32位元MCU于嵌入式聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計趨勢

面對嵌入式系統(tǒng)在效能、功耗效率與聯(lián)網(wǎng)等需求下，微控制器大廠Microchip以授權(quán)的MIPS32 microAptiv微核心架構(gòu)，提供每MHz高運算效能標(biāo)竿、更大容量記憶體與多元連接周邊的支援性;配合內(nèi)建或第三方多樣化的驅(qū)動程式、函式庫、即時操作系統(tǒng)與中介軟體元件的整合型開發(fā)框架，大幅縮短了32位元MCU程式碼開發(fā)與整合驗證時間…

瞄準(zhǔn)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用(EC)的PIC32MZ系列介紹

PIC32MZ Embedded Connectivity(EC)微控制器系列，是Microchip針對嵌入式聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用所開發(fā)的32位元微控制器。「PIC32MZ提供突破性效能、高記憶體容量與周邊整合性。200MHz操作頻率下，提供領(lǐng)先MCU業(yè)界的 330 DMIPS，及3.28 CoreMarks/MHz的單位執(zhí)行效能，比上一代PIC32MX MCU效能提升三倍以上，也比其它競爭對手32位元MCU，程式碼儲存空間╱密度縮減30%?！筂icrochip技術(shù)經(jīng)理林建益指出：「PIC32MZ也創(chuàng)下業(yè)界之先，采用每秒取樣頻率達(dá)28M的12bit類比數(shù)位轉(zhuǎn)換電路(ADC)設(shè)計，較坊間ADC僅數(shù)十KHz最多數(shù)MHz取樣頻率的MCU設(shè)計，可以創(chuàng)造許多過去無法想像的應(yīng)用?！?/p>

Microchip技術(shù)經(jīng)理林建益

PIC32MZ提供了最大2MB Flash快閃記憶體與512KB SRAM高速靜態(tài)記憶體容量設(shè)計，并采取雙Flash燒錄切換電路與即時更新(Dual-Panel Flash with Live Update)的設(shè)計，可以透過間隔不同F(xiàn)lash區(qū)塊下，使MCU在載入韌體升級做內(nèi)部燒錄的過程中，仍然繼續(xù)執(zhí)行原先的工作而無須關(guān)機停止，SRAM容量也是上一代MX系列的四倍以上。

「PIC32MZ提供高整合度的周邊，像Hi-Speed USB 2.0、10/100Mbps乙太網(wǎng)路控制器，兩組CAN 2.0b控制模組，提供6組UART、6組SPI/I2S串列介面，5組I2C通訊介面，4bit的Serial Quad Interface(SQI)?！沽纸ㄒ嫣貏e提到：「PIC32MZ內(nèi)建硬體加密引擎(Crypto)，可作AES/3DES/HA, MD5與HMAC等資料加密編碼的防護，強化網(wǎng)頁瀏覽購物等電子交易的安全性?！?/p>

PIC32MZ EC系列提供了一系列應(yīng)用的入門開發(fā)套件(Starter Kit)、周邊插入套件(Plug-In Module, PIM)，以及完整開發(fā)工具板(Developer Board套件。像PIC32MZ EC Starter Kit約119美元，PIM模組25美元，Starter Kit連接多媒體功能擴充板(Multimedia Expansion Board II)僅299美元，已整合一切周邊應(yīng)用可直接組裝做嵌入式應(yīng)用工程機雛型出貨。168轉(zhuǎn)132pin轉(zhuǎn)接卡為59美元。

PIC32產(chǎn)品家族與藍(lán)圖規(guī)劃

林建益列舉Microchip PIC32 MCU家族與藍(lán)圖規(guī)劃。以DMIPS效能為橫軸，規(guī)格╱功能為綜軸，最左邊66/83DMIPS級別的PIC32MX1/2，全系列提供腳位數(shù)28-44 pins。有16～32KB Flash/4～8KB SRAM容量，與64～128KB Flash/16～32KB SRAM容量的差別，周邊部份則提供了USB、I2S、CTMU(Charge Time Measurement Unit)與PPS(Peripheral Pin Select)等設(shè)計。

