高效能MCU促進(jìn)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）突破傳統既有的功能限制，以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制、網(wǎng)絡(luò )和分析的需求，協(xié)助設計工程師應對當前和未來(lái)系統挑戰。
自動(dòng)化工廠(chǎng)和智能型汽車(chē)的進(jìn)步需要更先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò )功能、實(shí)時(shí)處理、邊緣分析和馬達控制拓撲。這些實(shí)例說(shuō)明了高效能微控制器（MCU）能符合產(chǎn)業(yè)快速進(jìn)步的需求，而這種微控制器也超越了傳統MCU，可以提供類(lèi)似處理器的功能。本文介紹五種高效能SitaraTM AM2x MCU協(xié)助設計工程師應對當前和未來(lái)系統挑戰的方式，如圖1所示。

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

實(shí)現優(yōu)化性能
近期的MCU在內存大小、模擬功能整合和低功耗方面都有明顯的進(jìn)步。但在許多應用中，快速處理大量實(shí)時(shí)控制和傳感器數據的能力同樣重要。在自動(dòng)化工廠(chǎng)中，可程序化邏輯控制器（PLC）和機器人馬達控制系統的處理要求，已經(jīng)從每核心大約100 MHz提高到400 MHz以上，而且在未來(lái)三到五年間可能達到1 GHz以上。

當面對下列要求時(shí)，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)機臺和中央數據系統會(huì )透過(guò)各種協(xié)議分享大量數據。
? 透過(guò)邊緣分析進(jìn)行預測性維修，維持工廠(chǎng)穩定運轉。

Sitara AM2x MCU透過(guò)提高每個(gè)MCU的內核時(shí)鐘，以及在同一芯片上整合多個(gè)MCU核心，實(shí)現更好的性能要求。AM2434具備四個(gè)各自以800 MHz運作的核心，與傳統MCU相比，它能在工廠(chǎng)進(jìn)行更快、更復雜的數據處理，及更低延遲的控制和高速通訊。舉例來(lái)說(shuō)，如果能更快、更平穩地控制機械手臂，就能提高運作安全、生產(chǎn)效率、質(zhì)量和產(chǎn)能。

改善實(shí)時(shí)運作與分析
高性能MCU在現代工廠(chǎng)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，仿真世界和數字世界之間的聯(lián)系也取決于其最薄弱的環(huán)節，在該鏈中，MCU是一個(gè)經(jīng)常被忽視的元素。
隨著(zhù)現代化工廠(chǎng)的自動(dòng)化程度提高，對于實(shí)時(shí)數據分析和控制的需求也與日俱增。許多傳統系統藉由多個(gè)MCU分別處理不同的功能。高效能MCU，尤其是具有多核架構的MCU，可以透過(guò)在單一設備上管理數據處理和實(shí)時(shí)控制功能，實(shí)現高度整合的系統。
Sitara AM2x MCU整合了快速數據采集功能和精確的實(shí)時(shí)控制接口設備，能夠高速輸入和處理數據。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(guò)整合音頻、電流和位置感測接口，提高機器人與人類(lèi)合作的安全性；或透過(guò)一顆整合音訊輸入、聲音辨識和分類(lèi)的MCU，能夠提高建筑物安全系統中的邊緣智能。高效能MCU透過(guò)在單一芯片上實(shí)現多種處理能力，不僅讓工業(yè)系統變得更聰明，更易于設計，也讓價(jià)格變得更實(shí)惠。

簡(jiǎn)化設計，實(shí)現軟件重復使用
界定MCU的特征，包括簡(jiǎn)單的系統設計和軟件開(kāi)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(huì )改變。
藉由Sitara AM2x MCU，工程師可體驗到：
? 簡(jiǎn)單的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境和工具（例如基于實(shí)時(shí)操作系統的軟件），支持跨平臺重復使用，從而減少開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。
? 高效率的實(shí)時(shí)任務(wù)管理和更簡(jiǎn)單的電源管理架構，可實(shí)現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存（RAM）。

 
圖2 : Sitara AM2x MCU系列?AM2434方塊圖（source：TI）
實(shí)時(shí)感測和反應應用（例如PLC）必須處理時(shí)間限制，以確保安全和連續運作。這代表系統需要針對在最壞情況下的時(shí)序進(jìn)行設計。提供簡(jiǎn)單易用的軟件，可協(xié)助快速有效地設計此類(lèi)系統。

透過(guò)靈活的內存配置實(shí)現系統成本優(yōu)化
傳統MCU具有內建非揮發(fā)性?xún)却?，例如閃存。但是隨著(zhù)自動(dòng)化工廠(chǎng)到自動(dòng)駕駛等應用范圍的數據處理需求不斷增加，內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：
? 在系統需要實(shí)時(shí)寫(xiě)入內存的情況下，只能完全依賴(lài)閃存速度和性能。
? 受限于非揮發(fā)性?xún)却?，無(wú)法支持更先進(jìn)的制程節點(diǎn)，例如16 nm。
改用外部非揮發(fā)性?xún)却婕軜嫼?，MCU工程師可以從中取得更好的靈活性。藉由高效能MCU，無(wú)需更換MCU或重新設計電路板，即可滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的內存需求，從而實(shí)現更靈活的設計并降低開(kāi)發(fā)成本。AM2x的大型內建RAM和簡(jiǎn)單的軟件架構解決了外部?jì)却娴难舆t和性能問(wèn)題。

提升電源效率
傳統MCU以低功耗著(zhù)稱(chēng)，因此隨著(zhù)應用轉換成高效能MCU，降低功耗變得十分重要。電源效率凸顯了設計師重視的兩個(gè)面向：
? 每瓦性能（有效功耗效率）：超過(guò)2 W至3 W的散熱增加通常會(huì )導致傳統MCU系統的成本、重量和板上配置問(wèn)題，尤其是那些需要主動(dòng)冷卻措施（例如散熱器和風(fēng)扇）的系統。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(guò)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(jìn)制程節點(diǎn)設計，其漏電流影響高于傳統MCU。設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(shí)時(shí)時(shí)鐘和輸入/輸出喚醒）方面不斷創(chuàng )新。
結論
高效能MCU使處理器級運算變得更普及，為設計人員和系統翻開(kāi)了新的一頁(yè)。隨著(zhù)應用的不斷演變和設計工程師在其系統中充分發(fā)揮高效能MCU的潛力，MCU創(chuàng )新者、產(chǎn)品設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）

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1.實(shí)時(shí)控制
因為每一奈秒都很重要，當需要實(shí)時(shí)控制的系統時(shí)，既需要原始處理能力，又需要在所需的確切時(shí)間控制訊號的能力。精確的仿真訊號控制是將改進(jìn)控制算法的收益，轉化為更可靠的馬達驅動(dòng)和更高效的電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵。這些改進(jìn)算法的處理需求已經(jīng)超過(guò)了傳統MCU的能力。
2.工業(yè)網(wǎng)絡(luò )
工廠(chǎng)對不同類(lèi)型數據交換的需求，導致了多種多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)標準的快速采用，以實(shí)現機器之間的實(shí)時(shí)通訊。這種連接已成為實(shí)現系統性能、安全性和可靠性的目標收益所必需的。系統設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
正如系統范圍內的連接支持實(shí)時(shí)通訊一樣，機器學(xué)習算法的改進(jìn)也支持本地優(yōu)化，其中每臺機器或節點(diǎn)都可以采取行動(dòng)，而無(wú)需等待集中決策。邊緣處理顯著(zhù)縮短了響應時(shí)間，從而實(shí)現人機之間更好、更安全的協(xié)作。