為了在物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 市場(chǎng)中發(fā)揮作用，原始設(shè)備制造商 （OEM） 需要能夠接受更快的創(chuàng)新速度。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的可能范圍是無(wú)窮無(wú)盡的，成功的公司使他們的開(kāi)發(fā)人員能夠不斷地識(shí)別和實(shí)施新的、更有用的方法來(lái)利用傳感器的功能、監(jiān)控不同類型的數(shù)據(jù)和控制設(shè)備的生態(tài)系統(tǒng)。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用跨越許多領(lǐng)域，包括可穿戴設(shè)備、汽車、家庭、工業(yè)，甚至城市。除了允許開(kāi)發(fā)人員實(shí)施創(chuàng)新之外，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備還必須高效、安全且美觀。應(yīng)用程序很重要，必須圍繞旨在推廣易于使用的設(shè)備的直觀軟件進(jìn)行包裝。

微控制器 （MCU） 是基于物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)品的核心，選擇合適的 MCU 是滿足客戶當(dāng)前和未來(lái)需求的關(guān)鍵。本文將探討當(dāng)今嵌入式 MCU 可提供的多種功能，以加速設(shè)計(jì)，同時(shí)支持創(chuàng)新應(yīng)用。在第 1 部分中，我們將介紹先進(jìn)的工藝技術(shù)、低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)、多核系統(tǒng)的功耗注意事項(xiàng)、內(nèi)核間通信、串行存儲(chǔ)器接口和系統(tǒng)安全性。

物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)（增長(zhǎng)最快的引擎）

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)繼續(xù)改變?nèi)粘９ぷ骱蜕罘绞?，使其變得更?shí)惠、更方便、更舒適和更智能。物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)可以大致分為兩類：消費(fèi)者物聯(lián)網(wǎng)和商業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。

消費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)

消費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)廣泛包括家庭、生活方式、健康和移動(dòng)性。設(shè)備通常是個(gè)人的連接產(chǎn)品，以提高他們的生產(chǎn)力、安全性和生活方式。從智能家居到聯(lián)網(wǎng)汽車，從智能醫(yī)療到舒適生活方式，消費(fèi)市場(chǎng)正蓄勢(shì)待發(fā)，迎接下一波浪潮。

商業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

商業(yè)物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模龐大，廣泛包括零售、健康、能源、交通、城市、制造和公共服務(wù)。商業(yè)物聯(lián)網(wǎng)部門將改變組織和社區(qū)，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的新時(shí)代。物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)連接數(shù)據(jù)、人員和機(jī)器來(lái)提高生產(chǎn)力、效率和日常運(yùn)營(yíng)來(lái)做到這一點(diǎn)。商業(yè)物聯(lián)網(wǎng)還可以作為一種工具，幫助公司在未開(kāi)發(fā)的領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)新的增長(zhǎng)機(jī)會(huì)。

工藝技術(shù)（規(guī)模——很重要）

用于制造 MCU 的工藝技術(shù)對(duì)于確定其性能、低功耗能力和成本至關(guān)重要。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要高效的有功功耗和低功耗模式消耗，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體電源效率。制造技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步導(dǎo)致芯片尺寸縮小。這降低了芯片的總體成本，因?yàn)樗试S在同一塊硅晶片上制造更多的 MCU。性能和功率也直接受到芯片收縮的影響?？s小芯片可減少在保持相同時(shí)鐘頻率的同時(shí)打開(kāi)/關(guān)閉每個(gè)晶體管所需的電流。因此，較小的芯片具有較低的功耗和較高的最大時(shí)鐘頻率，從而導(dǎo)致更高的性能。

例如，用于制造 Cypress Semiconductors 的可編程片上系統(tǒng) （PSoC） 6 BLE 系列 MCU 的40 nm 工藝技術(shù)為各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了高性能和經(jīng)濟(jì)高效的實(shí)施方案。深度睡眠電流只需要幾微安即可完全保持。其他功耗模式，包括活動(dòng)、睡眠、低功耗活動(dòng)和低功耗睡眠，使開(kāi)發(fā)人員能夠靈活地優(yōu)化系統(tǒng)功耗，同時(shí)在需要時(shí)保持高性能。

