嵌入式MCU在加速设计的同时支持创新应用的各种功能

为了在物联网（iot）市场中发挥作用，原始设备制造商（oem）需要能够接受更快的创新速度。物联网应用的可能范围是无穷无尽的，成功的公司使其开发人员能够不断识别和实施新的和更有用的方法来利用传感器的功能，监控不同类型的数据，并控制设备的生态系统。
物联网应用跨越许多领域，包括可穿戴设备、汽车、家庭、工业甚至城市。除了允许开发人员实施创新外，物联网设备还必须高效、安全且美观。应用程序很重要，必须围绕旨在推广易于使用设备的直观软件。
微控制器（mcu）是基于物联网的产品的核心，选择合适的 mcu 是满足客户当前和未来需求的关键。本文将探讨当今嵌入式mcu在加速设计的同时支持创新应用的各种功能。在第 1 部分中，我们将介绍高级工艺技术、低功耗设计技术、多核系统的功耗考虑因素、内核间通信、串行存储器接口和系统安全性。
物联网市场（增长最快的引擎）
物联网技术继续改变日常工作和生活方式，使其更加实惠、更方便、更舒适、更智能。物联网市场大致可分为两类：消费者物联网和商业物联网。
消费者物联网
消费者物联网广泛包括家庭、生活方式、健康和移动性。设备通常是个人的互联产品，以提高他们的生产力、安全性和生活方式。从智能家居到联网汽车，从智能医疗保健到舒适生活方式，消费市场正在为下一波大浪潮做准备。
商业物联网
商业物联网非常广泛，广泛包括零售、健康、能源、移动、城市、制造和公共服务。商业物联网部门将改变组织和社区，以实现经济增长的新时代。物联网通过连接数据、人员和机器来提高生产力、效率和日常运营。商业物联网还可以作为一种工具，帮助公司在未开发的领域识别新的增长机会。
工艺技术（尺寸 – 大不了）
用于制造mcu的工艺技术对于确定其性能、低功耗能力和成本至关重要。物联网应用需要高效的有功功耗和低功耗模式消耗，以实现系统的整体能效。制造技术的不断进步导致模具尺寸缩小。这降低了芯片的总体成本，因为它允许在同一块硅晶圆上制造更多的mcu。性能和功率也受到芯片收缩的影响。缩小芯片可降低打开/关闭每个晶体管所需的电流，同时保持相同的时钟频率。因此，较小的芯片具有更低的功耗，更高的最大时钟频率导致更高的性能。
例如，用于制造赛普拉斯半导体的可编程片上系统（psoc）6 ble系列mcu的40纳米工艺技术为各种物联网应用提供了高性能和高性价比的实现。深度睡眠电流只需要几微安的电流即可完全保持。其他功耗模式（包括活动、睡眠、低功耗活动和低功耗睡眠）使开发人员能够灵活地优化系统功耗，同时在需要时保持高性能。
［图3 |用于物联网应用的低功耗mcu框图］
权力（最重要）
设计物联网设备时的最大挑战之一是它们可能耗电。大多数物联网设备都是始终在线且小巧的，这意味着它们可以容纳的电池尺寸有限。mcu供应商在为物联网应用优化mcu时会考虑各种因素，例如
改进工艺技术
提供高度灵活的电源模式
启用功耗优化的硬件 ip 块
将重要功能集成到单个芯片中
优化闪存访问频率
启用缓存
支持更宽的工作电压范围
遗憾的是，虽然缩小工艺技术可以提高性能、功耗和集成度，但它带来了管理漏电流的挑战，尤其是在低功耗模式下。为了应对漏电流的挑战，mcu供应商采用了特殊的晶体管工艺技术，如多栅极器件、高压晶体管/逻辑/电路、专门设计的存储单元等。
灵活的功耗模式使开发人员能够安排单个系统事件，从而优化整体功耗。一项关键技术是提供多个外设，这些外设可以在低功耗模式下运行，并且可以在不唤醒cpu的情况下唤醒以执行其功能。一些mcu还提供特殊的低功耗有源模式，其中外设可用于功能有限的操作（例如较低的工作频率和电压），以进一步优化应用功耗。甚至可以设计特定的外设以优化功耗;即，ble无线电可以设计为支持低功耗无线通信。
另一个显著影响功耗的因素是非易失性（nv）内存访问。对于使用闪存（nv存储器）存储固件代码的mcu尤其如此。闪存访问中的任何优化都会导致功耗大幅降低。目标是尽量减少闪存访问的频率。这里应用了两种常用技术。一种方法是提供缓存。这样，不需要在每个执行周期都不访问实际的代码存储器（flash）。另一种方法是增加一个周期内获取的数据量。使用更宽的闪存访问可降低闪存访问频率。
基于物联网的mcu还可以提供灵活的电源系统。通过支持宽电源电压范围，mcu可以使用多个电源供电。例如，简单的物联网应用（如健身追踪器）可以由纽扣电池供电，而复杂的物联网应用（如智能手表）可以由电源管理集成电路pmic供电。一些mcu提供内部降压转换器，以有效调节功率。
