14)、蘋果iPhone 5S/iPad Air/iPad mini 2&3的M7晶片(LPC18A1)與iPhone 6/6 Plus/iPad Air 2的M8晶片(LPC18B1)。此外，在NXP於2015年3月宣布併入Freescale之後，其MCU產品線的分布更加天羅地網，將對ARM MCU市場造成更大的磁吸效應。
Silicon Labs的EFM32系列，可分成Zero Gecko家族(M0+)、Tiny Gecko/ Gecko/Leopard Gecko/Giant Gecko家族(M3)與Wonder Gecko (M4)家族等產品，號稱是最節能的MCU。其低功耗技術，可以讓32MHz、3V的MCU只耗費150uA/MHz的電量，待機模式下維持RAM、CPU、RTC的電力只耗900nA(奈安)，shutoff模式更低於20nA，以這樣的模式之下，使用典型的3V鈕扣電池，可以提升到300%或者7年的使用壽命。
ST的STM32系列，共有500多款ARM架構的MCU，且接腳與軟體皆可相容。依產品等級可分成超低耗電的L0(M0/M0+)、L1(M3)、L4(M4)系列，主流的F0(M0/M0+)、F1(M3)、F3(M4)與高效能的F2(M3)、F4(M4)、F7(M7)等家族，另有W(M3)系列，內建IEEE 802.15.4協定，支援RF4CE、ZigBee-PRO、6LoWPAN等IoT的無線感測應用。因產品線齊全，故廣獲業界採用，例如Samsung Gear 2、Pebble智慧手錶等。
應用於工業領域的其他ARM MCU產品
Cypress主推的PSoC(Programmable System-on-Chip；可程式系統單晶片)架構，就是由系統模塊(即一般MCU功能)，加上可程式數位與類比模塊各一，以及固定功能週邊模塊，和可程式路由、互連的模塊，可說是高度整合的系統單晶片產品，可縮小PCB板整體面積。以Cypress的PSoC 4(Cortex M0)與PSoC 5 LP (Cortex M3)的產品線，就屬於ARM的核心，搭配其PSoC Designer、Creator等開發工具，便可達到各種系統級應用。
例如其PSoC 4 BLE開發套件(CY8CKIT-042-BLE)，就適合用來設計各種以低功耗藍牙做為傳輸協定的穿戴式感測裝置。此外，其PRoC BLE可程式無線電套件，可設計出低耗電藍牙遙控器，應用在無人機或各式無線控制等領域。而Cypress於2014年12月購併了Spansion之後，其產品線亦可補足在工業級MCU的高階應用領域。
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)兩大類，尤其XMC4800內建EtherCAT協定，主攻工業級相關應用。
而該XMC1000系列，也以32位元的效能、8位元的價格，來嘗試改變傳統工控市場皆是8位元MCU天下，讓工廠自動化產業的開發人員，轉進至更先進的32位元開發環境，此舉獲得不少客戶的支持。Spansion的FM0+(Cortex-M0+)、FM3(M3)、FM4(M4)家族，為其ARM MCU系列的低、中、高階產品。
其於2014年底發表了全新96種FM4家族，朝向IoT的應用。其中，S6E2C採用Cortex-M4F核心，以高達200MHz的效能，新的介面與通訊協定、2MB快閃記憶體、256KB SDRAM記憶體與5V的I/O支援能力，為旗艦級MCU產品。支援各式工業級高速通訊協定與電腦相關介面，適合做為M2M通訊以及工業IoT相關應用。
TI的OMAP系列採用傳統ARM7/ARM9與Cortex-A系列的核心，為其在一般應用處理器(AP)打下不少多媒體應用市場，至於在Cortex-M MCU產品，則主打工業、建築、家庭自動化等應用領域。其F28M3x (M3)與TM4C12x (M4) 整合物聯網與工業級專用的通訊協定，主攻控制與自動化應用領域。而MSP432 (M4)系列為MSP430的ARM低耗/高效版，適合應用在無線感測網路(WSN)的資料採集領域。
至於其他廠商的部分，像Toshiba的TX00 (M0)、TX03 (M3)、TX04 (M4)與TX09 (早期ARM9架構)，主打各種工業與電腦週邊應用。Nuvoton (新唐)的Cortex-M0家族，涵蓋NUC1xx/2xx、Nano1xx系列，主打工控、低耗、USB應用、車載應用。而Cortex-M4家族的M451、NUC442/472系列，則主打各種IoT相關應用。
至於Holtek(盛群)的HT32F家族，包含10多種MCU (Cortex-M3)，可當做一般用途的MCU，其HT32F1755/1765/2755可應用在白色家電控制、電源監控、警報系統、消費性電子、手持裝置、資料日誌應用、馬達控制、指紋辨識等應用。
