使用市面上首款基于 Arm? Cortex?-M33 的 MCU – 第 1 部分：管理功耗與性能

明確并滿足不同的需求

互連產(chǎn)品發(fā)展迅速：最初的系統(tǒng)相對簡單，最具挑戰(zhàn)性的設(shè)計需求通常也只涉及通信的某些方面；而如今，設(shè)計人員的處境卻更為艱難：各個應(yīng)用領(lǐng)域中，需求組合不斷擴(kuò)展，卻幾乎不容妥協(xié)任何方面。每種應(yīng)用都要求開發(fā)人員根據(jù)需要轉(zhuǎn)移重點，以應(yīng)對該應(yīng)用獨有的挑戰(zhàn)。不過，對更高性能和更低功耗的需求卻是大多數(shù)主流應(yīng)用領(lǐng)域的共同主題。

例如，智能工廠不僅依賴于低延時、高性能器件（用于信號處理），而且要求降低功耗，以便工廠工程師能在狹小空間中容納更多器件。消費類可穿戴設(shè)備不僅需要低功耗設(shè)計以延長電池續(xù)航時間，而且面臨著不斷增長的信號處理需求，以便能夠處理更復(fù)雜的工作負(fù)載。在各個應(yīng)用領(lǐng)域中，設(shè)計人員承受的壓力越來越大，需要更有效地響應(yīng)關(guān)于器件、網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)資產(chǎn)的漏洞的實際擔(dān)憂，使其免遭來自個別網(wǎng)絡(luò)竊賊、犯罪組織甚至國家贊助團(tuán)體的直接攻擊或高級持續(xù)性威脅。

為了滿足這些不同的需求，開發(fā)人員通常需要作出抉擇，在設(shè)計的某一方面作出妥協(xié)。他們可能會選擇犧牲應(yīng)用性能以降低功耗，使用較低性能的處理器、降低時鐘速率，或者降低處理器的占空比來支持低功耗狀態(tài)。然而，為了滿足嚴(yán)格的性能要求，他們就可能會采取相反的做法，使用更強大的處理器、更快的時鐘速率和更高的占空比，但代價則是功耗劇增。對于計算復(fù)雜度較高的應(yīng)用，他們可能會添加專用數(shù)字信號處理器 (DSP) 來加速算法執(zhí)行，但設(shè)計復(fù)雜性、成本和系統(tǒng)功耗也會相應(yīng)增加。即使功耗與性能達(dá)到了可接受的平衡，他們往往也需要接受設(shè)計成本和復(fù)雜性的增加以滿足安全要求。

盡管設(shè)計人員為滿足不同需求而心力交瘁，但對于醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)自動化系統(tǒng)、零售支付設(shè)備等關(guān)鍵應(yīng)用，用戶可接受的妥協(xié)空間越來越小，甚至拒不接受。NXP Semiconductors 的 LPC55S6x 微控制器系列器件架構(gòu)，既有通用處理器的靈活性，又有新興應(yīng)用所需的專門處理能力和安全性，從而免除設(shè)計人員的妥協(xié)之困。

功能豐富，兼有專用處理內(nèi)核

NXP Semiconductors 的單核LPC55S66和雙核LPC55S69微控制器是市面上首款基于Arm?Cortex?-M33 的通用 MCU，具有 Arm M 系列架構(gòu)典型的低延時、確定性性能。NXP 的 LPC55S6x 器件在架構(gòu)上加設(shè)了諸多增強功能，包括該公司的高性能 PowerQuad DSP 加速器、CASPER（Cryptographic Accelerator and Signaling Processing Engine with RAM，帶 RAM 的加密加速器及信號處理引擎）加密引擎以及全面安全子系統(tǒng)。除了高達(dá) 640 KB 的閃存、320 KB 的 SRAM 和 128 KB 的 ROM 外，LPC55S6x 器件還集成了大量功能元件，而這些元件通常需要用于所有深度嵌入式系統(tǒng)設(shè)計（圖 1）。

圖 1：LPC55S6x 微控制器架構(gòu)在 Arm Cortex-M33 內(nèi)核的通用處理能力基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了專門硬件模塊用于執(zhí)行信號處理、加密、安全存儲和密鑰管理，同時還提供典型嵌入式設(shè)計所需的全套外設(shè)。（圖片來源：NXP Semiconductors）

在這些功能元件中，LPC55S6x 器件配備了功能全面的定時器子系統(tǒng)、多個串行接口、安全的直接存儲器訪問 (DMA) 控制器和多達(dá) 64 個通用 I/O (GPIO) 引腳。除了這些數(shù)字子系統(tǒng)，LPC55S6x 器件還集成了 16 位多通道逐次逼近寄存器 (SAR) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、模擬比較器和溫度傳感器。此外，片上可編程邏輯單元 (PLU) 允許開發(fā)人員配置 26 個五輸入查找表 (LUT) 結(jié)構(gòu)，構(gòu)建狀態(tài)機等自定義組合邏輯或時序邏輯。開發(fā)人員可以訪問 PLU 寄存器，直接對 PLU 編程以實現(xiàn)小型邏輯電路，或使用 NXP 工具實現(xiàn)使用 Verilog 寄存器傳輸語言 (RTL) 描述的較大型邏輯電路。