在考虑mcu的功耗模式时，重要的是要超越基本架构。例如，标准 arm cpu 内核支持活动、睡眠和深度睡眠。其他电源模式通常由特定的mcu供应商添加。例如，赛普拉斯psoc 6 ble mcu在六种电源模式下运行，增加了低功耗活动、低功耗睡眠和休眠。
［图4 |psoc 6 ble mcu 中的电源模式转换示例］
多处理器 mcu（并行应用程序任务运行速度更快）
物联网系统在基于其功能集的同时在复杂性上增加，同时在物理尺寸方面也在缩小。mcu制造商的目标是提高系统的性能，同时保持尽可能低的尺寸和功耗。多核 mcu 和片上系统（soc）通过在单个芯片中集成更多功能并最大限度地减少芯片空间来提供更高的性能。多核处理器是由两个或多个独立内核（或 cpu）组成的 mcu 或 soc。内核通常集成到单个芯片上，尽管它们可以在单个封装中实现为多个芯片。
多核mcu有助于提供高性能，同时保持较小的占用空间。在可穿戴设备等典型物联网设计中，需要多个mcu：用于无线通信的ble控制器，用于用户界面实现的touch mcu，以及用于运行应用的主mcu。这三款mcu的功能可通过单个高度集成的多核mcu提供。
多核mcu还提供许多其他优势。例如，多核mcu集成了足够的资源，使cpu能够并行处理密集型任务，从而利用多任务处理效率。这些还允许开发人员有效地将系统事件分配给特定内核，从而满足功耗和性能目标。例如，在双核可穿戴设计中，可以将无线广播和触摸感应等需要较少cpu干预的周期性功能分配给一个内核。其他需要大量cpu干预的“高接触”功能（如传感器融合）可以分配给另一个内核。这种分区减少了在系统中运行多个应用程序时的延迟时间。集成还通过整合协议栈和程序存储器来提高效率。
［图5 |面向物联网应用的多核mcu示例］
图 6 显示了一个多核 mcu，即赛普拉斯 mcu psoc 6ble。这款双核设备有两个32位arm cortex cpu，cortex-m4和cortex-m0+。这两个 cpu 都是具有 32 位数据路径、32 位寄存器和 32 位内存接口的 32 位处理器。cortex-m4 是专为短中断响应时间、高代码密度和高 32 位吞吐量而设计的主 cpu，同时保持严格的成本和功耗预算。cortex-m0+ 用作处理安全、安全和保护功能的辅助 cpu。cortex cpu实现了thumb指令集的一个子集，并具有两种操作模式，称为线程模式和处理程序模式。这些 cpu 在退出复位并执行应用软件时进入线程模式。为了处理异常，cpu 进入处理操作模式。完成所有异常处理后，cpu 将返回到线程模式。
［图6 |多核嵌入式mcu示例（psoc 6 ble）］
处理器间通信（支持外设共享和信息交换）
在多核mcu中，需要处理器间通信（ipc）来协调内核之间的操作。ipc 充当通信管理器，处理处理器之间的消息分发。现代 cpu 架构（如 arm cortex）支持硬件和固件中的多核通信。一个这样的例子是发送事件（sev）指令，它在执行时断言设备中的所有内核。mcu供应商采用了多种方法来实现ipc：
基于中断
使用这种方法，一个内核向另一个内核发送中断以指示应用程序事件。通常，中断例程非常紧凑，不会占用太多代码内存。与任何中断机制一样，每个中断都有自己的中断服务例程（isr），通过该例程，相应的内核可以执行特定任务。对于数据的实际传递，有一个可由多个内核访问的共享内存。除了共享数据之外，它还提供了一种请求和确认消息的机制。
邮箱
邮箱是 ram 中的专用内存空间，供每个 cpu 相互发送和接收消息。每个内核维护自己的 ram 内存（邮箱），并将消息发送到其他内核的邮箱。
消息队列
消息队列使用共享内存的两个区域来存储每个内核发送给另一个内核的消息。第一个是称为命令缓冲区的专用存储器，用于存储从主服务器发送到从服务器的命令。另一个专用存储器称为消息缓冲区，允许从站响应主存储器。
［图7 |各种处理器间通信（ipc）模式］
信号灯
信号量是一种防止多个源同时访问共享资源的机制。在多核处理器中，共享硬件位置充当信号量，以指示特定内核是否正在使用特定共享外设。在访问外设之前，系统中的其他内核会读取信号灯状态以查看其是否可用。
串行存储器接口（物联网存储器选择）
