Omdia高級研究分析師Chris Morris認為，“人們對工業(yè)自動化、下一代汽車、智能分析和萬物互聯(lián)的需求推升了邊緣端微控制器的性能要求——更快速、更準確。為分布式系統(tǒng)提供更先進、更高效的處理能力是實現(xiàn)工業(yè)4.0的關鍵步驟之一?！?/span>
工業(yè)自動化、下一代汽車、智能分析和萬物互聯(lián)需求正在推升對邊緣端微控制器（MCU）的性能要求。新興應用需要更高等級的系統(tǒng)集成和邊緣智能；工業(yè)和汽車系統(tǒng)要依賴精準的實時控制和決策；分布式通信和自動化趨勢需要更高的網(wǎng)絡帶寬……
傳統(tǒng)微處理器（MPU）或MCU的能力已顯得力不從心。如何讓魚與熊掌兼得，既實現(xiàn)處理，又完成控制，是業(yè)界面臨的一大挑戰(zhàn)。
MPU與MCU本不是一家人
曾幾何時，MPU與MCU就是截然不同的兩種器件，MPU是Micro Processor Unit，MCU是Mirco Controller Unit。前者是執(zhí)行“處理”功能的器件；后者主要完成“控制”相關的任務。
MPU和MCU是為滿足不同應用場景而按不同方式優(yōu)化出來的兩類器件。MPU注重通過強大的運算/處理能力執(zhí)行復雜多樣的大型程序，通常需要外掛大容量存儲器（如高性能RAM和DDR）。而MCU通常運行較為單一的任務，執(zhí)行對硬件設備的管理/控制功能，通常不需要很強的運算/處理能力，因此也不需要有大容量的存儲器來支撐大程序運行。通常以單片集成的方式在單個芯片內(nèi)部集成小容量的存儲器（如閃存）實現(xiàn)系統(tǒng)的“單片化”。
近年來，由于內(nèi)存架構(gòu)的變化，MCU和MPU之間的區(qū)別已變得越來越模糊，兩者之間是否有明確的界限也不再重要。因為，無論我們將其稱為什么，不同應用都有不同要求，最終還是要根據(jù)這些要求決定使用哪類器件。
工業(yè)自動化的三大挑戰(zhàn)
目前，全球人口已達78億，且還在不斷增加，預計到2050年將達到100億。人口增長對基本必需品的需求及舒適、安全生活的追求也在不斷增長。工業(yè)4.0和即將推出的工業(yè)5.0創(chuàng)新技術都是滿足上述需求的現(xiàn)代自動化技術。
由于工業(yè)4.0趨勢和工業(yè)自動化的大規(guī)模增長，今天的智能工廠需要更快和分布式計算、靈活的網(wǎng)絡以及更多邊緣智能。制造機器人、機械助手和互聯(lián)工廠的設計師正在增加工業(yè)通信、功能安全和預測性維護等功能，其實現(xiàn)依賴于實時計算、無處不在的網(wǎng)絡和邊緣分析的進步和融合。實現(xiàn)這些進步需要從現(xiàn)實世界到云的無縫連接，同時將技術推向多個載體，主要挑戰(zhàn)有以下三個方面。
實時控制：因為每納秒都很重要，所以實時控制系統(tǒng)需要既有原始處理能力，又有準確控制信號的能力。精確的模擬信號控制是將改進的控制算法轉(zhuǎn)化為更可靠的電機驅(qū)動和更高效的電動汽車的關鍵。這些改進算法的處理需求已經(jīng)超過了傳統(tǒng)MCU的處理能力。
工業(yè)網(wǎng)絡：工廠對不同類型數(shù)據(jù)交換的需求導致一些多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)標準的迅速采用，以實現(xiàn)機器之間的實時通信。為了實現(xiàn)系統(tǒng)性能、安全性和可靠性方面的目標收益，這種連接已成為強制性。系統(tǒng)設計人員正在尋找與許多不同協(xié)議標準兼容的集成網(wǎng)絡解決方案，且可以高達1Gbps的速度運行。
邊緣分析：正如系統(tǒng)級連接支持實時通信一樣，機器學習算法的改進也要支持局部優(yōu)化，即每臺機器或節(jié)點都可以在不等待集中決策的情況下采取行動。邊緣處理可顯著縮短響應時間，從而使人與機器之間的協(xié)作變得更順暢、更安全。
就像一個鏈條取決于它最薄弱的環(huán)節(jié)那樣，模擬世界和數(shù)字世界之間的聯(lián)系取決于這個鏈條中的一個常見元素——MCU。在許多工廠系統(tǒng)的電機控制和機器人中，處理器負責從模擬到數(shù)字再到模擬的轉(zhuǎn)變，但高性能計算和控制的需求對其能力提出了更高的要求。
為什么是MCU？
Omdia高級研究分析師Chris Morris認為，“人們對工業(yè)自動化、下一代汽車、智能分析和萬物互聯(lián)的需求推升了邊緣端微控制器的性能要求——更快速、更準確。為分布式系統(tǒng)提供更先進、更高效的處理能力是實現(xiàn)工業(yè)4.0的關鍵步驟之一?！?