【圖3 | 用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的低功耗 MCU 框圖］

權(quán)力（最重要）

設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時(shí)的一大挑戰(zhàn)是它們可能很耗電。大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都是永遠(yuǎn)在線和微型的，這意味著它們可以容納的電池容量有限。MCU 供應(yīng)商在針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用優(yōu)化 MCU 時(shí)會(huì)考慮多種因素，例如

改進(jìn)工藝技術(shù)

提供高度靈活的電源模式

啟用功耗優(yōu)化的硬件 IP 塊

將重要功能集成到單個(gè)芯片中

優(yōu)化 Flash 訪問(wèn)頻率

啟用高速緩存

支持更寬的工作電壓范圍

不幸的是，雖然縮小工藝技術(shù)可以提高性能、功耗和集成度，但它帶來(lái)了管理漏電流的挑戰(zhàn)，尤其是在低功耗模式下。為了應(yīng)對(duì)漏電流的挑戰(zhàn)，MCU 供應(yīng)商采用了特殊的晶體管工藝技術(shù)，例如多柵極器件、高壓晶體管/邏輯/電路、專門設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)單元等。

靈活的電源模式的可用性使開(kāi)發(fā)人員能夠安排單獨(dú)的系統(tǒng)事件，從而優(yōu)化整體功耗。一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是提供多個(gè)外圍設(shè)備，這些外圍設(shè)備可以在低功耗模式下運(yùn)行，并且可以在無(wú)需喚醒 CPU 的情況下被喚醒以執(zhí)行其功能。一些 MCU 還提供特殊的低功耗活動(dòng)模式，其中外圍設(shè)備可用于功能有限的操作（例如較低的工作頻率和電壓），以進(jìn)一步優(yōu)化應(yīng)用功耗。甚至可以設(shè)計(jì)特定的外圍設(shè)備以優(yōu)化功耗；即，BLE 無(wú)線電可以設(shè)計(jì)為支持低功率無(wú)線通信。

另一個(gè)顯著影響功耗的因素是非易失性 （NV） 存儲(chǔ)器訪問(wèn)。對(duì)于使用閃存（NV 存儲(chǔ)器）存儲(chǔ)固件代碼的 MCU 尤其如此。閃存訪問(wèn)中的任何優(yōu)化都會(huì)導(dǎo)致顯著降低功耗。目標(biāo)是最小化 Flash 訪問(wèn)的頻率。這里應(yīng)用了兩種常見(jiàn)的技術(shù)。一種方法是提供高速緩沖存儲(chǔ)器。這樣，不需要在每個(gè)執(zhí)行周期都訪問(wèn)實(shí)際的代碼存儲(chǔ)器（Flash）。另一種方法是增加一個(gè)周期中獲取的數(shù)據(jù)量。使用更寬的 Flash 訪問(wèn)會(huì)降低 Flash 訪問(wèn)頻率。

基于物聯(lián)網(wǎng)的 MCU 還可以提供靈活的電源系統(tǒng)。通過(guò)支持寬電源電壓范圍，MCU 可以使用多個(gè)電源供電。例如，健身追蹤器等簡(jiǎn)單的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用可以由紐扣電池供電，而智能手表等復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用可以由電源管理集成電路 PMIC 供電。一些 MCU 提供內(nèi)部降壓轉(zhuǎn)換器以有效調(diào)節(jié)功率。

在考慮 MCU 的功耗模式時(shí)，重要的是要超越基本架構(gòu)。例如，標(biāo)準(zhǔn) ARM CPU 內(nèi)核支持活動(dòng)、睡眠和深度睡眠。特定的 MCU 供應(yīng)商通常會(huì)添加額外的電源模式。例如，賽普拉斯 PSoC 6 BLE MCU 在六種功耗模式下運(yùn)行，增加了低功耗活動(dòng)、低功耗睡眠和休眠模式。

【圖4 | PSoC 6 BLE MCU 中的電源模式轉(zhuǎn)換示例］

多處理器 MCU（更快地運(yùn)行并行應(yīng)用程序任務(wù)）

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的復(fù)雜性同時(shí)隨著其功能集的增加而增加，同時(shí)物理尺寸也在縮小。MCU 制造商旨在提高系統(tǒng)性能，同時(shí)盡可能降低尺寸和功耗。多核 MCU 和片上系統(tǒng) （SoC） 通過(guò)在單個(gè)芯片中集成更多功能并最小化芯片空間來(lái)提供更高的性能。多核處理器是包含兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立內(nèi)核（或 CPU）的 MCU 或 SoC。這些內(nèi)核通常集成到單個(gè)芯片上，盡管它們可以實(shí)現(xiàn)為單個(gè)封裝中的多個(gè)管芯。

