用MPU還是MCU？只用MCU就夠？

Omdia高級(jí)研究分析師Chris Morris認(rèn)為，“人們對(duì)工業(yè)自動(dòng)化、下一代汽車(chē)、智能分析和萬(wàn)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(zhǔn)確。為分布式系統(tǒng)提供更先進(jìn)、更高效的處理能力是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的關(guān)鍵步驟之一?！?/span>

工業(yè)自動(dòng)化、下一代汽車(chē)、智能分析和萬(wàn)物互聯(lián)需求正在推升對(duì)邊緣端微控制器（MCU）的性能要求。新興應(yīng)用需要更高等級(jí)的系統(tǒng)集成和邊緣智能；工業(yè)和汽車(chē)系統(tǒng)要依賴(lài)精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)控制和決策；分布式通信和自動(dòng)化趨勢(shì)需要更高的網(wǎng)絡(luò)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(yú)與熊掌兼得，既實(shí)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(shí)，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(guān)的任務(wù)。

MPU和MCU是為滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景而按不同方式優(yōu)化出來(lái)的兩類(lèi)器件。MPU注重通過(guò)強(qiáng)大的運(yùn)算/處理能力執(zhí)行復(fù)雜多樣的大型程序，通常需要外掛大容量存儲(chǔ)器（如高性能RAM和DDR）。而MCU通常運(yùn)行較為單一的任務(wù)，執(zhí)行對(duì)硬件設(shè)備的管理/控制功能，通常不需要很強(qiáng)的運(yùn)算/處理能力，因此也不需要有大容量的存儲(chǔ)器來(lái)支撐大程序運(yùn)行。通常以單片集成的方式在單個(gè)芯片內(nèi)部集成小容量的存儲(chǔ)器（如閃存）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的“單片化”。

近年來(lái)，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(lái)越模糊，兩者之間是否有明確的界限也不再重要。因?yàn)?，無(wú)論我們將其稱(chēng)為什么，不同應(yīng)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(lèi)器件。

工業(yè)自動(dòng)化的三大挑戰(zhàn)

目前，全球人口已達(dá)78億，且還在不斷增加，預(yù)計(jì)到2050年將達(dá)到100億。人口增長(zhǎng)對(duì)基本必需品的需求及舒適、安全生活的追求也在不斷增長(zhǎng)。工業(yè)4.0和即將推出的工業(yè)5.0創(chuàng)新技術(shù)都是滿足上述需求的現(xiàn)代自動(dòng)化技術(shù)。

由于工業(yè)4.0趨勢(shì)和工業(yè)自動(dòng)化的大規(guī)模增長(zhǎng)，今天的智能工廠需要更快和分布式計(jì)算、靈活的網(wǎng)絡(luò)以及更多邊緣智能。制造機(jī)器人、機(jī)械助手和互聯(lián)工廠的設(shè)計(jì)師正在增加工業(yè)通信、功能安全和預(yù)測(cè)性維護(hù)等功能，其實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于實(shí)時(shí)計(jì)算、無(wú)處不在的網(wǎng)絡(luò)和邊緣分析的進(jìn)步和融合。實(shí)現(xiàn)這些進(jìn)步需要從現(xiàn)實(shí)世界到云的無(wú)縫連接，同時(shí)將技術(shù)推向多個(gè)載體，主要挑戰(zhàn)有以下三個(gè)方面。

實(shí)時(shí)控制：因?yàn)槊考{秒都很重要，所以實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)需要既有原始處理能力，又有準(zhǔn)確控制信號(hào)的能力。精確的模擬信號(hào)控制是將改進(jìn)的控制算法轉(zhuǎn)化為更可靠的電機(jī)驅(qū)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(tǒng)MCU的處理能力。

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)：工廠對(duì)不同類(lèi)型數(shù)據(jù)交換的需求導(dǎo)致一些多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的迅速采用，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器之間的實(shí)時(shí)通信。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能、安全性和可靠性方面的目標(biāo)收益，這種連接已成為強(qiáng)制性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員正在尋找與許多不同協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)兼容的集成網(wǎng)絡(luò)解決方案，且可以高達(dá)1Gbps的速度運(yùn)行。

