高效能MCU促进产业快速改变

本文探讨如何经由高效能微控制器（MCU）突破传统既有的功能限制，以满足实时控制、网络和分析的需求，协助设计工程师应对当前和未来系统挑战。
自动化工厂和智能型汽车的进步需要更先进的网络功能、实时处理、边缘分析和马达控制拓扑。这些实例说明了高效能微控制器（MCU）能符合产业快速进步的需求，而这种微控制器也超越了传统MCU，可以提供类似处理器的功能。本文介绍五种高效能SitaraTM AM2x MCU协助设计工程师应对当前和未来系统挑战的方式，如图1所示。

 
图1 : Sitara AM2x高效能MCU的特色（source：TI）

实现优化性能
近期的MCU在内存大小、模拟功能整合和低功耗方面都有明显的进步。但在许多应用中，快速处理大量实时控制和传感器数据的能力同样重要。在自动化工厂中，可程序化逻辑控制器（PLC）和机器人马达控制系统的处理要求，已经从每核心大约100 MHz提高到400 MHz以上，而且在未来三到五年间可能达到1 GHz以上。

当面对下列要求时，更需要高效能MCU的处理能力，包括：
‧ 日渐增加的工业通讯，因为生产机台和中央数据系统会透过各种协议分享大量数据。
‧ 透过边缘分析进行预测性维修，维持工厂稳定运转。

Sitara AM2x MCU透过提高每个MCU的内核时钟，以及在同一芯片上整合多个MCU核心，实现更好的性能要求。AM2434具备四个各自以800 MHz运作的核心，与传统MCU相比，它能在工厂进行更快、更复杂的数据处理，及更低延迟的控制和高速通讯。举例来说，如果能更快、更平稳地控制机械手臂，就能提高运作安全、生产效率、质量和产能。

改善实时运作与分析
高性能MCU在现代工厂中发挥的作用?正如炼条的强度取决于其最薄弱的环节，仿真世界和数字世界之间的联系也取决于其最薄弱的环节，在该链中，MCU是一个经常被忽视的元素。
随着现代化工厂的自动化程度提高，对于实时数据分析和控制的需求也与日俱增。许多传统系统藉由多个MCU分别处理不同的功能。高效能MCU，尤其是具有多核架构的MCU，可以透过在单一设备上管理数据处理和实时控制功能，实现高度整合的系统。
Sitara AM2x MCU整合了快速数据采集功能和精确的实时控制接口设备，能够高速输入和处理数据。想象一下，不需额外的MCU，就可在单一MCU上控制机械手臂马达，透过整合音频、电流和位置感测接口，提高机器人与人类合作的安全性；或透过一颗整合音讯输入、声音辨识和分类的MCU，能够提高建筑物安全系统中的边缘智能。高效能MCU透过在单一芯片上实现多种处理能力，不仅让工业系统变得更聪明，更易于设计，也让价格变得更实惠。

简化设计，实现软件重复使用
界定MCU的特征，包括简单的系统设计和软件开发。即使MCU性能和整合程度变得与处理器更接近，对易于使用的硬件和软件期望依然不会改变。
藉由Sitara AM2x MCU，工程师可体验到：
‧ 简单的软件开发环境和工具（例如基于实时操作系统的软件），支持跨平台重复使用，从而减少开发时间和成本。
‧ 高效率的实时任务管理和更简单的电源管理架构，可实现更具成本效益的电源管理解决方案。
‧ 优化的速度和低延迟功能，归功于整合的随机存取内存（RAM）。

 
图2 : Sitara AM2x MCU系列?AM2434方块图（source：TI）
实时感测和反应应用（例如PLC）必须处理时间限制，以确保安全和连续运作。这代表系统需要针对在最坏情况下的时序进行设计。提供简单易用的软件，可协助快速有效地设计此类系统。

透过灵活的内存配置实现系统成本优化
传统MCU具有内建非挥发性内存，例如闪存。但是随着自动化工厂到自动驾驶等应用范围的数据处理需求不断增加，内存容量面临到了扩充的难题。此外，对于更快速的中央处理器，产生下列的两项挑战：
‧ 在系统需要实时写入内存的情况下，只能完全依赖闪存速度和性能。
‧ 受限于非挥发性内存，无法支持更先进的制程节点，例如16 nm。
改用外部非挥发性内存架构后，MCU工程师可以从中取得更好的灵活性。藉由高效能MCU，无需更换MCU或重新设计电路板，即可满足不断增长的内存需求，从而实现更灵活的设计并降低开发成本。AM2x的大型内建RAM和简单的软件架构解决了外部内存的延迟和性能问题。

提升电源效率
传统MCU以低功耗著称，因此随着应用转换成高效能MCU，降低功耗变得十分重要。电源效率凸显了设计师重视的两个面向：
‧ 每瓦性能（有效功耗效率）：超过2 W至3 W的散热增加通常会导致传统MCU系统的成本、重量和板上配置问题，尤其是那些需要主动冷却措施（例如散热器和风扇）的系统。因此，性能的提高不能与成比例的功耗并存。高效能Sitara AM2x MCU可支持超过5,000 DMIPS/W 的性能。
‧ 低功耗（关机）模式：MCU通常在较低工作周期的环境中运行，鉴于高效能MCU采用先进制程节点设计，其漏电流影响高于传统MCU。设计人员需要在电源闸控技术和低功耗模式（例如睡眠、深度睡眠、关机、实时时钟和输入/输出唤醒）方面不断创新。
结论
高效能MCU使处理器级运算变得更普及，为设计人员和系统翻开了新的一页。随着应用的不断演变和设计工程师在其系统中充分发挥高效能MCU的潜力，MCU创新者、产品设计师和消费者都将能完整体验新功能的益处。

（本文作者VC Kumar任职于德州仪器）

[延伸阅读]工业自动化的三大关键技术支柱
1.实时控制
因为每一奈秒都很重要，当需要实时控制的系统时，既需要原始处理能力，又需要在所需的确切时间控制讯号的能力。精确的仿真讯号控制是将改进控制算法的收益，转化为更可靠的马达驱动和更高效的电动汽车的关键。这些改进算法的处理需求已经超过了传统MCU的能力。
2.工业网络
工厂对不同类型数据交换的需求，导致了多种多协议工业以太网标准的快速采用，以实现机器之间的实时通讯。这种连接已成为实现系统性能、安全性和可靠性的目标收益所必需的。系统设计人员正在寻找与许多不同协议标准兼容的网络整合解决方案，并且可以高达1 Gbps的速度运行。
3.边缘分析
正如系统范围内的连接支持实时通讯一样，机器学习算法的改进也支持本地优化，其中每台机器或节点都可以采取行动，而无需等待集中决策。边缘处理显著缩短了响应时间，从而实现人机之间更好、更安全的协作。