多核 MCU 有助于提供高性能，同時(shí)保持小尺寸。在可穿戴設(shè)備等典型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)中，需要多個(gè) MCU：用于無(wú)線通信的 BLE 控制器、用于實(shí)現(xiàn)用戶界面的觸控 MCU，以及用于運(yùn)行應(yīng)用程序的主 MCU。這三個(gè) MCU 的功能可以通過(guò)一個(gè)高度集成的多核 MCU 來(lái)提供。

多核 MCU 提供了許多其他好處。例如，多核 MCU 集成了足夠的資源以允許 CPU 并行處理密集型任務(wù)，從而充分利用多任務(wù)處理效率。這些還允許開(kāi)發(fā)人員有效地將系統(tǒng)事件分配給特定的內(nèi)核，從而滿足功率和性能目標(biāo)。例如，在雙核可穿戴設(shè)計(jì)中，可以將需要較少 CPU 干預(yù)的周期性功能（如無(wú)線廣播和觸摸感應(yīng)）分配給一個(gè)內(nèi)核。其他需要大量 CPU 干預(yù)的“高接觸”功能（例如傳感器融合）可以分配給另一個(gè)內(nèi)核。當(dāng)在系統(tǒng)中運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用程序時(shí)，這種分區(qū)減少了延遲時(shí)間。集成還通過(guò)整合協(xié)議棧和程序內(nèi)存來(lái)提高效率。

【圖5 | 用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的多核 MCU 示例］

圖 6 顯示了一個(gè)多核 MCU，即Cypress MCU PSoC 6低功耗藍(lán)牙。該雙核設(shè)備具有兩個(gè) 32 位 ARM Cortex CPU，即 Cortex-M4 和 Cortex-M0+。這兩個(gè) CPU 都是 32 位處理器，具有 32 位數(shù)據(jù)路徑、32 位寄存器和 32 位存儲(chǔ)器接口。Cortex-M4 是主 CPU，專為短中斷響應(yīng)時(shí)間、高代碼密度和高 32 位吞吐量而設(shè)計(jì)，同時(shí)保持嚴(yán)格的成本和功耗預(yù)算。Cortex-M0+ 用作處理安全、安全和保護(hù)功能的輔助 CPU。Cortex CPU 實(shí)現(xiàn)了 Thumb 指令集的一個(gè)子集，并有兩種操作模式，稱為線程模式和處理程序模式。這些 CPU 在解除復(fù)位并執(zhí)行應(yīng)用軟件時(shí)進(jìn)入線程模式。為了處理異常，CPU 進(jìn)入 Handle 操作模式。在所有異常處理完成后，CPU 返回線程模式。

【圖6 | 多核嵌入式 MCU 示例（PSoC 6 BLE）］

處理器間通信（實(shí)現(xiàn)外設(shè)共享和信息交換）

在多核 MCU 中，需要處理器間通信 （IPC） 來(lái)協(xié)調(diào)內(nèi)核之間的操作。IPC 充當(dāng)通信管理器，處理處理器之間的消息分發(fā)?，F(xiàn)代 CPU 架構(gòu)（如 ARM Cortex）支持硬件和固件中的多核通信。一個(gè)這樣的示例是發(fā)送事件 （SEV） 指令，該指令在執(zhí)行時(shí)斷言設(shè)備中的所有內(nèi)核。MCU廠商已經(jīng)采用了多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)IPC：

基于中斷

使用這種方法，一個(gè)內(nèi)核向另一個(gè)內(nèi)核發(fā)送中斷以指示應(yīng)用程序事件。通常，中斷例程非常緊湊，不會(huì)占用太多代碼內(nèi)存。與任何中斷機(jī)制一樣，每個(gè)中斷都有自己的中斷服務(wù)程序 （ISR），通過(guò)它可以由各自的內(nèi)核執(zhí)行特定任務(wù)。對(duì)于數(shù)據(jù)的實(shí)際傳遞，有一個(gè)可以被多個(gè)內(nèi)核訪問(wèn)的共享內(nèi)存。除了共享數(shù)據(jù)之外，它還提供了一種請(qǐng)求和確認(rèn)消息的機(jī)制。