在105 /131 DMIPS級別，有PIC32MX3/4/5/6/7 MCU，全系列均為64-100 pins腳位數(shù)設(shè)計。入門款PIC32MX3/4 MCU具備32～512KB Flash/4～32KB SRAM容量，與內(nèi)建USB控制器設(shè)計;中間款PIC32MX3/4 MCU則加大到64～512KB Flash/16～128KB SRAM容量設(shè)計，提供USB、I2S、CTMU、PPS等周邊設(shè)計。高階款PIC32MX5/6/7 MCU，同樣采64～512KB Flash/16～128KB SRAM容量設(shè)計，提供USB、Ethernet、兩組CAN控制器等功能。

而新介紹的PIC32MZ EC系列，列在330DMIPS級別，提供1~2MB Flash/512KB SRAM容量設(shè)計，提供HS USB、Ethernet、兩組CAN控制器、Crypto加密引擎、PPS等功能。其市場瞄準(zhǔn)消費性電子音響、工廠╱建筑、居家自動化、環(huán)境監(jiān)控、電表、再生能源(Renewable Energy)控制模組、汽車電子、家電與交通運輸設(shè)施儀表板等應(yīng)用。

PIC32MZ EC核心架構(gòu)、功能區(qū)塊與開發(fā)套件

PICMZ EC功能區(qū)塊上，主要采用Imagination公司的MIPS32 microAptiv微核心(代號M4K)，采5階管線設(shè)計，工作時脈為200MHz。microAptiv核心具備1.65DMIPS/MHz的單位時脈運算效能，內(nèi)建DSP數(shù)位訊號處理器，以及159道DSP加速指令;可針對16bit MIPS16、32bit MIPS32等指令集混用切換，以縮減程式碼儲存空間。中斷控制器也大幅縮減進行中斷處理時的作業(yè)延遲，以及提供更好的功耗表現(xiàn)。

Microchip提供了PIC32MZ EC嵌入式MCU的入門開發(fā)套件(Starter Kit)與插入模組(PIM)。入門開發(fā)套件提供整合偵錯╱程式開發(fā)功能，提供PIC32擴充板與特殊功能子卡的連接擴充設(shè)計：具備USB供電設(shè)計、10/100Mbps Ethernet、雙向USB 2.0 OTG控制器，4 MB SQI Flash記憶體，PIC32MZ EC MCU晶片本體，并提供線上開發(fā)工具與軟體下載。

過去使用Microchip 16bit的PIC24、dsPIC與32bit PIC32 MCU等Explorer 16開發(fā)板的客戶，只要選購PIC32MZ PIM處理器插入套件后，直接插入升級，就可以進行PIC32MZ EC MCU的嵌入式應(yīng)用開發(fā)。而多媒體擴充板(Multimedia Expansion Board II)，提供高畫質(zhì)WVGA (800x480)的液晶面板，并具備多點電容式觸控功能，前端VGA(640x480) 30萬畫素攝影鏡頭、Wi-Fi 與Bluetooth藍(lán)牙的無線射頻元件，24bit立體聲音效，內(nèi)建三軸加速感測儀(accelerometer)與溫度感測器，可搭配Starter Kit做多媒體嵌入式應(yīng)用。Microchip提供MP3、AAC音源解壓、圖形人機介面(Graphical HMI)與聯(lián)網(wǎng)(Internet Connectivity)等應(yīng)用的展示軟體。

林建益總結(jié)全新的PIC32MZ EC MCU家族，具備200MHz、330DMIPS高執(zhí)行效能與3.28CoreMarks/MHz效能效率，最大2MB Flash與512KB SRAM設(shè)計，最多48通道、28Msps取樣頻率的12bit ADC，硬體加密引擎、媲美64pin QFN/124 VTLA 9x9mm晶片封裝的外觀，以10K為基本采買單位的單價僅6.68美元，提供非常強大的競爭力。

