高效能MCU促進產(chǎn)業(yè)快速改變

本文探討如何經(jīng)由高效能微控制器（MCU）突破傳統(tǒng)既有的功能限制，以滿足實時控制、網(wǎng)絡(luò)和分析的需求，協(xié)助設(shè)計工程師應(yīng)對當前和未來系統(tǒng)挑戰(zhàn)。
自動化工廠和智能型汽車的進步需要更先進的網(wǎng)絡(luò)功能、實時處理、邊緣分析和馬達控制拓撲。這些實例說明了高效能微控制器（MCU）能符合產(chǎn)業(yè)快速進步的需求，而這種微控制器也超越了傳統(tǒng)MCU，可以提供類似處理器的功能。本文介紹五種高效能SitaraTM AM2x MCU協(xié)助設(shè)計工程師應(yīng)對當前和未來系統(tǒng)挑戰(zhàn)的方式，如圖1所示。

 
圖1 : Sitara AM2x高效能MCU的特色（source：TI）

實現(xiàn)優(yōu)化性能
近期的MCU在內(nèi)存大小、模擬功能整合和低功耗方面都有明顯的進步。但在許多應(yīng)用中，快速處理大量實時控制和傳感器數(shù)據(jù)的能力同樣重要。在自動化工廠中，可程序化邏輯控制器（PLC）和機器人馬達控制系統(tǒng)的處理要求，已經(jīng)從每核心大約100 MHz提高到400 MHz以上，而且在未來三到五年間可能達到1 GHz以上。

當面對下列要求時，更需要高效能MCU的處理能力，包括：
? 日漸增加的工業(yè)通訊，因為生產(chǎn)機臺和中央數(shù)據(jù)系統(tǒng)會透過各種協(xié)議分享大量數(shù)據(jù)。
? 透過邊緣分析進行預(yù)測性維修，維持工廠穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

Sitara AM2x MCU透過提高每個MCU的內(nèi)核時鐘，以及在同一芯片上整合多個MCU核心，實現(xiàn)更好的性能要求。AM2434具備四個各自以800 MHz運作的核心，與傳統(tǒng)MCU相比，它能在工廠進行更快、更復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，及更低延遲的控制和高速通訊。舉例來說，如果能更快、更平穩(wěn)地控制機械手臂，就能提高運作安全、生產(chǎn)效率、質(zhì)量和產(chǎn)能。

改善實時運作與分析
高性能MCU在現(xiàn)代工廠中發(fā)揮的作用?正如煉條的強度取決于其最薄弱的環(huán)節(jié)，仿真世界和數(shù)字世界之間的聯(lián)系也取決于其最薄弱的環(huán)節(jié)，在該鏈中，MCU是一個經(jīng)常被忽視的元素。
隨著現(xiàn)代化工廠的自動化程度提高，對于實時數(shù)據(jù)分析和控制的需求也與日俱增。許多傳統(tǒng)系統(tǒng)藉由多個MCU分別處理不同的功能。高效能MCU，尤其是具有多核架構(gòu)的MCU，可以透過在單一設(shè)備上管理數(shù)據(jù)處理和實時控制功能，實現(xiàn)高度整合的系統(tǒng)。
Sitara AM2x MCU整合了快速數(shù)據(jù)采集功能和精確的實時控制接口設(shè)備，能夠高速輸入和處理數(shù)據(jù)。想象一下，不需額外的MCU，就可在單一MCU上控制機械手臂馬達，透過整合音頻、電流和位置感測接口，提高機器人與人類合作的安全性；或透過一顆整合音訊輸入、聲音辨識和分類的MCU，能夠提高建筑物安全系統(tǒng)中的邊緣智能。高效能MCU透過在單一芯片上實現(xiàn)多種處理能力，不僅讓工業(yè)系統(tǒng)變得更聰明，更易于設(shè)計，也讓價格變得更實惠。

簡化設(shè)計，實現(xiàn)軟件重復(fù)使用
界定MCU的特征，包括簡單的系統(tǒng)設(shè)計和軟件開發(fā)。即使MCU性能和整合程度變得與處理器更接近，對易于使用的硬件和軟件期望依然不會改變。
藉由Sitara AM2x MCU，工程師可體驗到：
? 簡單的軟件開發(fā)環(huán)境和工具（例如基于實時操作系統(tǒng)的軟件），支持跨平臺重復(fù)使用，從而減少開發(fā)時間和成本。
? 高效率的實時任務(wù)管理和更簡單的電源管理架構(gòu)，可實現(xiàn)更具成本效益的電源管理解決方案。
? 優(yōu)化的速度和低延遲功能，歸功于整合的隨機存取內(nèi)存（RAM）。