郵箱

郵箱是 RAM 中的專用內(nèi)存空間，供每個(gè) CPU 相互發(fā)送和接收消息。每個(gè)核心維護(hù)自己的 RAM 內(nèi)存（郵箱）并將消息發(fā)送到其他核心的郵箱。

隊(duì)列消息

消息隊(duì)列使用兩個(gè)共享內(nèi)存區(qū)域來(lái)存儲(chǔ)每個(gè)核心發(fā)送給另一個(gè)核心的消息。第一個(gè)是稱為命令緩沖區(qū)的專用存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)從主機(jī)發(fā)送到從機(jī)的命令。另一個(gè)專用存儲(chǔ)器稱為消息緩沖區(qū)，允許從設(shè)備響應(yīng)主設(shè)備。

【圖7 | 處理器間通信（IPC）的各種模式］

信號(hào)量

信號(hào)量是一種防止多個(gè)源同時(shí)訪問(wèn)共享資源的機(jī)制。在多核處理器中，共享硬件位置充當(dāng)信號(hào)量來(lái)指示，例如，特定共享外圍設(shè)備是否正在被特定內(nèi)核使用。在訪問(wèn)外設(shè)之前，系統(tǒng)中的其他核讀取信號(hào)量狀態(tài)以查看其是否可用。

串行存儲(chǔ)器接口（物聯(lián)網(wǎng)存儲(chǔ)器的選擇）

內(nèi)存是任何物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)不可或缺的一部分，用于代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)?，F(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備所需的不斷增長(zhǎng)的智能推動(dòng)了對(duì)更大代碼和數(shù)據(jù)內(nèi)存的需求。然而，將所有這些存儲(chǔ)器作為內(nèi)部存儲(chǔ)器集成到設(shè)備中會(huì)增加 MCU 的芯片尺寸和成本。另一種方法是提供根據(jù)需要在外部擴(kuò)展內(nèi)存的選項(xiàng)。這使開(kāi)發(fā)人員能夠根據(jù)最終應(yīng)用程序的需要添加內(nèi)存。此外，如果在開(kāi)發(fā)周期過(guò)程中發(fā)現(xiàn)預(yù)算的內(nèi)部存儲(chǔ)器空間不足，則可以引入額外的外部存儲(chǔ)器，而無(wú)需重新設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)。

了解外部存儲(chǔ)器接口的速度和安全性以及它的易用性也很重要。一般來(lái)說(shuō)，串行存儲(chǔ)器是比并行存儲(chǔ)器更好的選擇，以節(jié)省 MCU 上有限的 IO 引腳。雖然基于 SPI 的串行存儲(chǔ)器為數(shù)據(jù)記錄提供了合理的接口速度，但直接執(zhí)行外部代碼需要更高的速度。這些要求促使 MCU 制造商提供 SPI 的替代方案。這是不同方案的數(shù)據(jù)吞吐量的快速比較。

SPI：支持 1 位/周期吞吐量

Dual-SPI：支持 2 位/周期吞吐量

Quad-SPI：支持 4 位/周期吞吐量

Dual Quad-SPI：支持 1 字節(jié)/周期吞吐量

通常，MCU 將同時(shí)支持多種類型的存儲(chǔ)器，從而為開(kāi)發(fā)人員提供最大的靈活性。

由于許多物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)處理用戶的個(gè)人數(shù)據(jù)，因此確保數(shù)據(jù)安全非常重要。同樣，代碼存儲(chǔ)器需要保護(hù)以防止未經(jīng)授權(quán)使用設(shè)備。外部存儲(chǔ)器在這方面的安全性方面更容易受到攻擊，因此需要特殊的機(jī)制來(lái)保護(hù)外部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。為此，MCU 使用各種加密技術(shù)（例如 AES、DES、RSA）來(lái)保護(hù)數(shù)據(jù)和代碼免受未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)。例如，賽普拉斯半導(dǎo)體的 PSoC 6 BLE MCU 提供了一個(gè)特殊的串行存儲(chǔ)器接口 （SMIF） 外設(shè)，支持直接執(zhí)行外部代碼的就地執(zhí)行 （XIP） 模式和用于數(shù)據(jù)記錄的備忘錄映射 IO （MMIO） 模式。它使用特殊命令進(jìn)行控制，例如閃存的編程/擦除、存儲(chǔ)設(shè)備的睡眠模式進(jìn)入等。

