mcu未来发展方向及前景

Texas Instruments（TI）日前宣布推出新的高性能微控制器（MCU）产品系列Sitara™ AM2x，用于工业应用中的实时控制，网络和边缘的分析应用。新的Sitara AM2x MCU，相较于传统基于闪存的MCU，其计算能力提高10倍，因此可缩小MCU和MPU之间的差距，以满足对工业自动化、汽车系统、能源管理等应用的智能分析，高级网络和实时控制的需求。

MCU还有什么发展潜力？

“工业应用领域的终端设备有非常多的形态，对于电子控制系统的要求不同，有些需要简单控制，有些需要复杂控制。但无论如何，高性能、实时性、高集成和易用性是未来高性能工业应用所必需的。”TI中国区嵌入式与DLP®应用技术总监师英表示。

TI应用工程师Sahin Okur和系统工程经理Arnon Friedmann在白皮书《借助 Sitara AM2x MCU革新实时控制、网络和分析性能》中，详细阐述了目前工业4.0技术革命时代，对于MCU的要求正在进行着革新，具体包括如下三个方面：

实时控制

由于系统对时间的要求很严格，因此在进行实时控制时，系统需具有原始数据处理能力，并能在要求的精确时间内控制信号。对模拟信号进行精确控制非常关键，该过程可利用改进的控制算法来提高电机驱动器的可靠性和电动汽车的效率。因此，上述改进算法的处理需求已经超出了传统 MCU 的功能范畴。

工业联网

工厂需要进行不同类型的数据交换，因此必须快速采用多种工业以太网标准，从而支持在各机器之间进行实时通信。只有实现这种连接，才能提高系统性能、安全性和可靠性。系统设计人员正在寻求这样的集成网络解决方案：不仅兼容多种不同的协议标准，而且工作速率高达 1Gbps。

边缘分析

正如系统级连接可实现实时通信一样，机器学习算法的改进可促进局部优化，即每个机器或节点无须等待集中式决策即可执行操作。边缘处理可显著缩短响应时间，从而实现更好、更安全的人机协作。

传统 MCU 的功能已经无法满足工厂对更高性能的需求。也正如此，各个厂商都在MPU上下大力度，推出更多高性能处理器，但对于众多工业应用中，MCU的功能依然不可或缺。

正如一个链条的坚固程度取决于其最薄弱的环节，模数转换的可靠性也不例外，但在这一链条中，MCU 是经常被忽视的元素。在电机控制和机器人等许多工厂系统中，这种名不见经传的处理器监督着模数转换和数模转换过程，但是，人们的高性能计算和控制需求对处理器的功能提出了更多要求。

MCU+MPU= Sitara AM2x

师英表示，Sitara AM2x系列产品兼具MPU的高性能和MCU的设计简易性，是不同功能和外设的结合。

师英具体解释道：“Sitara AM2x结合了MPU通常具备的高性能ARM Cortex-R系列CPU内核，高性能的RAM以及高速的信号处理，同时提供了高速实时工业通信总线接口，并且结合了MCU中的安全功能及实时外设。”

高性能处理，硬件加速器，外围设备集成和片上安全性是AM2x系列的重要革新，师英则分别给予了解读。

高性能处理

师英介绍道，AM2x系列包括4个800MHz的Cortex R5F内核，以及一个400MHz的Cortex M4负责控制部分，总共可提供6400 DMIPS的计算能力，AM2x采用了16nm FinFET工艺，功耗不足1W，因此十分适合工业等苛刻环境中。展望未来，TI预计R5F的内核频率可提升至1GHz。

该器件的多核架构还支持在多个不同的内核之间扩展运算，从而简化不同功能以不同时间间隔运行的软件调度。例如，将实时控制与网络分离可降低给定内核的中断次数，还可更轻松地对所有操作进行精密控制。

除了处理内核之外，在存储技术上AM2X也采用了诸多MPU的特长。集成具有 SECDED ECC 的高达 2MB 片上 RAM (OCSRAM)，并且可按照256KB的增量分成更小的存储器组，最多达 8 个独立的存储器组，每个存储器组可分配给一个内核以简化软件任务。同时该MCU还额外支持LPDDR4和DDR4，使其可以实现更快的数据读取与更高的吞吐率。

TI Sitara产品线经理Mike Pienovi表示：“我们的客户应用持续增长，并具有更多的复杂度，他们需要在边缘处得到更多的算力。”

