集MCU、DSP、FPGA于一身的多核MCU，你造嗎？ - 全文

　　前不久，華為、博世、賽林思投資一家英國半導體公司XMOS的消息傳出，引起不小關注，讓業內頗為好奇的是，這家在半導體業界并不顯眼的公司，為什么獲得了華為和博世等的青睞？為深入了解和挖掘這家公司的技術和價值，《智慧產品圈》特地走訪了XMOS的具有較強技術實力和方案開發能力的國內代理商深圳木瓜電子科技有限公司，從XMOS核心產品及其主要應用來看看這家公司的獨具魅力之處。

　　XMOS是一家來自英國布里斯托爾市的無晶圓廠半導體公司，推出了一種稱為xCORE體系架構的32位多核實時微控制器，該系列處理器具有多個時序可確定的、可并行執行任務的32位處理內核（有4、6、8、10、12、16、24、32核），單核主頻最高可達200MIPS，支持諸如C和C++等高級編程語言，可使用軟件準確的配置設計所需的外設接口。當然多核微控制器對于現在來說并不是讓人耳目一新的產品，而讓《智慧產品圈》筆者驚訝的是：xCORE內核兼具MCU、DSP、FPGA功能于一身！何以做到如此？我們可以從其內核架構和I/O特性得到答案。

　　xCORE內核深度解析

　　內核架構：

　　據木瓜電子技術支持工程師邱松曉介紹，簡單來說，xCORE實質是多核的RTOS MCU架構，其中一個核的性能可相當于一個ARM Cortex M3，一個8核的XMOS MCU性能可以相當于8個Cortex M3，非常強大。xCORE目前應用最多的是8核和16核的產品，以型號為XU216的主控為例，其架構和特點如圖1、圖2所示：

　　xCORE中多個核就像一個團隊并行運行，單個核的最高運行速度可達200 MIPS，16核累加最高可達2000MIPS，而且各個核執行任務互不干擾，使用通道實現線程間的通訊，可以執行龐大的任務量。其同時具有成熟的、開源的IP核外設，如UART、SPI、IIS、ETH、CAN等，也具有DSP運算庫IP，工程師可以調用此庫來完成復雜運算。xCORE中每個Tile可以管理8個核，并且通過其特有的xConnect功能，可將多個XMOS芯片進行級聯，對開發者而言，可看做成一個具有更多核的單芯片。

　　I/O特性：

　　XMOS的I/O具有其獨特的特性，兼備FPGA和MCU的I/O特點。其具備的1bit port可用于串行的輸入和輸出，并且用來實現一些特別的時序操作。同時也具有多位的并行口，如4bit 、8 bit、16bit這些I/O口，這些并行I/O口用來輸入輸出并行數據，如外接SD RAM，TFT屏等。如上述16核的XU216就有32個1bit、12個4bit、8個8bit、4個16bit、2個32bit口。xCORE突破了常用MCU的外設限制，可像FPGA一樣軟件定義接口、靈活增加外設。

　　實時性：

　　xCORE還有一個不得不說的優勢就是實時性非常高，傳統的MCU執行中斷，需要停止當前的程序運行，進行相應的入棧操作，然后執行中斷程序，中斷程序執行完畢后，再執行出棧工作，繼續執行被打斷的程序。而XMOS事件中斷可以被定時器、IO口和任務來觸發中斷，事件一旦被觸發，立即執行。并且執行觸發操作的線程可繼續向下執行，不被打斷。在觸發事件中斷的處理上，顯得更為實時性和低延時，在響應速度上，比傳統MCU快100多倍。
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　　總的來說，“雖然XMOS實質性是多核的MCU，但是與傳統的MCU相比，又大不同。XMOS獨特的xCORE體系架構，硬件的RTOS運行機制，使它具備很高的執行速度，可以使用多個核來做多個算法，所以體現出有DSP的運算能力；它可以像FPGA那樣靈活的配置引腳，通過軟件靈活定義硬件外設，而不像MCU那樣外設已經固定。因此我們說它兼具了MCU的邏輯操作、DSP的運算能力和FPGA的靈活引腳等能力?！鼻袼蓵哉f道。

圖5：XMOS具MCU、DSP、FPGA功能于一身▲

　　而此特性帶來的改變是，以往一些需要采用MCU、DSP和低端FPGA三顆芯片的方案，現在只用一個XMOS就能搞定。如圖6所示，該系統中主要器件有一顆ARM Cortex M3 MCU，一顆DSP芯片和一顆CPLD可編程邏輯器件、一顆采樣率轉化芯片和一顆音頻解碼芯片。除了AD1895采樣率轉換芯片和CS8406音頻解碼芯片不能取代外，系統中的三個主控芯片可以用一顆XMOS芯片取代。這樣的好處是，不僅整體方案成本可以大幅降低，而且也降低了設計復雜度，縮短了開發周期。而且，木瓜電子更是進一步做到：“現在我們的方案已經可以取代了AD1895，可以用軟件實現SRC功能，這四個芯片撘起來的系統，用一個XMOS芯片就可以實現了，成本很有優勢。”邱松曉說道。