【圖8 | 串行存儲(chǔ)器接口 （SMIF） 的示例］

SMIF 允許用戶配置多個(gè)相同或不同類型和大小的存儲(chǔ)設(shè)備。在內(nèi)存 （XIP） 模式下，多個(gè)內(nèi)存設(shè)備被映射到不同的地址。它們可以是不同的內(nèi)存類型，將它們與系統(tǒng)中的不同目的對(duì)齊。它們也可以是配置在連續(xù)地址空間中的相同內(nèi)存設(shè)備，以模擬連續(xù)的大內(nèi)存。將 SMIF 外設(shè)與 SPI 閃存結(jié)合使用是外部 NAND 和 NOR 閃存的可行替代品，并且還可以節(jié)省電路板空間。由于串行閃存直接映射到處理器的內(nèi)存空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并支持執(zhí)行 XIP，因此與 NAND 存儲(chǔ)器相比，易用性得到了改進(jìn)。

系統(tǒng)安全、隱私和安全（信任根）

一旦連接了設(shè)備，就會(huì)引入被黑客入侵的可能性。因此，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的安全性是一個(gè)不可協(xié)商的因素，無(wú)論該設(shè)備是個(gè)人可穿戴手環(huán)還是聯(lián)網(wǎng)汽車。所有級(jí)別都需要數(shù)據(jù)保護(hù)，包括存儲(chǔ)、處理和通信期間，以確保系統(tǒng)可靠性。此外，任何處理數(shù)據(jù)的軟件或固件也應(yīng)該受到保護(hù)。這種安全性可以在兩個(gè)級(jí)別上啟用。第一層是軟件的安全性。第二層是硬件安全，即通過(guò)硬件保護(hù)軟件。

通常，基于軟件的安全性使用存儲(chǔ)在代碼空間中的密鑰。盡管這在技術(shù)上可以執(zhí)行加密和解密，但該過(guò)程仍然容易受到黑客攻擊，因?yàn)樗谴鎯?chǔ)代碼。代碼被解碼的那一刻，安全性就被打敗了。

基于硬件的安全使用集成電路來(lái)保護(hù)系統(tǒng)；例如，代碼和數(shù)據(jù)的加密和解密?；谟布陌踩允亲园?，不需要任何額外的軟件即可運(yùn)行，從而消除了惡意代碼、感染、污染或其他漏洞損害系統(tǒng)、客戶數(shù)據(jù)和服務(wù)的可能性。因此，在保護(hù)敏感數(shù)據(jù)或代碼時(shí)，基于硬件的安全性是首選方法。這就是為什么用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的 MCU 具有復(fù)雜的集成硬件安全功能，例如加密塊、代碼保護(hù) IP 和其他基于硬件的機(jī)制。

與固件實(shí)施相比，基于硬件的安全性還具有提供更快性能和更低功耗的額外好處。例如，賽普拉斯 PSoC 6 BLE MCU 中的專用加密模塊可加速加密功能。此外，該塊還提供真隨機(jī)數(shù)生成功能、對(duì)稱密鑰加密和解密、散列、消息身份驗(yàn)證、隨機(jī)數(shù)生成（偽和真）、循環(huán)冗余檢查以及啟用/禁用、中斷設(shè)置和標(biāo)志等實(shí)用功能。 該 MCU 器件還配備了安全啟動(dòng)功能。安全啟動(dòng)使用 ROM 例程來(lái)保證 Flash 中用戶數(shù)據(jù)的身份驗(yàn)證。安全啟動(dòng)是一個(gè)涉及密碼學(xué)的過(guò)程，它允許物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開(kāi)始執(zhí)行經(jīng)過(guò)身份驗(yàn)證且因此受信任的軟件來(lái)運(yùn)行。

在第 1 部分中，我們介紹了先進(jìn)的工藝技術(shù)、低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)、多核系統(tǒng)的功耗注意事項(xiàng)、內(nèi)核間通信、串行存儲(chǔ)器接口和系統(tǒng)安全性。在第 2 部分中，我們將介紹高級(jí) BLE 無(wú)線鏈路、模擬前端、智能觸摸界面以及其他對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)很重要的技術(shù)。

審核編輯：郭婷