邊緣分析：正如系統(tǒng)級(jí)連接支持實(shí)時(shí)通信一樣，機(jī)器學(xué)習(xí)算法的改進(jìn)也要支持局部?jī)?yōu)化，即每臺(tái)機(jī)器或節(jié)點(diǎn)都可以在不等待集中決策的情況下采取行動(dòng)。邊緣處理可顯著縮短響應(yīng)時(shí)間，從而使人與機(jī)器之間的協(xié)作變得更順暢、更安全。

就像一個(gè)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(gè)鏈條中的一個(gè)常見(jiàn)元素——MCU。在許多工廠系統(tǒng)的電機(jī)控制和機(jī)器人中，處理器負(fù)責(zé)從模擬到數(shù)字再到模擬的轉(zhuǎn)變，但高性能計(jì)算和控制的需求對(duì)其能力提出了更高的要求。

為什么是MCU？

Omdia高級(jí)研究分析師Chris Morris認(rèn)為，“人們對(duì)工業(yè)自動(dòng)化、下一代汽車(chē)、智能分析和萬(wàn)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(zhǔn)確。為分布式系統(tǒng)提供更先進(jìn)、更高效的處理能力是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的關(guān)鍵步驟之一。”

目前，Arm® 處理器內(nèi)核已成為工業(yè)和汽車(chē)系統(tǒng)中高度集成、低成本MCU的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，特別是基于Arm® 的32位MCU可以為用戶提供可擴(kuò)展的高性能和效能的器件組合，滿足各種系統(tǒng)需求；同時(shí)帶來(lái)功能安全、能效、實(shí)時(shí)控制、先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)、分析和安全等功能。

高性能MCU的發(fā)展趨勢(shì)在于，將可擴(kuò)展MCU組合與處理器級(jí)計(jì)算優(yōu)化的實(shí)時(shí)控制、網(wǎng)絡(luò)和信號(hào)處理應(yīng)用融合在一起，同時(shí)具有MCU的易開(kāi)發(fā)性和實(shí)時(shí)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(lái)解決不同的應(yīng)用問(wèn)題；有助于設(shè)計(jì)人員突破工廠自動(dòng)化、機(jī)器人、汽車(chē)系統(tǒng)和可持續(xù)能源管理等應(yīng)用領(lǐng)域的性能限制。

魚(yú)與熊掌何以兼得？

據(jù)德州儀器（TI）中國(guó)區(qū)嵌入式與DLP®應(yīng)用技術(shù)總監(jiān)師英介紹，TI Sitara? AM2x MCU是將處理器級(jí)的計(jì)算性能與MCU的簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)合二為一的一種新型MCU。該組合將處理器級(jí)計(jì)算與典型MCU應(yīng)用所需的精確實(shí)時(shí)控制通過(guò)簡(jiǎn)單、高效的封裝和高級(jí)別集成結(jié)合起來(lái)，解決了傳統(tǒng)MCU的性能瓶頸，擴(kuò)展了傳統(tǒng)MCU的功能，支持實(shí)時(shí)計(jì)算、邊緣分析和實(shí)時(shí)多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)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(luò)、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(shí)時(shí)邊緣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者克服性能障礙，而不會(huì)增加復(fù)雜性。其第一個(gè)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(luò)引擎（工業(yè)通信子系統(tǒng)[ICSS]）、緊密耦合的模擬外設(shè)和支持最新加密標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用帶來(lái)開(kāi)創(chuàng)性的性能？

節(jié)能處理

AM2434的第一個(gè)構(gòu)建塊有4個(gè)Arm® Cortex® -R5F低功耗MCU內(nèi)核，每個(gè)內(nèi)核工作頻率為800MHz，每秒提供最多6400條實(shí)時(shí)DMIPS，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制計(jì)算能力。節(jié)能處理通過(guò)改進(jìn)算法提高實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的性能。例如，電機(jī)控制系統(tǒng)可以提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度和速度，提高生產(chǎn)率；測(cè)量振動(dòng)來(lái)防止磨損和能量損失，減少工廠停機(jī)時(shí)間，或者添加異常檢測(cè)來(lái)發(fā)現(xiàn)即將發(fā)生的災(zāi)難性故障。這些新特性需要大量增加計(jì)算能力，而傳統(tǒng)MCU由于較低的時(shí)鐘速度而無(wú)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(guò)靈活地從單核擴(kuò)展到4核，并將時(shí)鐘速度從400MHz擴(kuò)展到1GHz，可以在不影響延遲的情況下為應(yīng)用添加功能。該器件的多核架構(gòu)還可以跨不同核擴(kuò)展操作，簡(jiǎn)化在不同時(shí)間間隔運(yùn)行不同功能的軟件調(diào)度。例如，將實(shí)時(shí)控制與網(wǎng)絡(luò)分離，減少給定核的中斷次數(shù)，更容易保持對(duì)所有操作的精確控制。