 
圖2 : Sitara AM2x MCU系列?AM2434方塊圖（source：TI）
實時感測和反應(yīng)應(yīng)用（例如PLC）必須處理時間限制，以確保安全和連續(xù)運作。這代表系統(tǒng)需要針對在最壞情況下的時序進行設(shè)計。提供簡單易用的軟件，可協(xié)助快速有效地設(shè)計此類系統(tǒng)。

透過靈活的內(nèi)存配置實現(xiàn)系統(tǒng)成本優(yōu)化
傳統(tǒng)MCU具有內(nèi)建非揮發(fā)性內(nèi)存，例如閃存。但是隨著自動化工廠到自動駕駛等應(yīng)用范圍的數(shù)據(jù)處理需求不斷增加，內(nèi)存容量面臨到了擴充的難題。此外，對于更快速的中央處理器，產(chǎn)生下列的兩項挑戰(zhàn)：
? 在系統(tǒng)需要實時寫入內(nèi)存的情況下，只能完全依賴閃存速度和性能。
? 受限于非揮發(fā)性內(nèi)存，無法支持更先進的制程節(jié)點，例如16 nm。
改用外部非揮發(fā)性內(nèi)存架構(gòu)后，MCU工程師可以從中取得更好的靈活性。藉由高效能MCU，無需更換MCU或重新設(shè)計電路板，即可滿足不斷增長的內(nèi)存需求，從而實現(xiàn)更靈活的設(shè)計并降低開發(fā)成本。AM2x的大型內(nèi)建RAM和簡單的軟件架構(gòu)解決了外部內(nèi)存的延遲和性能問題。

提升電源效率
傳統(tǒng)MCU以低功耗著稱，因此隨著應(yīng)用轉(zhuǎn)換成高效能MCU，降低功耗變得十分重要。電源效率凸顯了設(shè)計師重視的兩個面向：
? 每瓦性能（有效功耗效率）：超過2 W至3 W的散熱增加通常會導(dǎo)致傳統(tǒng)MCU系統(tǒng)的成本、重量和板上配置問題，尤其是那些需要主動冷卻措施（例如散熱器和風(fēng)扇）的系統(tǒng)。因此，性能的提高不能與成比例的功耗并存。高效能Sitara AM2x MCU可支持超過5,000 DMIPS/W 的性能。
? 低功耗（關(guān)機）模式：MCU通常在較低工作周期的環(huán)境中運行，鑒于高效能MCU采用先進制程節(jié)點設(shè)計，其漏電流影響高于傳統(tǒng)MCU。設(shè)計人員需要在電源閘控技術(shù)和低功耗模式（例如睡眠、深度睡眠、關(guān)機、實時時鐘和輸入/輸出喚醒）方面不斷創(chuàng)新。
結(jié)論
高效能MCU使處理器級運算變得更普及，為設(shè)計人員和系統(tǒng)翻開了新的一頁。隨著應(yīng)用的不斷演變和設(shè)計工程師在其系統(tǒng)中充分發(fā)揮高效能MCU的潛力，MCU創(chuàng)新者、產(chǎn)品設(shè)計師和消費者都將能完整體驗新功能的益處。

（本文作者VC Kumar任職于德州儀器）

[延伸閱讀]工業(yè)自動化的三大關(guān)鍵技術(shù)支柱
1.實時控制
因為每一奈秒都很重要，當需要實時控制的系統(tǒng)時，既需要原始處理能力，又需要在所需的確切時間控制訊號的能力。精確的仿真訊號控制是將改進控制算法的收益，轉(zhuǎn)化為更可靠的馬達驅(qū)動和更高效的電動汽車的關(guān)鍵。這些改進算法的處理需求已經(jīng)超過了傳統(tǒng)MCU的能力。
2.工業(yè)網(wǎng)絡(luò)
工廠對不同類型數(shù)據(jù)交換的需求，導(dǎo)致了多種多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)標準的快速采用，以實現(xiàn)機器之間的實時通訊。這種連接已成為實現(xiàn)系統(tǒng)性能、安全性和可靠性的目標收益所必需的。系統(tǒng)設(shè)計人員正在尋找與許多不同協(xié)議標準兼容的網(wǎng)絡(luò)整合解決方案，并且可以高達1 Gbps的速度運行。
3.邊緣分析
正如系統(tǒng)范圍內(nèi)的連接支持實時通訊一樣，機器學(xué)習(xí)算法的改進也支持本地優(yōu)化，其中每臺機器或節(jié)點都可以采取行動，而無需等待集中決策。邊緣處理顯著縮短了響應(yīng)時間，從而實現(xiàn)人機之間更好、更安全的協(xié)作。