　　說說功耗：

　　與高性能相隨的往往是高功耗，那么xCORE的功耗會不會也很大？邱松曉表示：“概括來說，常用的8核XMOS芯片功耗在180mW～330mW，不算特別適合于智能穿戴等對功耗敏感的應用，并不算是低功耗的32位MCU。但是在傳統的一些需要使用MCU、FPGA、DSP的場合，使用XMOS會顯得功耗更低。”

　　應用方案盤點

　　XMOS內核性能強大、實時性非常高，外設擴展靈活，適合包括音頻傳輸、電機控制、實時網絡、麥克風陣列、USB多聲道音頻等對性能和實時性比較高的應用場合。目前XMOS推出有兩代產品，最新的產品系列是xCORE200，在性能和價格上都比第一代xCORE有優勢。

　　xCORE200產品可以分為L系列、U系列和Ethernet系列，其中L系列為通用系列，適合做接口擴展以及伺服電機控制方面的應用；U系列為USB系列，即在L系列的基礎上集成了USB 2.0 PHY芯片，外部USB差分信號可以直接接到XMOS芯片；而Ethernet系列帶有千兆以太網控制器，在U系列的基礎上添加了千兆以太網控制器，但內部沒有集成Ethernet PHY芯片，需要外接。Ethernet系列產品適合做需要千兆以太網的產品，如1000M帶寬的AVB方案。

　　接下來看看采用XMOS芯片開發的典型應用方案。

　　USB Audio

　　XMOS芯片最為知名的應用莫過于USB Audio方案，包括HiFi級別的耳放、USB耳機、HiFi級音響、專業錄音設備、電腦/手機外置聲卡等。XMOS USB Audio在數字音頻上可實現高達384khz的采樣率，且可靈活實現多種音頻接口，如IIS、DSD、S/PDIF和MIDI等。該方案在音頻行業內得到了非常高的認可，得到包括哈曼、IFI、OPPO、索尼等國際品牌采用。

　　XMOS USB Audio方案最新應用是USB耳機?？梢钥吹阶罱粩嘤惺謾C廠商新發布的手機支持Type-C接口，而且音頻傳輸直接使用Type-C接口，以取代原有的3.5mm耳機口。實際上在Type-C之前就有耳機廠商使用USB2.0/1.0的接口設計USB耳機，主要針對的市場是USB游戲耳機和發燒級耳機，由于手機3.5mm的耳機口取消，USB耳機將會成為大眾的選擇，高清無損數字音頻傳輸將會讓更多消費者獲得Hi-Fi級音樂享受。

　　XMOS為此應用最新發布了小封裝、低功耗的XU208芯片，據悉已經得到不少耳機廠商的青睞。使用此方案的USB耳機可以實現高達384KHz采樣率，而普通耳機一般只有44.1KHz采樣頻率（采樣率越高，音質越好）。結合XMOS的DSP運算能力，還可以實現3D增強效果、主動降噪、多聲道環繞等算法來使得USB耳機呈現更優越的音頻效果。

　　XMOS USB耳機方案的硬件架構清晰簡單，使用XU208作為主控來完成USB解碼、數字音頻傳輸和算法，外置的DAC實現數字模擬轉化，使用2路PDM麥克風實現錄音功能，按鍵實現相應的控制，可兼容Window、MAC和android平臺。

　　麥克風陣列

　　XMOS的麥克風陣列方案以其芯片的靈活性突破了傳統MCU的I/O限制，單芯片可以實現16個I2S或PDM來實現擴展高達32個麥克風的陣列，配合beam forming、噪聲消除、回音消除等DSP算法來實現諸如聲源定位、遠場拾音等功能，為高性能的語音識別做好前端的優質處理，可適用于視頻會議攝像頭的定位、安防監控攝像頭定位、機器人定位、家庭管家等。

　　與傳統MCU麥克風方案相比，一個32位MCU連接麥克風通常為4個，同時需要增加DSP，加長開發流程和增加成本。而XMOS是單芯片方案，不僅具有出色的性能，同時可以縮短軟硬件設計周期和降低硬件成本。

　　伺服電機控制

　　XMOS高實時性的特點，非常適合應用于多路伺服電機控制，可具備Ehercat、CAN等通信接口，并實現FOC等電機控制算法。適用于機器人、機械手、無人機等產品。例如在無人機中，四個手臂分別需要四個MCU來實現電機驅動，但是XMOS單芯片可定義24個I/O作為電機的PWM信號輸出，實現4路電機驅動。