多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)已成為下一代智能工廠的關(guān)鍵需求，但由于目前使用的許多標(biāo)準(zhǔn)以及向1Gbps網(wǎng)絡(luò)推進(jìn)，網(wǎng)絡(luò)變得更加復(fù)雜。傳統(tǒng)MCU無(wú)法與這些不同協(xié)議互操作，設(shè)計(jì)者不得不使用外部通信設(shè)備，從而增加了設(shè)計(jì)成本和功耗。

Sitara? AM2x MCU集成了TI的可編程、靈活的千兆網(wǎng)絡(luò)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(kāi)箱即用連接。這種集成無(wú)需附加設(shè)備，為工廠連接帶來(lái)了易用性。

ICSS支持各種工業(yè)協(xié)議

高級(jí)模擬集成

高級(jí)模擬集成是Sitara? AM2x MCU架構(gòu)的另一個(gè)特色，它提供專(zhuān)門(mén)的模擬和控制外設(shè)，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(shè)對(duì)于實(shí)現(xiàn)性能增益（如提高電機(jī)穩(wěn)定性或更高的能源效率）至關(guān)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(shè)計(jì)方面的進(jìn)步簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減少了對(duì)附加組件的需求，降低了成本，加快了上市時(shí)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(shí)間低至3μs。

處理加速器

許多應(yīng)用都有非常特殊的計(jì)算需求，例如，用于駕駛員輔助功能的雷達(dá)處理系統(tǒng)需要每隔幾微秒計(jì)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(dá)處理而制造的器件需要一個(gè)專(zhuān)用的加速器來(lái)卸載這些計(jì)算。另一個(gè)例子是機(jī)器學(xué)習(xí)，推理機(jī)在每秒計(jì)算量方面相當(dāng)繁重，也需要加速來(lái)支持。Sitara? AM2434 MCU添加自定義加速提供了超出標(biāo)準(zhǔn)MCU核能力的專(zhuān)用處理塊，可將這些應(yīng)用中的系統(tǒng)性能提高10到100倍，而不會(huì)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(duì)增強(qiáng)安全性的需求也隨之增加。在系統(tǒng)級(jí)器件必須有保護(hù)措施，以減少安全漏洞的可能性，并支持最新的加密標(biāo)準(zhǔn)。Sitara? AM2434 MCU的設(shè)計(jì)從一開(kāi)始就非常注重片上系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，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(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，Sitara? MCU架構(gòu)可以靈活調(diào)整和適應(yīng)，繼續(xù)提供對(duì)最新標(biāo)準(zhǔn)的支持。

片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)還需要符合整個(gè)工業(yè)和汽車(chē)行業(yè)所需的安全標(biāo)準(zhǔn)，如汽車(chē)安全完整性等級(jí)（ASIL）-D和SIL-3。它支持系統(tǒng)級(jí)安全解決方案，使開(kāi)發(fā)人員能夠使用集成的M4F內(nèi)核作為系統(tǒng)看門(mén)狗，并提供在繼續(xù)運(yùn)行時(shí)重置器件其余部分的功能。網(wǎng)絡(luò)外設(shè)也可以獨(dú)立于Arm® Cortex® -R5F主處理器運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫重啟。

功率效率

許多需要實(shí)時(shí)控制的系統(tǒng)都在非常高的環(huán)境溫度下運(yùn)行，例如許多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電動(dòng)汽車(chē)，環(huán)境溫度可高達(dá)85℃，幾乎沒(méi)有為電子設(shè)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?xún)?nèi)。在典型應(yīng)用中，AM243x器件可以在消耗不到1W有效功率的情況下實(shí)現(xiàn)上述性能，并降低運(yùn)營(yíng)成本和能耗。

更像是混搭

有人說(shuō)，TI Sitara? AM2x MCU是一個(gè)跨界處理器，其實(shí)不夠確切，說(shuō)它是混搭更為準(zhǔn)確，因?yàn)樗枪δ軆?yōu)化取舍的產(chǎn)物，進(jìn)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(dāng)前系統(tǒng)，在不增加復(fù)雜性的情況下克服性能障礙，還能夠支持未來(lái)系統(tǒng)的未知需求。