集MCU、DSP、FPGA于一身的多核MCU，你造吗？

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xCORE兼具MCU的逻辑操作、DSP的运算能力和FPGA的灵活引脚等能力，以往一些需要采用MCU、DSP和低端FPGA三颗芯片的方案，现在只用一颗xCORE就能搞定。

前不久，华为、博世、赛林思投资一家英国半导体公司XMOS的消息传出，引起不小关注，让业内颇为好奇的是，这家在半导体业界并不显眼的公司，为什么获得了华为和博世等的青睐？

XMOS是一家来自英国布里斯托尔市的无晶圆厂半导体公司，推出了一种称为xCORE体系架构的32位多核实时微控制器，该系列处理器具有多个时序可确定的、可并行执行任务的32位处理内核（有4、6、8、10、12、16、24、32核），单核主频最高可达200MIPS，支持诸如C和C++等高级编程语言，可使用软件准确的配置设计所需的外设接口。当然多核微控制器对于现在来说并不是让人耳目一新的产品，而让《智慧产品圈》（微信号：pieeco）笔者惊讶的是：xCORE内核兼具MCU、DSP、FPGA功能于一身！何以做到如此？我们可以从其内核架构和I/O特性得到答案。

xCORE内核深度解析

内核架构：

据木瓜电子技术支持工程师邱松晓介绍，简单来说，xCORE实质是多核的RTOS MCU架构，其中一个核的性能可相当于一个ARM Cortex M3，一个8核的XMOS MCU性能可以相当于8个Cortex M3，非常强大。xCORE目前应用最多的是8核和16核的产品，以型号为XU216的主控为例，其架构和特点如图1、图2所示：


图1：XMOS的多核架构▲


图2：XMOS内核特性▲

xCORE中多个核就像一个团队并行运行，单个核的最高运行速度可达200 MIPS，16核累加最高可达2000MIPS，而且各个核执行任务互不干扰，使用通道实现线程间的通讯，可以执行庞大的任务量。其同时具有成熟的、开源的IP核外设，如UART、SPI、IIS、ETH、CAN等，也具有DSP运算库IP，工程师可以调用此库来完成复杂运算。xCORE中每个Tile可以管理8个核，并且通过其特有的xConnect功能，可将多个XMOS芯片进行级联，对开发者而言，可看做成一个具有更多核的单芯片。

I/O特性：

XMOS的I/O具有其独特的特性，兼备FPGA和MCU的I/O特点。其具备的1bit port可用于串行的输入和输出，并且用来实现一些特别的时序操作。同时也具有多位的并行口，如4bit 、8 bit、16bit这些I/O口，这些并行I/O口用来输入输出并行数据，如外接SDRAM，TFT屏等。如上述16核的XU216就有32个1bit、12个4bit、8个8bit、4个16bit、2个32bit口。xCORE突破了常用MCU的外设限制，可像FPGA一样软件定义接口、灵活增加外设。


图3：xCORE接口定义示例▲

实时性：

xCORE还有一个不得不说的优势就是实时性非常高，传统的MCU执行中断，需要停止当前的程序运行，进行相应的入栈操作，然后执行中断程序，中断程序执行完毕后，再执行出栈工作，继续执行被打断的程序。而XMOS事件中断可以被定时器、IO口和任务来触发中断，事件一旦被触发，立即执行。并且执行触发操作的线程可继续向下执行，不被打断。在触发事件中断的处理上，显得更为实时性和低延时，在响应速度上，比传统MCU快100多倍。


图4：XMOS事件中断机制▲

总的来说，“虽然XMOS实质性是多核的MCU，但是与传统的MCU相比，又大不同。XMOS独特的xCORE体系架构，硬件的RTOS运行机制，使它具备很高的执行速度，可以使用多个核来做多个算法，所以体现出有DSP的运算能力；它可以像FPGA那样灵活的配置引脚，通过软件灵活定义硬件外设，而不像MCU那样外设已经固定。因此我们说它兼具了MCU的逻辑操作、DSP的运算能力和FPGA的灵活引脚等能力。”邱松晓说道。


图5：XMOS具MCU、DSP、FPGA功能于一身▲

而此特性带来的改变是，以往一些需要采用MCU、DSP和低端FPGA三颗芯片的方案，现在只用一个XMOS就能搞定。如图6所示，该系统中主要器件有一颗ARM Cortex M3 MCU，一颗DSP芯片和一颗CPLD可编程逻辑器件、一颗采样率转化芯片和一颗音频解码芯片。除了AD1895采样率转换芯片和CS8406音频解码芯片不能取代外，系统中的三个主控芯片可以用一颗XMOS芯片取代。这样的好处是，不仅整体方案成本可以大幅降低，而且也降低了设计复杂度，缩短了开发周期。而且，木瓜电子更是进一步做到：“现在我们的方案已经可以取代了AD1895，可以用软件实现SRC功能，这四个芯片撘起来的系统，用一个XMOS芯片就可以实现了，成本很有优势。”邱松晓说道。


