mcu未來(lái)發(fā)展方向及前景

Texas Instruments（TI）日前宣布推出新的高性能微控制器（MCU）產(chǎn)品系列Sitara? AM2x，用于工業(yè)應(yīng)用中的實(shí)時(shí)控制，網(wǎng)絡(luò)和邊緣的分析應(yīng)用。新的Sitara AM2x MCU，相較于傳統(tǒng)基于閃存的MCU，其計(jì)算能力提高10倍，因此可縮小MCU和MPU之間的差距，以滿足對(duì)工業(yè)自動(dòng)化、汽車系統(tǒng)、能源管理等應(yīng)用的智能分析，高級(jí)網(wǎng)絡(luò)和實(shí)時(shí)控制的需求。

MCU還有什么發(fā)展?jié)摿Γ?br />
“工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的終端設(shè)備有非常多的形態(tài)，對(duì)于電子控制系統(tǒng)的要求不同，有些需要簡(jiǎn)單控制，有些需要復(fù)雜控制。但無(wú)論如何，高性能、實(shí)時(shí)性、高集成和易用性是未來(lái)高性能工業(yè)應(yīng)用所必需的?！盩I中國(guó)區(qū)嵌入式與DLP?應(yīng)用技術(shù)總監(jiān)師英表示。

TI應(yīng)用工程師Sahin Okur和系統(tǒng)工程經(jīng)理Arnon Friedmann在白皮書《借助 Sitara AM2x MCU革新實(shí)時(shí)控制、網(wǎng)絡(luò)和分析性能》中，詳細(xì)闡述了目前工業(yè)4.0技術(shù)革命時(shí)代，對(duì)于MCU的要求正在進(jìn)行著革新，具體包括如下三個(gè)方面：

實(shí)時(shí)控制

由于系統(tǒng)對(duì)時(shí)間的要求很嚴(yán)格，因此在進(jìn)行實(shí)時(shí)控制時(shí)，系統(tǒng)需具有原始數(shù)據(jù)處理能力，并能在要求的精確時(shí)間內(nèi)控制信號(hào)。對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行精確控制非常關(guān)鍵，該過(guò)程可利用改進(jìn)的控制算法來(lái)提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的可靠性和電動(dòng)汽車的效率。因此，上述改進(jìn)算法的處理需求已經(jīng)超出了傳統(tǒng) MCU 的功能范疇。

工業(yè)聯(lián)網(wǎng)

工廠需要進(jìn)行不同類型的數(shù)據(jù)交換，因此必須快速采用多種工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，從而支持在各機(jī)器之間進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。只有實(shí)現(xiàn)這種連接，才能提高系統(tǒng)性能、安全性和可靠性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員正在尋求這樣的集成網(wǎng)絡(luò)解決方案：不僅兼容多種不同的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，而且工作速率高達(dá) 1Gbps。

邊緣分析

正如系統(tǒng)級(jí)連接可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信一樣，機(jī)器學(xué)習(xí)算法的改進(jìn)可促進(jìn)局部?jī)?yōu)化，即每個(gè)機(jī)器或節(jié)點(diǎn)無(wú)須等待集中式?jīng)Q策即可執(zhí)行操作。邊緣處理可顯著縮短響應(yīng)時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)更好、更安全的人機(jī)協(xié)作。

傳統(tǒng) MCU 的功能已經(jīng)無(wú)法滿足工廠對(duì)更高性能的需求。也正如此，各個(gè)廠商都在MPU上下大力度，推出更多高性能處理器，但對(duì)于眾多工業(yè)應(yīng)用中，MCU的功能依然不可或缺。

正如一個(gè)鏈條的堅(jiān)固程度取決于其最薄弱的環(huán)節(jié)，模數(shù)轉(zhuǎn)換的可靠性也不例外，但在這一鏈條中，MCU 是經(jīng)常被忽視的元素。在電機(jī)控制和機(jī)器人等許多工廠系統(tǒng)中，這種名不見(jiàn)經(jīng)傳的處理器監(jiān)督著模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換過(guò)程，但是，人們的高性能計(jì)算和控制需求對(duì)處理器的功能提出了更多要求。

MCU+MPU= Sitara AM2x

師英表示，Sitara AM2x系列產(chǎn)品兼具M(jìn)PU的高性能和MCU的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易性，是不同功能和外設(shè)的結(jié)合。