目前，Arm® 處理器內(nèi)核已成為工業(yè)和汽車系統(tǒng)中高度集成、低成本MCU的行業(yè)標準，特別是基于Arm® 的32位MCU可以為用戶提供可擴展的高性能和效能的器件組合，滿足各種系統(tǒng)需求；同時帶來功能安全、能效、實時控制、先進網(wǎng)絡、分析和安全等功能。
高性能MCU的發(fā)展趨勢在于，將可擴展MCU組合與處理器級計算優(yōu)化的實時控制、網(wǎng)絡和信號處理應用融合在一起，同時具有MCU的易開發(fā)性和實時精度。
Sitara? AM2x MCU系列的發(fā)布縮小了MCU和MPU之間日益增加的性能差距，人們可以使用一種器件來解決不同的應用問題；有助于設計人員突破工廠自動化、機器人、汽車系統(tǒng)和可持續(xù)能源管理等應用領域的性能限制。
魚與熊掌何以兼得？
據(jù)德州儀器（TI）中國區(qū)嵌入式與DLP®應用技術總監(jiān)師英介紹，TI Sitara? AM2x MCU是將處理器級的計算性能與MCU的簡易設計合二為一的一種新型MCU。該組合將處理器級計算與典型MCU應用所需的精確實時控制通過簡單、高效的封裝和高級別集成結(jié)合起來，解決了傳統(tǒng)MCU的性能瓶頸，擴展了傳統(tǒng)MCU的功能，支持實時計算、邊緣分析和實時多協(xié)議網(wǎng)絡等作為工廠效率和智能核心的新功能。
從Sitara? AM2x MCU的核心構(gòu)建塊可以看出，它結(jié)合了傳統(tǒng)MCU和MPU的基本構(gòu)建塊，包括處理核心、網(wǎng)絡、模擬集成、安全和安全功能以及自定義加速。
傳統(tǒng)MPU和MCU優(yōu)化的MCU
Sitara? AM2x MCU具有多種片上功能，可幫助實時邊緣系統(tǒng)的設計者克服性能障礙，而不會增加復雜性。其第一個器件AM2434包括許多基本功能，具有4核-R5F處理子系統(tǒng)、靈活的工業(yè)網(wǎng)絡引擎（工業(yè)通信子系統(tǒng)[ICSS]）、緊密耦合的模擬外設和支持最新加密標準的安全引擎。相比于基于閃存的現(xiàn)有MCU，工程師可以利用其提高10倍的處理能力。
Sitara? AM2434 MCU框圖
看看Sitara? AM2x MCU如何為工業(yè)應用帶來開創(chuàng)性的性能？
節(jié)能處理
AM2434的第一個構(gòu)建塊有4個Arm® Cortex® -R5F低功耗MCU內(nèi)核，每個內(nèi)核工作頻率為800MHz，每秒提供最多6400條實時DMIPS，以實現(xiàn)實時控制計算能力。節(jié)能處理通過改進算法提高實時控制系統(tǒng)的性能。例如，電機控制系統(tǒng)可以提高機器人的運動精度和速度，提高生產(chǎn)率；測量振動來防止磨損和能量損失，減少工廠停機時間，或者添加異常檢測來發(fā)現(xiàn)即將發(fā)生的災難性故障。這些新特性需要大量增加計算能力，而傳統(tǒng)MCU由于較低的時鐘速度而無能為力。
Sitara? AM2x MCU架構(gòu)的核心高性能多核處理提供了性能、效率和靈活性的組合。通過靈活地從單核擴展到4核，并將時鐘速度從400MHz擴展到1GHz，可以在不影響延遲的情況下為應用添加功能。該器件的多核架構(gòu)還可以跨不同核擴展操作，簡化在不同時間間隔運行不同功能的軟件調(diào)度。例如，將實時控制與網(wǎng)絡分離，減少給定核的中斷次數(shù)，更容易保持對所有操作的精確控制。
多協(xié)議網(wǎng)絡
網(wǎng)絡已成為下一代智能工廠的關鍵需求，但由于目前使用的許多標準以及向1Gbps網(wǎng)絡推進，網(wǎng)絡變得更加復雜。傳統(tǒng)MCU無法與這些不同協(xié)議互操作，設計者不得不使用外部通信設備，從而增加了設計成本和功耗。
