想要在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）市場占據(jù)一席之地，原始設(shè)備制造商（OEM）必須加快創(chuàng)新的步伐。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用讓一切變得無限可能，成功的企業(yè)會敦促其開發(fā)人員不斷拓展和采取新的、更實(shí)用的方法來發(fā)揮傳感器的功能，監(jiān)測不同類型的數(shù)據(jù)，掌控整個(gè)設(shè)備的生態(tài)系統(tǒng)。
物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用覆蓋廣泛，包括可穿戴設(shè)備、汽車、住宅、工業(yè)、乃至城市等眾多領(lǐng)域。這些應(yīng)用需要更加高效節(jié)能的、創(chuàng)新的、安全的體系作為支持。應(yīng)用程序十分重要，旨在實(shí)現(xiàn)軟件開發(fā)的直觀性和易用性。
微控制器（MCU）作為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的核心，選擇合適的 MCU 是滿足客戶當(dāng)前和未來需求的關(guān)鍵。本文將探討當(dāng)今不斷增強(qiáng)的嵌入式 MCU 的豐富功能，MCU 在加速設(shè)計(jì)的同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新應(yīng)用。在第一部分，我們會介紹到先進(jìn)的工藝技術(shù)、低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)、多核系統(tǒng)的功耗問題、多核間的通訊、串行存儲器接口以及系統(tǒng)安全性。
物聯(lián)網(wǎng)市場（增長最快的引擎）：
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷改變我們的日常工作和生活方式，使我們的生活更加經(jīng)濟(jì)、便捷、舒適和智能化。物聯(lián)網(wǎng)市場可以大致分為兩大類：消費(fèi)型物聯(lián)網(wǎng)和企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。
消費(fèi)型物聯(lián)網(wǎng)包括住宅、生活方式、健康和出行。個(gè)人用戶可以通過這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備產(chǎn)品提高其生產(chǎn)力、安全性和生活質(zhì)量。從智能住宅到聯(lián)網(wǎng)汽車，消費(fèi)者市場正在為下一波浪潮做好準(zhǔn)備。
圖1：消費(fèi)型物聯(lián)網(wǎng)市場細(xì)分
企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的覆蓋范圍巨大，包括零售、醫(yī)療、能源、出行、城市、制造業(yè)和公共服務(wù)。企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)細(xì)分市場會改變組織和社區(qū)，從而創(chuàng)造一個(gè)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長的新時(shí)代。物聯(lián)網(wǎng)通過連接數(shù)據(jù)、人員和機(jī)器來提高生產(chǎn)力、生產(chǎn)效率以及日常運(yùn)營水平。企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)也可以作為幫助企業(yè)識別未開發(fā)領(lǐng)域新增長機(jī)會的工具。
圖2：企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)市場細(xì)分
工藝技術(shù)（尺寸 — 十分重要）：制造 MCU 的工藝技術(shù)對于其本身的性能、低功耗和成本而言至關(guān)重要。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要高效的有源功耗和低功耗模式消耗來提高系統(tǒng)的整體功效。隨著制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，促使硅核心面積不斷縮小。同一塊硅片上可以制造出更多的 MCU，從而降低了芯片的整體成本，性能和功耗也因此直接受到影響。尺寸的縮小減少了開啟／關(guān)閉每個(gè)晶體管所需的電流，同時(shí)保證了時(shí)鐘頻率不變。因此，更小的芯片意味著具備更高的的最大時(shí)鐘頻率，可以在較低的功耗下實(shí)現(xiàn)更高的性能。
例如，用于制造賽普拉斯半導(dǎo)體 PSoC 6 BLE 系列 MCU 的 40 納米工藝技術(shù)，為各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了高性能，且高效節(jié)能的解決方案。深度睡眠時(shí)的電流僅為幾微安，且能夠完全保留RAM數(shù)據(jù)。運(yùn)行、睡眠、低功耗運(yùn)行和低功耗睡眠等其他功耗模式，助力開發(fā)人員能夠在靈活地優(yōu)化系統(tǒng)功耗的同時(shí)根據(jù)需求保持應(yīng)用的高性能。
圖3：用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的低功耗 MCU 框圖
功率（至關(guān)重要）：設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時(shí)所面臨的一大挑戰(zhàn)是高能耗。大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備處于實(shí)時(shí)在線、小體積，這意味著自身電池容量非常有限。MCU 供應(yīng)商在優(yōu)化其在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用時(shí)需要考慮諸多因素，比如：
改進(jìn)工藝技術(shù)
提供高度靈活的功耗模式
實(shí)現(xiàn)功耗優(yōu)化過的硬件 IP 模塊