整合一切嵌入式軟硬體開發(fā)資源的MPLAB Harmony

MPLAB Harmony是一套針對Microchip PIC32 MCU所開發(fā)，基于MPLAB X IDE整合開發(fā)環(huán)境為操作基礎(chǔ)的整合式跨廠商元件開發(fā)框架。它能夠全面的讓內(nèi)建(In-House)或第三方(Third party)中介軟體(Middleware)、驅(qū)動程式、周邊函式數(shù)庫和RTOS等軟體方案，彼此和諧共存并相互運作;所有涵蓋第三方軟體方案，均委由Microchip做直接銷售，從microchipDIRECT取得，同時不僅能獲得Microchip第一線技術(shù)支援，也能透過Microchip的入口網(wǎng)站，取得相關(guān)授權(quán)、轉(zhuǎn)售、技術(shù)支援與擔(dān)保。

當(dāng)今嵌入式系統(tǒng)開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)，有：1.終端復(fù)雜化(Complexity)，造成支援項目增加、拉長開發(fā)時間，其中軟體占總開發(fā)時間達(dá)60%。2.選擇不同的RTOS、軟體相容性欠缺所造成的新的錯誤，使得程式碼重工(Re-work)風(fēng)險增加。3.前后不一致。當(dāng)需要整合RTOS、中介軟體、驅(qū)動程式于同一個嵌入式平臺下，造成相沖突的機會越大。4.拖垮測試(Test Drag)，60%的軟體開發(fā)資源用于元件之間的功能互通驗證，而錯誤到驗證階段材發(fā)現(xiàn)，花費的時間時從設(shè)計階段就發(fā)現(xiàn)多出十倍。5.支援零散(Fragmented)。很難從單一供應(yīng)商網(wǎng)站取得所有軟體組件。6.荒廢(Obsolescence)，在不可預(yù)知的未來競爭環(huán)境下，快速導(dǎo)入某個軟體元件，需衡量該未來是否陷入經(jīng)濟危機的疑慮。

Microchip MPLAB Harmony整合開發(fā)框架，可以達(dá)到：1.降低研發(fā)時間與支出。2.所有內(nèi)部內(nèi)建與第三方元件軟體碼，均已過Microchip測試、偵錯與互通驗證，無須重工;客戶所開發(fā)的程式碼，在Harmony架構(gòu)下有極高的可重復(fù)使用性。3.模組化架構(gòu)啟動有效率的軟體元件的堆疊整合。4.預(yù)先測試過的軟體元件已剔除掉日后驗證所可能發(fā)生的錯誤。5.Microchip提供MPLAB Harmony程式碼的單一來源，涵蓋第三方軟體元件。6.改進縮減反應(yīng)時間以因應(yīng)市場。

林建益列出MPLAB Harmony的架構(gòu)圖，從最底層Peripheral Libraries (PLIB)層，有PIC32MX與PIC32MZ，往上Device Drivers(驅(qū)動程式層)，有Interniche公司的TCP/IP、freeRTOS或Wittenstein的OpenRTOS，到中間Middleware有Interniche公司的TCP/IP、freeRTOS，或Wittenstein的OpenRTOS，Micrium μC-OS/Ⅲ與wolfSSL公司的CyaSSL Embedded SSL等。

到第四層Common System Services，則有MPLAB Harmony內(nèi)建的USB Device、USB Host、TCP/IP、File System、Wi-Fi 802.11g、Cryto、Graphics GDDX/GRC、MP3/AAC Decoder、Peripheral Lib、Math/DSP Lib等。未來會增加像是Bluetooth Audio Stack、Smart Phone Accessory、Class B Safety與mTouch Sensing等元件。

目前MPLAB Harmony從2013年11月18日開始開放于Microchip網(wǎng)站下載，基本版框架與大多數(shù)函式庫免費，第三方開發(fā)工具與高級版驅(qū)動╱函式庫則可另外選購。林建益最后總結(jié)，MPLAB Harmony是整合絕大多數(shù)跨產(chǎn)業(yè)界軟體元件的開發(fā)框架，提供一站式購足(One-Stop Shop)，易于移植且縮短開發(fā)時間。