師英具體解釋道：“Sitara AM2x結(jié)合了MPU通常具備的高性能ARM Cortex-R系列CPU內(nèi)核，高性能的RAM以及高速的信號(hào)處理，同時(shí)提供了高速實(shí)時(shí)工業(yè)通信總線接口，并且結(jié)合了MCU中的安全功能及實(shí)時(shí)外設(shè)?！?/p>

高性能處理，硬件加速器，外圍設(shè)備集成和片上安全性是AM2x系列的重要革新，師英則分別給予了解讀。

高性能處理

師英介紹道，AM2x系列包括4個(gè)800MHz的Cortex R5F內(nèi)核，以及一個(gè)400MHz的Cortex M4負(fù)責(zé)控制部分，總共可提供6400 DMIPS的計(jì)算能力，AM2x采用了16nm FinFET工藝，功耗不足1W，因此十分適合工業(yè)等苛刻環(huán)境中。展望未來(lái)，TI預(yù)計(jì)R5F的內(nèi)核頻率可提升至1GHz。

該器件的多核架構(gòu)還支持在多個(gè)不同的內(nèi)核之間擴(kuò)展運(yùn)算，從而簡(jiǎn)化不同功能以不同時(shí)間間隔運(yùn)行的軟件調(diào)度。例如，將實(shí)時(shí)控制與網(wǎng)絡(luò)分離可降低給定內(nèi)核的中斷次數(shù)，還可更輕松地對(duì)所有操作進(jìn)行精密控制。

除了處理內(nèi)核之外，在存儲(chǔ)技術(shù)上AM2X也采用了諸多MPU的特長(zhǎng)。集成具有 SECDED ECC 的高達(dá) 2MB 片上 RAM (OCSRAM)，并且可按照256KB的增量分成更小的存儲(chǔ)器組，最多達(dá) 8 個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器組，每個(gè)存儲(chǔ)器組可分配給一個(gè)內(nèi)核以簡(jiǎn)化軟件任務(wù)。同時(shí)該MCU還額外支持LPDDR4和DDR4，使其可以實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)讀取與更高的吞吐率。

TI Sitara產(chǎn)品線經(jīng)理Mike Pienovi表示：“我們的客戶應(yīng)用持續(xù)增長(zhǎng)，并具有更多的復(fù)雜度，他們需要在邊緣處得到更多的算力?！?br />
硬件加速

網(wǎng)絡(luò)已成為下一代智能工廠的關(guān)鍵要素，但隨著當(dāng)前使用多種標(biāo)準(zhǔn)以及 1Gbps 網(wǎng)絡(luò)的推進(jìn)而變得復(fù)雜化。集成的可編程網(wǎng)絡(luò)加速模塊可以幫助實(shí)現(xiàn)支持多協(xié)議的廣泛工業(yè)網(wǎng)絡(luò)方案。傳統(tǒng) MCU 不能與上述多種協(xié)議進(jìn)行互操作，因此設(shè)計(jì)人員必須使用外部通信設(shè)備，這使得設(shè)計(jì)的成本和功耗增加。

Sitara AM2x MCU 集成了 TI 的 PRU-ICSS-Gb，這是一款可編程的靈活、千兆位網(wǎng)絡(luò)引擎，對(duì)于一般MCU來(lái)講，支持千兆以太網(wǎng)的不多，最多也就是支持到百兆水平，而AM2x的千兆以太網(wǎng)，可滿足TSN協(xié)議的通信需求。

PRU是 32-bit Load/Store RISC 架構(gòu)小端處理器，每個(gè) PRU 有 32 個(gè)通用寄存器 R0～R31，4K byte 指令RAM，512 byte 數(shù)據(jù) RAM。PRU 沒(méi)有 Cache、指令流水線及乘法指令，因此執(zhí)行速度可以更快。

通過(guò)PRU，包括PROFINET? IRT、以太網(wǎng)/Internet Protocol?、EtherCAT? 和 IO-Link等協(xié)議，AM2X都可以提供相應(yīng)的開(kāi)箱即用型方案，無(wú)需額外器件，也無(wú)需授權(quán)費(fèi)用，即可輕松實(shí)現(xiàn)工廠連接。

師英表示，AM2x可以提供從物理層的千兆以太網(wǎng)接口，到協(xié)議層以及軟件等全方位支持，客戶無(wú)需再使用可編程邏輯控制器或遠(yuǎn)程I / O，將這些協(xié)議執(zhí)行從FPGA遷移至開(kāi)箱即用的MCU中，可以最大幅度簡(jiǎn)化客戶實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的方式。

除了支持網(wǎng)絡(luò)物理層之外，PRU還可實(shí)現(xiàn)馬達(dá)控制等處理功能，進(jìn)一步增加了AM2x系列的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是針對(duì)連接有更嚴(yán)苛要求的場(chǎng)景。

