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C2000 传奇的过去、现在与未来

你也许在MCU圈里很难找到一款产品能像C2000如此传奇,25年来屹立不倒,曾经差点儿被公司杀掉,死里逃生后战力爆棚横扫市场。然而,产业的变化让现在的C2000再次跌宕起伏。

电子开发领域的老人,也许还记得那些摆满书架的厚厚的黄皮书(TI的DSP产品手册)。如果你没有那么老,当你学习奥本海姆的《数字信号处理》之后,肯定会接触到TI的C2000——尽管对某些人来说这门课简直就是噩梦,但当你上手过C2000电路之后,看到波形,很多数字信号上的疑惑也许突然就迎刃而解了。

C2000 传奇的过去、现在与未来

如果将C2000看作一个人,他就是你最羡慕的那种人,出身名门,家世显赫,有一个好爸爸TI——集成电路的发明者。1971年,当英特尔发明被看作微处理器先驱的4004的同时,TI发明了同样具有跨时代意义的4位MCU。1982年,TI的DSP问世。此后,TI在DSP和MCU领域协同发展,C2000系列这个结合了DSP的MCU产品从而得以问世。作为模拟及嵌入式信号链领域的主要供应商,除了模拟信号链之外,C2000完整诠释了TI对于控制信号链的整体解决方案,C2000中包括了丰富的信号采集、实时的处理、高速的计算以及准确的PWM输出。

我命由我不由天

严格意义上来说,第一代C2000的前身,可以追溯到1995年TI为硬盘驱动所开发的某款DSP。而到了1997年,第一个针对电机控制的16位专用芯片F24x DSP问世,尽管现在看来,该产品很简单,只有20MHz主频,具有10位ADC以及3相PWM,但仍然在数字电机控制市场中迅速确立了自己的地位。尤其是自动动力转向应用中,数控的无刷直流电机取代了笨重且昂贵的液压系统。2000年,3.3伏的LF240X发布,时钟频率达到40MHz,为Segway平衡代步车控制两个电机,并且也开始应用于逆变器等产品中。

超高的性能给C2000带来了“阳春白雪”的形象,在大众市场上这并不是什么好词,意味着接受度不高。公司是要逐利的,于是TI将其从DSP产品线中拿了出来,而对于当时被看作DSP公司的TI来说,这意味着边缘化。事实上,大户人家从来就不缺这一个半个孩子,生存权是要自己去争取的。大概从2003年开始,随着节能减排和工业自动化重视度提高,大家对机电产品的效率越来越关注,控制MCU迎来了绝佳的时机。

看准时机后,第二代C2000于2005年问世,首款产品是F281X MCU,将C24X内核演进至32位C28X内核,并且升级了ADC、PWM等多种外设。此时C2000的描述已经从Programmable DSP或者DSP Controller 正式变成了Controller,并且采用了MCU架构,至此C2000正式成为MCU的一员。C2000脱胎于DSP的优势开始进一步发挥,具有变频技术的马达控制和数字电源技术开始在市场上崭露头角,算法上的复杂性以及实时处理需求,都给了DSP充分发挥的空间。对于嵌入式应用来说,很多时候往往并不需要主频跑到多高性能,而是计算控制环路产生中断,给出实时的相应与刷新,这点上DSP相比MCU具有天然优势。

Piccolo(短笛)、Delfino(海豚音)和Concerto(协奏曲)这三大系列产品线,分别对应小系统、高性能应用以及双核应用,C2000包揽控制系应用的雄心由此可见。市场上当然有同类型产品,但没有一个像C2000坚持了那么长时间做这一件事。因此几年后顺理成章地,在马达控制、功率变换领域,C2000成为行业里的标杆,占据了中国中高端市场上的大壁江山。一个例子是,随着华为电源业务部门(安圣电气)出售给艾默生之后,基于华为-艾默生系的不少员工后来出来创业,诞生出一批围绕电力电子领域的创新企业,基本上都成为了C2000的用户。

随着新能源汽车、直流无刷电机、新能源与宽禁带半导体的发展,对实时控制系统提出了更多的要求,2013年C2000与时俱进,推出了第三代产品,其最高CPU性能接近1000 DMIPS,同时升级C28X内核从而支持64bit浮点计算。第三代C2000采用了65nm工艺节点,相比上一代180nm,在性能、功耗、成本等方面都有了极大进步。与此同时,第三代C2000进一步扩大差异化,通过提供不同存储空间、封装引脚的方式,进一步满足用户的细分需求。

逆风?顺风?

2010年,C2000如日中天之时,Arm推出了 Cortex-M4,加强了对于浮点计算的支持,就在媒体猜测这会对DSP造成什么影响时,2014年随着Cortex-M7高性能版的发布,给C2000为代表的DSP类型MCU带来了不小的冲击,再加之众多厂商的支持,C2000终于有了敌手,甚至一度在某些关键市场失利。

这不是一场普通的产品对产品的对决,而是两条道路的较量。Arm强调开放和生态系统,C2000则是多年实时控制领域的专业积累和总体信号链性能。无论谁赢都可以有一大堆理论依据,其实还是成王败寇。有人愿意选择成熟的市场业已证明的大厂,有人希望能在不同的供应商间自由切换,都无可厚非,就像苹果和安卓都有自己的忠粉。