硬件加速

网络已成为下一代智能工厂的关键要素，但随着当前使用多种标准以及 1Gbps 网络的推进而变得复杂化。集成的可编程网络加速模块可以帮助实现支持多协议的广泛工业网络方案。传统 MCU 不能与上述多种协议进行互操作，因此设计人员必须使用外部通信设备，这使得设计的成本和功耗增加。

Sitara AM2x MCU 集成了 TI 的 PRU-ICSS-Gb，这是一款可编程的灵活、千兆位网络引擎，对于一般MCU来讲，支持千兆以太网的不多，最多也就是支持到百兆水平，而AM2x的千兆以太网，可满足TSN协议的通信需求。

PRU是 32-bit Load/Store RISC 架构小端处理器，每个 PRU 有 32 个通用寄存器 R0～R31，4K byte 指令RAM，512 byte 数据 RAM。PRU 没有 Cache、指令流水线及乘法指令，因此执行速度可以更快。

通过PRU，包括PROFINET® IRT、以太网/Internet Protocol™、EtherCAT® 和 IO-Link等协议，AM2X都可以提供相应的开箱即用型方案，无需额外器件，也无需授权费用，即可轻松实现工厂连接。

师英表示，AM2x可以提供从物理层的千兆以太网接口，到协议层以及软件等全方位支持，客户无需再使用可编程逻辑控制器或远程I / O，将这些协议执行从FPGA迁移至开箱即用的MCU中，可以最大幅度简化客户实现工业以太网协议的方式。

除了支持网络物理层之外，PRU还可实现马达控制等处理功能，进一步增加了AM2x系列的应用领域，尤其是针对连接有更严苛要求的场景。

“通过这些硬件加速器，可以将更高带宽或计算密集型应用程序移植到专门的核心，以减少功耗、PCB面积以及总系统成本。”Mike说道。

外围设备集成

高级模拟集成是 Sitara AM2x MCU 架构的另一个重要方面，可提供高分辨率脉宽调制器 (PWM) 和模数转换器 (ADC) 等专用的模拟和控制外设。这些外设对于实现性能提升（如提高电机稳定性或能效）至关重要。与 TI 其他采用单个集成解决方案的产品相比，全新的产品系列采用了先进的模拟设计。集成上述特性可简化系统设计，减少对其他元件的需求，降低成本并加速产品上市时间。集成的 ADC 和 PWM 可提高整体控制精度并降低延迟，从而实现低至 3µs 的控制周期时间。

片上安全性

作为工业互联网来说，安全性是一切实现的基础，AM2X提供了各种功能安全和信息安全的防护措施，从而保证系统负荷IEC 61508工业安全标准，或者汽车领域的ISO26262标准。

针对信息安全，AM2X提供了可编程安全密钥和灵活的防火墙配置，集成用于密钥和安全管理的安全协处理器，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的可信执行环境。

针对功能安全方面，具有专用存储器、接口和 M4FSS 的 MCU 域，能够与具有防止干扰 (FFI) 功能的更大SoC隔离。开发人员不仅能将集成的 M4F 内核用作系统看门狗，还能在不间断运行的情况下对器件的其余部分进行预设。网络外设还可独立于主 Arm Cortex R5F 处理器运行。

总结

对于设计实时控制和边缘系统设计人员而言，在不增加复杂性的情况下打破性能界限是一项挑战。Sitara AM2x MCU 系列打破了上述性能界限。“AM2x不仅是实时高速的MCU，更是TI嵌入式产品系列的一部分。既满足工业4.0对于高性能的需求，同时也兼顾了系统设计的易用性及高性价比。”师英总结道。目前AM2x只推出了三款产品，但未来还会陆续补充，更优化的满足市场需求。

为了简化工程师的开发，TI完善了包括开发套件、开发环境、SDK、操作系统等相关生态。同时，TI也推出了全新的MCU+ Academy，工程师可自己定义学习的课程，来完成对于处理器以及它配套的工具和SDK的学习。

实际上，TI不止在模拟领域具有优势，在嵌入式处理器领域，TI同样是领导者之一。根据TI 2020年财报，该部门业务营收为25.7亿美元。TI的嵌入式处理器主要面向工业和汽车领域，涵盖从简单低成本 MCU 到高性能专用处理器的各种产品。MCU包括了基于Arm的MCU、低功耗MCU MSP430、实时控制MCU C2000以及无线MCU，而在处理器方面则包括了基于Arm的MPU以及DSP等。通过丰富的处理器种类，可更好地满足工业和汽车领域客户的个性化需求，包括功耗、集成度、算力、联网能力、安全性、成本等不同指标。
责任编辑：彭菁