Sitara? AM2x MCU集成了TI的可編程、靈活的千兆網(wǎng)絡引擎ICSS。除了工業(yè)工具包軟件外，ICSS還支持工業(yè)協(xié)議（包括Profinet IRT、以太網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議、EtherCAT和IO鏈路）的開箱即用連接。這種集成無需附加設備，為工廠連接帶來了易用性。
ICSS支持各種工業(yè)協(xié)議
高級模擬集成
高級模擬集成是Sitara? AM2x MCU架構(gòu)的另一個特色，它提供專門的模擬和控制外設，如高分辨率脈寬調(diào)制器（PWM）和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。這些外設對于實現(xiàn)性能增益（如提高電機穩(wěn)定性或更高的能源效率）至關重要。新產(chǎn)品組合在單一集成解決方案中，利用TI產(chǎn)品在模擬設計方面的進步簡化了系統(tǒng)設計，減少了對附加組件的需求，降低了成本，加快了上市時間。集成的ADC和PWM提高了總體控制精度并減少了延遲，使控制周期時間低至3μs。
處理加速器
許多應用都有非常特殊的計算需求，例如，用于駕駛員輔助功能的雷達處理系統(tǒng)需要每隔幾微秒計算許多快速傅里葉變換，這將壓垮任何可編程內(nèi)核。為支持雷達處理而制造的器件需要一個專用的加速器來卸載這些計算。另一個例子是機器學習，推理機在每秒計算量方面相當繁重，也需要加速來支持。Sitara? AM2434 MCU添加自定義加速提供了超出標準MCU核能力的專用處理塊，可將這些應用中的系統(tǒng)性能提高10到100倍，而不會顯著增加成本或功耗。
集成的安全和安保功能
隨著連接系統(tǒng)數(shù)量的增加，對增強安全性的需求也隨之增加。在系統(tǒng)級器件必須有保護措施，以減少安全漏洞的可能性，并支持最新的加密標準。Sitara? AM2434 MCU的設計從一開始就非常注重片上系統(tǒng)級設計，提高了系統(tǒng)的安全性和安保功能，包括可編程安全密鑰和靈活的防火墻配置。隨著安全標準的發(fā)展，Sitara? MCU架構(gòu)可以靈活調(diào)整和適應，繼續(xù)提供對最新標準的支持。
片上系統(tǒng)設計還需要符合整個工業(yè)和汽車行業(yè)所需的安全標準，如汽車安全完整性等級（ASIL）-D和SIL-3。它支持系統(tǒng)級安全解決方案，使開發(fā)人員能夠使用集成的M4F內(nèi)核作為系統(tǒng)看門狗，并提供在繼續(xù)運行時重置器件其余部分的功能。網(wǎng)絡外設也可以獨立于Arm® Cortex® -R5F主處理器運行，實現(xiàn)無縫重啟。
功率效率
許多需要實時控制的系統(tǒng)都在非常高的環(huán)境溫度下運行，例如許多電機驅(qū)動系統(tǒng)和電動汽車，環(huán)境溫度可高達85℃，幾乎沒有為電子設備留出溫度耗散的空間。因此，在這樣的環(huán)境中，處理器需要非常有能力和效率。Sitara? AM2x MCU產(chǎn)品組合內(nèi)置電源管理，提供超高的電源效率，整體功耗仍能保持在1W以內(nèi)。在典型應用中，AM243x器件可以在消耗不到1W有效功率的情況下實現(xiàn)上述性能，并降低運營成本和能耗。
更像是混搭
有人說，TI Sitara? AM2x MCU是一個跨界處理器，其實不夠確切，說它是混搭更為準確，因為它是功能優(yōu)化取舍的產(chǎn)物，進一步彌合了MCU和MPU之間的界限。所提供的一系列器件旨在靈活優(yōu)化當前系統(tǒng)，在不增加復雜性的情況下克服性能障礙，還能夠支持未來系統(tǒng)的未知需求。
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