為了避免訪問多個子系統(tǒng)時出現(xiàn)瓶頸問題，LPC55S6x 器件采用多層總線矩陣，以 Arm 高級微控制器總線架構(gòu) (AMBA) 的高級高性能總線 (AHB) 架構(gòu)構(gòu)建。AHB 總線矩陣提供總線主控器與外設(shè)或存儲器之間的直接連接。例如，這種方法允許 DMA 傳輸以全速運行，而不會影響處理器對存儲器的訪問性能。事實上，在眾多設(shè)計需求中，使處理器效率最大化的能力是 LPC55S6x 架構(gòu)的基礎(chǔ)。

在 LPC55S6x 架構(gòu)中，Cortex-M33 內(nèi)核提供多種功能來幫助設(shè)計人員更輕松地應(yīng)對不同的設(shè)計要求。與其他同類器件一樣，LPC55S6x 處理器支持多種低功耗模式。如果器件長時間處于非活動狀態(tài)，開發(fā)人員可以將器件置于省電模式，可以完全保留 SRAM 的內(nèi)容，但是功耗僅為 15.4 μA；或?qū)⑵骷糜谏疃仁‰娔Ｊ剑^續(xù)為 4 KB 的 SRAM 部分供電，而功耗只有大約 0.59 μA。休眠模式和深度休眠模式下，處理器關(guān)閉，但會為外設(shè)和存儲器提供不同程度的操作：休眠模式下可進(jìn)行全面操作，功耗約為 2.7 mA，而深度休眠模式會對外設(shè)使用時鐘門控，從而將功耗降至約 110 μA。

增強功能

除了低功耗模式外，LPC55S6x 架構(gòu)還通過集成功能擴(kuò)展對不同設(shè)計需求的支持，從而提高性能和安全性。Cortex-M33 主內(nèi)核內(nèi)置的集成功能包括 Arm TrustZone 安全擴(kuò)展 (SECEXT)、存儲器保護(hù)單元 (MPU)、IEEE 754 標(biāo)準(zhǔn)浮點運算單元 (FPU) 和嵌入式跟蹤宏單元 (ETM)。此外，主內(nèi)核還包含 CASPER 加密引擎和 PowerQuad 加速器，支持 DSP 和單指令多數(shù)據(jù) (SIMD) 操作。

請注意：雙核 LPC55S69 微控制器的另一個 Cortex-M33 內(nèi)核不包含這些附加功能。

對于這些集成子系統(tǒng)和架構(gòu)特性，每個特性都能提供豐富的功能，相關(guān)詳細(xì)說明遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了本文的涵蓋范疇。例如，PowerQuad DSP 加速器本身就是精密協(xié)處理器，能夠獨立完成信號處理功能，同時又可作為總線主控器訪問存儲器。

在內(nèi)部，PowerQuad 加速器將多個寄存器和接口與一組硬件引擎相結(jié)合，用于執(zhí)行關(guān)鍵信號處理功能，包括快速傅里葉變換 (FFT)、離散余弦變換 (DCT)、無限脈沖響應(yīng) (IIR)、有限脈沖響應(yīng) (FIR) 以及用于高效計算三角函數(shù)的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機 (CORDIC) 算法（圖 2）。

圖 2：NXP Semiconductors 的 LPC55S6x 微控制器系列集成了該公司的 PowerQuad 協(xié)處理器，后者使用專門引擎來加速信號處理應(yīng)用常用算法的執(zhí)行。（圖片來源：NXP Semiconductors）

借助 PowerQuad 加速器，開發(fā)人員可以執(zhí)行復(fù)雜的信號處理運算，而不會影響主機處理器響應(yīng)實時事件或完成一系列擴(kuò)展操作。主機處理器只需使用所需的信號處理函數(shù)設(shè)置 PowerQuad 寄存器，并指定來源、目標(biāo)和工作存儲區(qū)的存儲器地址。一旦調(diào)用，PowerQuad 加速器就會作為真正的協(xié)處理器運行，作為總線主控器使用 AHB 矩陣來執(zhí)行 128 位存儲器傳輸。與此同時，主機處理器可以立即返回執(zhí)行主處理任務(wù)，只需定期輪詢 PowerQuad 忙位，或簡單響應(yīng) PowerQuad 發(fā)送的完成中斷以訪問結(jié)果。

不過，對于開發(fā)人員而言，PowerQuad 操作大多是透明的。開發(fā)人員可使用標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序編程接口 (API) 來調(diào)用 Arm Cortex 微控制器軟件接口標(biāo)準(zhǔn) (CMSIS) 的 DSP 庫。NXP Semiconductors 的 MCUXpresso 軟件開發(fā)套件 (SDK) 包含支持 PowerQuad 的 NXP 版 DSP 庫。該庫通過調(diào)用 PowerQuad API 替代軟件實現(xiàn)的低級數(shù)學(xué)函數(shù)。