时间的雕琢留下的是厚度。事实上,二十余年来,TI建立了完整的DSP生态体系,尽管无法与Arm强大的生态系统相比,但无论从底蕴积累,还是所专注的市场来说,这个生态系统仍然是稳固的。25年来,C2000得到了客户的广泛认可,产品的忠诚度非常高,相关领域的客户也早已习惯C2000的各种产品开发习惯。

而对于新入场的工程师,如果希望学习与DSP相关的数据搬运,如FIR和IIR滤波、傅里叶变换等来讲,没有比C2000更合适的了,从书籍、教程、文档、开发板的获取难易度来看,C2000的资源相比较Cortex M7来讲都更为丰富,选择面更广。

面对一部分用户的“喜新厌旧”,C2000选择的是惟有用魔法打败魔法,用创新打败创新。TI不断审视自己的产品组合,步伐明显加快,以前每隔几年推出一次新品,而现在每年都会推出多款新品。2020 年,TI推出一款新的入门级产品 F280025来应对大批量市场需求的同时,也推出了 F28388 产品,这是现有的最高性能 925MIPS 多核和 Ethercat 产品。

而作为最重要的创新之一,TI始终没有放弃对DSP内核的持续开发,TI也不止一次透露出下一代C2x系列DSP的演进蓝图。此外在C2000中,也推出了包括集成Cortex-M4以及Cortex-M7的内核,方便工程师进行连接管理,通过更大的带宽满足实时通信的要求。

各种大胆尝试,加之市场又在发生变化,C2000又像当初一样神奇地重焕青春。在可预见的未来,C2000的目标市场还将继续增长,实际结果也是有目共睹。尤其是随着全球掀起的新一轮“碳中和”“碳达峰”的能源革命浪潮下,C2000再一次登上巅峰,且这一次浪潮来得更为凶猛,C2000已经在诸多风口行业中获得了较高的市场份额。

C2000 传奇的过去、现在与未来

首先,在C2000原本就占据优势的电源市场,基站、服务器、充电桩和其他工业电源应用开始大面积替换至数字电源,而光伏/风力等新能源市场对于逆变器的需求同时大幅度的提升。而在电机市场,包括计算机数控 (CNC) 以及机械臂中广泛使用了交流驱动、BLDC、步进电机和伺服电机等先进控制系统。在HVAC应用中,变频技术逐渐成为了标配。

在汽车市场中,新一代C2000在AEC-Q100的基础上,实现了ASIL-B安全等级认证,可以满足更严苛的车规级要求。也正因此,在新能源汽车中的OBC、DC/DC电源以及牵引电机,都已广泛选择了C2000作为数字控制器。

中国元素及其他核心

回过头来看,C2000的技术升级也好,战略转向也罢,实际上始终围绕着几个核心要素及市场,有些东西是一直未改变的——开发具有超高实时性能的产品、适用于目标应用的创新系统级参考设计、先进的算法研究以及对客户的支持。

对于超高实时性能产品,并不只关注 MHz 或 MIPS,还关注总体信号链性能。例如,引入了三角函数加速器 (TMU),这是 C28 DSP 内核中的协处理器功能,可以减少 SIN() 和 COS() 的指令周期数,而无需增加 MHz,这对高级电机控制等应用非常重要。TI在比较了信号链性能与基于 ARM 的产品,发现C2000的性能比运行更高 MHz 的设备性能更好。另一个例子是,最近的电源应用开始拥抱 SiC 或 GaN。TI的高分辨率 PWM 为高开关频率而设计,并已经使用 C2000+GaN 开发了许多不同的参考设计,可实现不同的电源拓扑。通过使用可配置逻辑块 (CLB) ,可以实现有源 EMI 滤波器解决方案。

C2000 传奇的过去、现在与未来

而中国则是C2000的另一个成功密码。C2000多年来的快速发展离不开中国市场,如今C2000负责工业和汽车市场的两位产品经理都是中国人,足以见TI重构C2000的雄心中,中国是最重要的一环。TI在2021年10月新发布的C2000 F28003X系列产品,就是TI C2000产品线总经理来中国与某空调客户做深入调研,了解到客户对于性能的要求之后所定义的产品。

也许这些都可以浓缩成简单的一句话:凭借 25 年的实时控制经验,能够了解客户的问题,并找到解决这些问题的创新方法,这就是C2000在实时领域拥有的关键能力。

TI前首席科学家,DSP产品奠基人方进2012年曾说过这么一段话:

也许有人会觉得DSP作为一个产品,从一文不值到创造每年数十亿美元的价值之后又销声匿迹很奇怪。但是这确实是一个好消息的开始。它并没有销声匿迹,只是融入到了每一个数字处理系统中而已。为什么这么说呢,因为我们在IC技术中所做的努力已经允许在芯片中嵌入DSP。曾经的DSP是非常大的,而如今却小到几乎看不见。首个可编程DSP TMS32010将其裸片的四分之一用于乘法器,而现在的乘法器已变得非常小。DSP的核心理论现在也可以在嵌入式处理器世界中获得更大的发挥价值。TI正在针对特定市场的需求为我们的信号处理器进行着优化。与其说我们打造了一条DSP产品线,不如说我们打造了一条通信信号处理器、音频信号处理器、视频信号处理器、图像信号处理器和马达控制处理器的产品线,所有这些都能采用DSP的理论和硬件。

C2000 25年来的成功,以及未来雄伟的蓝图,都可以印证方进曾经的预言。

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