内存是任何物联网系统不可或缺的一部分，用于代码和数据存储。现代物联网设备所需的不断增长的智能推动了对更大代码和数据存储器的需求。但是，将所有这些存储器作为内部存储器集成到器件中会增加mcu的芯片尺寸和成本。另一种方法是根据需要提供从外部扩展内存的选项。这使开发人员能够根据最终应用的需要添加内存。此外，如果在开发周期中发现预算的内部存储器空间不足，则可以引入额外的外部存储器，而无需重新设计整个系统。
了解外部存储器接口的速度和安全性以及它的易用性也很重要。通常，串行存储器是并行存储器的更好选择，以节省mcu上有限的io引脚。虽然基于spi的串行存储器为数据记录提供了合理的接口速度，但直接执行外部代码需要更高的速度。这些要求促使mcu制造商提供spi的替代品。以下是不同方案的数据吞吐量的快速比较。
spi：支持 1 位/周期吞吐量
双 spi：支持 2 位/周期吞吐量
四通道 spi：支持 4 位/周期吞吐量
双通道四通道 spi：支持 1 字节/周期吞吐量
通常，mcu将同时支持多种类型的存储器，为开发人员提供最大的灵活性。
由于许多物联网系统处理用户的个人数据，因此确保数据安全非常重要。同样，代码存储器需要保护，以防止未经授权使用设备。外部存储器在安全性方面更容易受到攻击，因此需要特殊的机制来保护外部存储的数据。为了实现这一点，mcu使用各种加密技术（例如aes，des，rsa）来保护数据和代码免受未经授权的访问。例如，赛普拉斯半导体的psoc 6 ble mcu提供了一个特殊的串行存储器接口（smif）外设，支持直接外部代码执行的就地执行（xip）模式和数据记录的备忘录映射io（mmio）模式。它使用特殊命令进行控制，例如闪存的编程/擦除，存储设备的睡眠模式进入等。
［图8 |串行存储器接口（smif）示例］
smif 允许用户配置相同或不同类型和大小的多个存储设备。多个内存设备在内存（xip）模式下映射到不同的地址。它们可以是不同的内存类型，使它们与系统中的不同用途保持一致。它们也可以是在连续地址空间中配置的相同内存设备，以模拟连续的大内存。将 smif 外设与 spi 闪存结合使用是外部 nand 和 nor 闪存的可行替代品，还可以节省电路板空间。串行闪存直接映射到处理器的内存空间数据存储并支持执行 xip，因此与 nand 存储器相比，易用性得到改进。
系统安全、隐私和安全（信任根）
连接设备后，就会引入被黑客入侵的可能性。因此，物联网设备的安全性是一个不容商量的要素，无论设备是个人可穿戴手环还是联网汽车。所有级别都需要数据保护，包括存储、处理和通信期间，以确保系统可靠性。此外，处理数据的任何软件或固件也应受到保护。可以在两个级别上启用此类安全性。第一个层次是软件安全。第二个层次是硬件安全，即通过硬件保护软件。
通常，基于软件的安全性使用存储在代码空间中的密钥。尽管这在技术上可以执行加密和解密，但由于它是存储的代码，因此该过程仍然容易受到黑客攻击。代码被解码的那一刻，安全性就被打败了。
基于硬件的安全使用集成电路来保护系统;例如，代码和数据的加密和解密。基于硬件的安全性是独立的，不需要任何其他软件即可运行，从而消除了恶意代码、感染、污染或其他漏洞危害系统、客户数据和服务的可能性。因此，在保护敏感数据或代码时，基于硬件的安全性是首选方法。这就是为什么用于物联网应用的mcu具有复杂的集成硬件安全功能，如加密块、代码保护ip和其他基于硬件的机制。
与固件实现相比，基于硬件的安全性还具有以更低的功耗提供更快的性能的额外好处。例如，赛普拉斯psoc 6 ble mcu中的专用加密模块可加速加密功能。此外，该模块还提供真随机数生成功能、对称密钥加密和解密、散列、消息身份验证、随机数生成（伪和真）、循环冗余检查和实用程序功能，如启用/禁用、中断设置和标志。该mcu设备还配备了安全启动功能。安全启动使用 rom 例程来保证在闪存中对用户数据进行身份验证。安全启动是一个涉及加密的过程，它允许物联网设备开始执行经过身份验证并因此受信任的软件来运行。因此，系统可以从已知的受信任状态通电。
在第 1 部分中，我们将介绍高级工艺技术、低功耗设计技术、多核系统的功耗考虑因素、内核间通信、串行存储器接口和系统安全性。在第 2 部分中，我们将介绍先进的 ble 无线链路，模拟前端，智能触摸界面，和其他对物联网设计很重要的技术。