例如，若需計算復(fù)數(shù) FFT，開發(fā)人員使用標(biāo)準(zhǔn) CMSIS-DSP 函數(shù)arm_cfft_q31()，數(shù)據(jù)設(shè)為 Q 格式，即 32 位定點數(shù)用 1 個符號位和 31 個指數(shù)位來表示。在純軟件實現(xiàn)中，調(diào)用arm_cfft_q31()函數(shù)會相應(yīng)地調(diào)用 CMSIS DSP FFT 蝶形運算函數(shù)arm_radix4_butterfly_q31()和結(jié)束函數(shù)arm_cfft_radix4by2_q31()；計算復(fù)數(shù)逆 FFT 時則會調(diào)用相應(yīng)的反函數(shù)。

但是，若使用 NXP 的 DSP 庫和 PowerQuad，正常調(diào)用arm_cfft_q31()卻會調(diào)用PQ_TransformCFFT()，并在硬件中處理相同的計算。最終，不僅減輕了 Cortex-M33 內(nèi)核的處理負(fù)荷，而且加速了 DSP 函數(shù)的執(zhí)行（圖 3）。

圖 3：MCUXpresso 軟件開發(fā)套件可顯著加速常用 DSP 算法的執(zhí)行，同時通過直接調(diào)用 PowerQuad 加速器來替代低級 CMSIS-DSP 函數(shù)，從而保持與標(biāo)準(zhǔn) Arm CMSIS DSP 庫高級調(diào)用的兼容性。（圖片來源：NXP Semiconductors）

CASPER 加密引擎作為另一個協(xié)處理器，同樣能減輕主處理器的負(fù)擔(dān)，使其免于處理與非對稱加密算法相關(guān)的繁重計算負(fù)荷。CASPER 加密引擎執(zhí)行 Rivest-Shamir-Adleman (RSA) 算法、Diffie-Hellman 算法、橢圓曲線加密法 (ECC) 和橢圓曲線數(shù)字簽名算法 (ECDSA) 的速度是 Cortex-M33 內(nèi)核運行同類加密軟件的八倍。

為了加速對稱算法的執(zhí)行，LPC55S6x 還集成了硬件模塊以支持高級加密標(biāo)準(zhǔn) 256 位加密 (AES-256) 和安全散列算法 2 (SHA-2)。

這些硬件模塊與 CASPER 引擎的組合為開發(fā)人員提供基于硬件的支持，有利于實現(xiàn)身份驗證和數(shù)據(jù)加密常用的加密算法，滿足互連產(chǎn)品保護(hù)數(shù)據(jù)交換的需求。

正如本系列文章第 2 部分所討論，LPC55S6x 系列對安全性的支持遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了基本加密算法；該系列提供基于硬件的安全功能，可滿足全生命周期安全性的需求。

系統(tǒng)開發(fā)

借助 NXP 的LPC55S69 EVK，開發(fā)人員可以快速探索 LPC55S6x 微控制器的加密引擎、DSP 和通用處理能力。LPC55S69 EVK 旨在加速這些器件應(yīng)用的開發(fā)工作，該電路板具有雙核 LPC55S69 微控制器、NXP 的MMA8652FCR1加速計、LED、按鈕、調(diào)試接口，并支持ArduinoUNO、MikroElektronicaClick 和DigilentPMod 附加硬件等多種擴(kuò)展選項。

該電路板具有多個跳線和針座，可讓開發(fā)人員輕松設(shè)置不同的硬件配置并仔細(xì)檢測性能細(xì)節(jié)（圖 4）。例如，關(guān)注功耗的開發(fā)人員只需使用電壓表測量 P12 針座處的電壓降，便可測量 LPC55S69 的供電電流。

圖 4：NXP Semiconductors 的 LPC55S69 EVK 圍繞該公司的雙核 LPC55S69 微控制器構(gòu)建，提供多個跳線和針座，使開發(fā)人員可以輕松配置并檢測微控制器的電流消耗等性能細(xì)節(jié)。（圖片來源：NXP Semiconductors）

開發(fā)應(yīng)用時，設(shè)計人員可將該電路板與 MCUXpresso 集成開發(fā)環(huán)境 (IDE) 和 SDK 配合使用，該套件使用 PowerQuad 功能（如前所述）等 LPC55S6x 專用硬件。此外，IAR和 Keil IDE 也支持 LPC55S69-EVK。NXP 還提供免費軟件包，通過樣例代碼演示 LPC55S6x 功能使用的主要軟件設(shè)計模式。

總結(jié)

在物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)自動化、醫(yī)療系統(tǒng)、消費類設(shè)備等廣泛的應(yīng)用中，開發(fā)人員希望取得高性能、低功耗與安全性之間的平衡。如上所述，LPC55S6x 系列微控制器兼有功能強大的通用內(nèi)核與專用硬件和處理引擎，讓開發(fā)人員能夠更輕松地滿足高性能專用功能的需求，同時保持低功耗。

本系列文章第 2 部分介紹如何使用 LPC55S6x 系列來管理器件的全生命周期安全性。