“通過(guò)這些硬件加速器，可以將更高帶寬或計(jì)算密集型應(yīng)用程序移植到專門的核心，以減少功耗、PCB面積以及總系統(tǒng)成本?！盡ike說(shuō)道。

外圍設(shè)備集成

高級(jí)模擬集成是 Sitara AM2x MCU 架構(gòu)的另一個(gè)重要方面，可提供高分辨率脈寬調(diào)制器 (PWM) 和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 等專用的模擬和控制外設(shè)。這些外設(shè)對(duì)于實(shí)現(xiàn)性能提升（如提高電機(jī)穩(wěn)定性或能效）至關(guān)重要。與 TI 其他采用單個(gè)集成解決方案的產(chǎn)品相比，全新的產(chǎn)品系列采用了先進(jìn)的模擬設(shè)計(jì)。集成上述特性可簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減少對(duì)其他元件的需求，降低成本并加速產(chǎn)品上市時(shí)間。集成的 ADC 和 PWM 可提高整體控制精度并降低延遲，從而實(shí)現(xiàn)低至 3μs 的控制周期時(shí)間。

片上安全性

作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)，安全性是一切實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，AM2X提供了各種功能安全和信息安全的防護(hù)措施，從而保證系統(tǒng)負(fù)荷IEC 61508工業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)，或者汽車領(lǐng)域的ISO26262標(biāo)準(zhǔn)。

針對(duì)信息安全，AM2X提供了可編程安全密鑰和靈活的防火墻配置，集成用于密鑰和安全管理的安全協(xié)處理器，支持包括AES、MD5、SHA2等常用的加密算法，并且由于采用Cortex R5，因此也支持基于Arm TrustZone的可信執(zhí)行環(huán)境。

針對(duì)功能安全方面，具有專用存儲(chǔ)器、接口和 M4FSS 的 MCU 域，能夠與具有防止干擾 (FFI) 功能的更大SoC隔離。開(kāi)發(fā)人員不僅能將集成的 M4F 內(nèi)核用作系統(tǒng)看門狗，還能在不間斷運(yùn)行的情況下對(duì)器件的其余部分進(jìn)行預(yù)設(shè)。網(wǎng)絡(luò)外設(shè)還可獨(dú)立于主 Arm Cortex R5F 處理器運(yùn)行。

總結(jié)

對(duì)于設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)控制和邊緣系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員而言，在不增加復(fù)雜性的情況下打破性能界限是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。Sitara AM2x MCU 系列打破了上述性能界限?！癆M2x不僅是實(shí)時(shí)高速的MCU，更是TI嵌入式產(chǎn)品系列的一部分。既滿足工業(yè)4.0對(duì)于高性能的需求，同時(shí)也兼顧了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的易用性及高性價(jià)比?！睅熡⒖偨Y(jié)道。目前AM2x只推出了三款產(chǎn)品，但未來(lái)還會(huì)陸續(xù)補(bǔ)充，更優(yōu)化的滿足市場(chǎng)需求。

為了簡(jiǎn)化工程師的開(kāi)發(fā)，TI完善了包括開(kāi)發(fā)套件、開(kāi)發(fā)環(huán)境、SDK、操作系統(tǒng)等相關(guān)生態(tài)。同時(shí)，TI也推出了全新的MCU+ Academy，工程師可自己定義學(xué)習(xí)的課程，來(lái)完成對(duì)于處理器以及它配套的工具和SDK的學(xué)習(xí)。

實(shí)際上，TI不止在模擬領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)，在嵌入式處理器領(lǐng)域，TI同樣是領(lǐng)導(dǎo)者之一。根據(jù)TI 2020年財(cái)報(bào)，該部門業(yè)務(wù)營(yíng)收為25.7億美元。TI的嵌入式處理器主要面向工業(yè)和汽車領(lǐng)域，涵蓋從簡(jiǎn)單低成本 MCU 到高性能專用處理器的各種產(chǎn)品。MCU包括了基于Arm的MCU、低功耗MCU MSP430、實(shí)時(shí)控制MCU C2000以及無(wú)線MCU，而在處理器方面則包括了基于Arm的MPU以及DSP等。通過(guò)豐富的處理器種類，可更好地滿足工業(yè)和汽車領(lǐng)域客戶的個(gè)性化需求，包括功耗、集成度、算力、聯(lián)網(wǎng)能力、安全性、成本等不同指標(biāo)。
責(zé)任編輯：彭菁