图6：XMOS方案减低BOM成本和开发难度▲

说说功耗：

与高性能相随的往往是高功耗，那么xCORE的功耗会不会也很大？邱松晓表示：“概括来说，常用的8核XMOS芯片功耗在180mW～330mW，不算特别适合于智能穿戴等对功耗敏感的应用，并不算是低功耗的32位MCU。但是在传统的一些需要使用MCU、FPGA、DSP的场合，使用XMOS会显得功耗更低。”

应用方案盘点

XMOS内核性能强大、实时性非常高，外设扩展灵活，适合包括音频传输、电机控制、实时网络、麦克风阵列、USB多声道音频等对性能和实时性比较高的应用场合。目前XMOS推出有两代产品，最新的产品系列是xCORE200，在性能和价格上都比第一代xCORE有优势。

xCORE200产品可以分为L系列、U系列和Ethernet系列，其中L系列为通用系列，适合做接口扩展以及伺服电机控制方面的应用；U系列为USB系列，即在L系列的基础上集成了USB 2.0 PHY芯片，外部USB差分信号可以直接接到XMOS芯片；而Ethernet系列带有千兆以太网控制器，在U系列的基础上添加了千兆以太网控制器，但内部没有集成Ethernet PHY芯片，需要外接。Ethernet系列产品适合做需要千兆以太网的产品，如1000M带宽的AVB方案。

接下来看看采用XMOS芯片开发的典型应用方案。

USB Audio

XMOS芯片最为知名的应用莫过于USB Audio方案，包括HiFi级别的耳放、USB耳机、HiFi级音响、专业录音设备、电脑/手机外置声卡等。XMOS USB Audio在数字音频上可实现高达384khz的采样率，且可灵活实现多种音频接口，如IIS、DSD、S/PDIF和MIDI等。该方案在音频行业内得到了非常高的认可，得到包括哈曼、IFI、OPPO、索尼等国际品牌采用。


图7：XMOS USB Audio方案应用▲

XMOS USB Audio方案最新应用是USB耳机。可以看到最近不断有手机厂商新发布的手机支持Type-C接口，而且音频传输直接使用Type-C接口，以取代原有的3.5mm耳机口。实际上在Type-C之前就有耳机厂商使用USB2.0/1.0的接口设计USB耳机，主要针对的市场是USB游戏耳机和发烧级耳机，由于手机3.5mm的耳机口取消，USB耳机将会成为大众的选择，高清无损数字音频传输将会让更多消费者获得Hi-Fi级音乐享受。

XMOS为此应用最新发布了小封装、低功耗的XU208芯片，据悉已经得到不少耳机厂商的青睐。使用此方案的USB耳机可以实现高达384KHz采样率，而普通耳机一般只有44.1KHz采样频率（采样率越高，音质越好）。结合XMOS的DSP运算能力，还可以实现3D增强效果、主动降噪、多声道环绕等算法来使得USB耳机呈现更优越的音频效果。




图8：USB 耳机架构▲

XMOS USB耳机方案的硬件架构清晰简单，使用XU208作为主控来完成USB解码、数字音频传输和算法，外置的DAC实现数字模拟转化，使用2路PDM麦克风实现录音功能，按键实现相应的控制，可兼容Window、MAC和android平台。

麦克风阵列

XMOS的麦克风阵列方案以其芯片的灵活性突破了传统MCU的I/O限制，单芯片可以实现16个I2S或PDM来实现扩展高达32个麦克风的阵列，配合beam forming、噪声消除、回音消除等DSP算法来实现诸如声源定位、远场拾音等功能，为高性能的语音识别做好前端的优质处理，可适用于视频会议摄像头的定位、安防监控摄像头定位、机器人定位、家庭管家等。


图9：传统MCU麦克风方案与XMOS 麦克风方案对比图▲

与传统MCU麦克风方案相比，一个32位MCU连接麦克风通常为4个，同时需要增加DSP，加长开发流程和增加成本。而XMOS是单芯片方案，不仅具有出色的性能，同时可以缩短软硬件设计周期和降低硬件成本。

伺服电机控制

XMOS高实时性的特点，非常适合应用于多路伺服电机控制，可具备Ehercat、CAN等通信接口，并实现FOC等电机控制算法。适用于机器人、机械手、无人机等产品。例如在无人机中，四个手臂分别需要四个MCU来实现电机驱动，但是XMOS单芯片可定义24个I/O作为电机的PWM信号输出，实现4路电机驱动。


图10：XMOS伺服电机方案架构示例▲

还有很多……

当然XMOS的应用还有很多，如以太网会议系统、调音台、车载娱乐系统、直播音频传输系统等AVB方案；短信猫、车载CAN扩展、动环监测以及医疗设备、工业机器手臂等等实时性要求高、系统复杂的工业应用。“XMOS能实现的应用还有很多很多，没有做不到，只有想不到。”邱松晓说道。