更高的集成度以減少組件數(shù)量
優(yōu)化閃存頻率
啟用高速緩存
支持更大范圍的工作電壓
然而，在工藝技術(shù)縮小體積、提高性能、改進(jìn)功耗和集成度的同時(shí)，也出現(xiàn)了電流泄漏的管理問題，尤其是在低功耗模式下。為了應(yīng)對電流泄漏問題的挑戰(zhàn)，MCU 供應(yīng)商采用了特殊的晶體管工藝技術(shù)，如多柵器件、高壓晶體管／邏輯／電路、專門設(shè)計(jì)的存儲單元以及其多方面的技術(shù)。
靈活的功耗模式能夠促使開發(fā)人員安排獨(dú)立系統(tǒng)活動(dòng)，從而優(yōu)化整體功耗。提供多種可以在低功耗模式下運(yùn)行且可以在不喚醒 CPU 的情況下被喚醒執(zhí)行其功能的外設(shè)，是這方面的關(guān)鍵技術(shù)。一些 MCU 還提供外圍設(shè)備，只能執(zhí)行有限功能的特殊低功耗工作模式（例如較低的工作頻率和電壓）以進(jìn)一步優(yōu)化應(yīng)用功耗，甚至可以設(shè)計(jì)優(yōu)化功耗的特定外設(shè)，即BLE 無線電可以采用支持低功率無線通訊的設(shè)計(jì)。
影響功耗的另一個(gè)因素是非易失性（NV）內(nèi)存訪問，尤其是使用閃存（NV存儲器）存儲固件代碼的 MCU。閃存訪問的任何優(yōu)化都會大大降低功耗，其目標(biāo)是盡量減少閃存訪問的頻率。這里使用了兩種常用的技術(shù)，其中一種是提供一個(gè)高速緩沖存儲器。這樣，實(shí)際的代碼存儲器（閃存）就無需在每個(gè)執(zhí)行周期都被訪問。另一種方法是增加一個(gè)周期內(nèi)獲取的數(shù)據(jù)量，通過使用范圍更廣的閃存訪問降低閃存的訪問頻率。
基于物聯(lián)網(wǎng)的 MCU 也可以提供靈活的電源系統(tǒng)。在支持寬電源電壓范圍的情況下，MCU 可以由多個(gè)電源供電。例如像健身跟蹤器這類簡單的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，可以由紐扣電池來供電，而智能手表這類復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用則需要由 PMIC （電源管理集成電路）供電。另外，一些 MCU 通過其內(nèi)部的降壓轉(zhuǎn)換器來有效地調(diào)節(jié)自身電源。
在考慮 MCU 的功耗模式時(shí)，超越其基本架構(gòu)十分重要。例如，標(biāo)準(zhǔn) ARM CPU 內(nèi)核支持運(yùn)行、睡眠和深度睡眠。附加功耗模式通常由特定的 MCU 供應(yīng)商添加。例如，賽普拉斯的 PSoC 6 BLE MCU可執(zhí)行包括，低功耗運(yùn)行、低功耗睡眠和休眠狀態(tài)在內(nèi)的六種工作功耗模式。
圖4：PSoC 6 BLE MCU 的功耗模式轉(zhuǎn)換示例
多處理器 MCU（加快并行應(yīng)用程序任務(wù)的運(yùn)行速度）：基于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)功能特性的增長，其復(fù)雜性也隨之增加，而實(shí)際尺寸則越來越小。MCU 制造商的目標(biāo)是提高系統(tǒng)的性能，同時(shí)盡可能降低尺寸和減少功耗。多核 MCU 和片上系統(tǒng)（SoC）通過在單個(gè)芯片中集成更多功能和最大限度地減少芯片面積提供更高的性能。多核處理器是包含兩個(gè)或更多個(gè)獨(dú)立核心（或 CPU）的 MCU 或 SoC。這些內(nèi)核通常集成在單個(gè)芯片上，它們也可以作為一個(gè)封裝中的多個(gè)芯片。
多核 MCU 有助于提供高性能并保持小尺寸。可穿戴設(shè)備等典型的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)需要多個(gè)MCU，包括：一個(gè)用于無線通信的 BLE 控制器、用于執(zhí)行用戶界面的 Touch MCU 和一個(gè)用來實(shí)現(xiàn)該應(yīng)用程序運(yùn)行的主要的 MCU。這三種 MCU 的功能可以由一個(gè)高度集成的多核 MCU 提供。
多核 MCU 可帶來許多其他益處。例如，它可以集成足夠的資源使 CPU 能夠并行處理密集型任務(wù)，從而充分發(fā)揮多任務(wù)處理的效率。這也使開發(fā)人員可以有效地將系統(tǒng)事件分配給特定的內(nèi)核，從而達(dá)到功耗和性能目標(biāo)。再比如，在雙核可穿戴設(shè)計(jì)中，可以將需要較少 CPU 干預(yù)的周期性功能（例如無線廣播和觸摸感應(yīng)）分配給一個(gè)內(nèi)核。其他“頻繁接觸”的功能，如需要 CPU 頻繁干預(yù)的傳感器融合等，可以分配給另一個(gè)內(nèi)核。當(dāng)在系統(tǒng)中運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用程序時(shí)，這種分區(qū)縮短了延遲時(shí)間。通過整合協(xié)議棧和程序存儲器的集成還可以提高效率。
圖5：物聯(lián)網(wǎng)多核 MCU 示例
圖6表示的是一個(gè)多核 MCU — 賽普拉斯 MCU PSoC 6 BLE。該雙核 MCU 具有兩個(gè)32位 ARM Cortex CPU — Cortex－M4 和 Cortex－M0＋。這兩個(gè) CPU 都是具備一個(gè)32位的數(shù)據(jù)路徑、寄存器和存儲器接口的32位處理器。Cortex－M4是專為實(shí)現(xiàn)短中斷響應(yīng)時(shí)間、高代碼密度和高32位吞吐量同時(shí)保證嚴(yán)格的成本和功耗預(yù)算而設(shè)計(jì)的主 CPU。Cortex－M0＋ 作為輔助 CPU，用于提供網(wǎng)絡(luò)安全、物理安全和保護(hù)功能。Cortex CPU 執(zhí)行 Thumb指令集的一個(gè)子集，并具有兩種被稱為線程模式和處理者模式的操作模式。這些 CPU 在退出復(fù)位并執(zhí)行應(yīng)用程序軟件時(shí)會進(jìn)入線程模式。為了處理異常情況，CPU 會進(jìn)入處理者模式。當(dāng)所有異常處理完成后，CPU 返回到線程模式。
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