運用內建加速器的低功耗MCU 打造高性能邊緣智能應用

物聯(lián)網(wǎng)的不斷擴展，推動(dòng)了新一輪大規模的智慧化升級浪潮。智慧化正在從云端向具有機器學(xué)習（ML）能力的邊緣設備轉移，這些設備能夠在本地處理傳感器數據流，與基于云的AI系統相比，延遲更低，安全性更高，提供更好的用戶(hù)隱私保護。為了將邊緣設備從單純的數據采集轉換為具有自主操作能力的邊緣智慧，開(kāi)發(fā)人員需要具有多核性能并內置加速器的新型低功耗微控制器（MCU）來(lái)執行ML任務(wù)，同時(shí)最小化功耗預算以保持節能的系統設計。
因應未來(lái)的邊緣智慧，恩智浦MCX產(chǎn)品針對廣泛的物聯(lián)網(wǎng)、邊緣ML和工業(yè)應用場(chǎng)景進(jìn)行了優(yōu)化。此平臺結合恩智浦LPC和Kinetis MCU系列的DNA，為智能互聯(lián)設備重新定義下一代通用MCU。
在MCX產(chǎn)品組合中，恩智浦MCX N高性能系列是專(zhuān)為安全、智能的邊緣應用而設計。N系列中的MCX N94x和MCX N54x MCU系列，具有高效的多核架構、內置EdgeLock安全子系統和用于實(shí)時(shí)推理的專(zhuān)用內置神經(jīng)處理單元（NPU）。MCX N94x系列適用于工業(yè)應用，具有更廣泛的模擬和馬達控制外設，而MCX N54x系列針對消費和物聯(lián)網(wǎng)應用。

150MHz的MCU能帶來(lái)什么？答案遠超想象
使用低功耗的150MHz MCU實(shí)現多任務(wù)處理性能、高級神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )和ML功能聽(tīng)起來(lái)似乎非常困難。MCX N94x和MCX N54x基于高性能雙核Arm Cortex-M33，運行頻率高達150 MHz，芯片內整合高達2MB的閃存，可配置的帶ECC檢測的RAM、智能DMA、DSP協(xié)處理器、安全子系統和恩智浦設計的一體化NPU。開(kāi)發(fā)人員可以使用這些內核和加速器的任意組合來(lái)完成具體任務(wù)，而無(wú)需提高M(jìn)CU的時(shí)鐘速度或增加功耗。


 
圖一 : MCX N94x架構

芯片內多種加速器使MCX N系列MCU能夠以低功耗預算高效地處理多個(gè)復雜任務(wù)，同時(shí)保證系統的安全性。多核心設計通過(guò)智慧、高效地將工作負載分配到模擬和數字外設，提高了系統性能并降低功耗。因此，MCU的工作電流消耗小于45μA/MHz，如果啟用實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）和保持8KB SRAM，掉電模式下消耗的電流不到2.5μA，如果在啟用RTC和8KB SRAM的深度掉電模式下，消耗的電流不到1μA。
雙核架構將功能全面的Cortex-M33內核與M33從核相結合來(lái)管理控制功能，使開(kāi)發(fā)人員能夠并行運行應用程序，或根據需要關(guān)閉單個(gè)內核來(lái)降低總體功耗。例如在物聯(lián)網(wǎng)設備的安全無(wú)線(xiàn)（OTA）更新期間，主M33內核可以處理系統安全，而第二個(gè)從核執行控制功能。
隨著(zhù)MCX N系列發(fā)布，恩智浦自主研發(fā)的NPU亮相，以實(shí)現邊緣的高性能和低功耗智能。與只使用CPU內核相比，內置NPU的ML吞吐量提高了30倍。


 
圖二 : NPU的相對加速度

如此的ML性能表現在MCU領(lǐng)域，使得TinyML在資源和功率受限的邊緣設備上展現超凡的運算力。突破性能邊界，暢想如下的應用可能，例如實(shí)現復雜的深度學(xué)習模型、為門(mén)禁控制添加人臉和語(yǔ)音識別功能、為家庭安全系統建置電池供電的玻璃破碎探測器、為馬達控制預測維護開(kāi)發(fā)振動(dòng)傳感器和設計配備生物傳感器的智能可穿戴設備等。

設計靈活安全
MCX N系列具有高精度混合信號模擬周邊，具備更強的自主性，可以減少CPU中斷并節省電力。例如ADC具備智能化設計，可以持續收集資料并在本地對儲存的數據進(jìn)行分配。MCU的兩個(gè)16位ADC都可以用作兩個(gè)單端輸入ADC（有效地用作四個(gè)ADC）或用作單個(gè)差分輸入ADC。
工業(yè)級通訊外設包括以太網(wǎng)、CAN-FD、BLDC/PMSM馬達控制支持、高速和全速USB以及內置傳感器接口（MIPI-I3C、I2C、UART和SPI）。為了提高靈活性，恩智浦的低功耗Flexcomm接口允許十個(gè)串行周邊（包括SPI、UART和I2C）任意組合。
MCX N系列內建EdgeLock安全子系統，可以安全啟動(dòng)不可變的信任根、實(shí)現硬件加速加密、主動(dòng)和被動(dòng)入侵檢測以及電壓和溫度篡改檢測。這種安全架構為現場(chǎng)更新和在線(xiàn)傳輸提供支持，并防止遠程原始設計制造商（ODM）過(guò)度生產(chǎn)。
為了簡(jiǎn)化和加速系統開(kāi)發(fā)，MCX N系列支持恩智浦的MCUXpresso軟件套件。開(kāi)發(fā)人員可以選擇使用功能全面的MCUXpresso IDE或IAR和Keil的IDE。恩智浦為驅動(dòng)程序和中間件提供大量范例，并支持一系列RTOS選項，恩智浦的合作伙伴生態(tài)體系也提供一系列兼容中間件，如此可以實(shí)現大量應用程序的快速開(kāi)發(fā)。

（本文作者CK Phua為NXP邊緣處理業(yè)務(wù)部微控制器產(chǎn)品經(jīng)理）