用戶期望智能器件既功能強(qiáng)大、安全可靠，又能延長(zhǎng)電池壽命。為了滿足這些期望，開發(fā)人員現(xiàn)在主攻可任其發(fā)揮的 MCU，讓這些 MCU 不僅能提供足夠的低功耗性能和存儲(chǔ)器以滿足中等特性要求，又能夠?qū)崿F(xiàn)安全更新以實(shí)現(xiàn)功能增強(qiáng)和故障修復(fù)。

隨著 MCU 成為可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和其他智能便攜式產(chǎn)品的核心，MCU 必須組合好高性能和低功耗，以便在小尺寸產(chǎn)品中執(zhí)行日益復(fù)雜的軟件應(yīng)用，同時(shí)最大限度地減少電池消耗。除了安全保證，長(zhǎng)工作壽命和易用性對(duì)用戶體驗(yàn)同樣至關(guān)重要。

本文將介紹如何使用 Maxim Integrated 提供的支持力度大的現(xiàn)有 MCU 系列來滿足這些要求。

明確好的用戶體驗(yàn)

在很多方面，用戶的要求與開發(fā)人員過去努力去滿足的并沒有根本的不同。然而，對(duì)于新興智能產(chǎn)品的可接受解決方案，設(shè)計(jì)人員卻面臨著重大的差異。用戶越來越期望產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，并且可以舒適地放在身上，或者放在家中或公司里也不會(huì)太引人注意。用戶更有可能接受這樣的智能產(chǎn)品：不需要給予過度關(guān)注，使用、充電、更新操作不會(huì)非常繁瑣，同時(shí)始終安全。

除了易于交互之外，用戶還希望智能產(chǎn)品能夠與提供類似功能的傳統(tǒng)產(chǎn)品一樣，具有大致相同的尺寸和外觀，包括“風(fēng)格”。例如，用戶較可能接受的可穿戴健身設(shè)備更像是一只手鐲或腕表，而不是戴在手腕上的一個(gè)怪模怪樣的東西。

當(dāng)然，如果產(chǎn)品無法為用戶提供足夠的價(jià)值，那么即使易于交互且風(fēng)格很受歡迎，產(chǎn)品仍然會(huì)失敗。一個(gè)時(shí)尚腕戴式設(shè)備若提供的有用信息非常之少，那么與昂貴的腕帶無異。要將技術(shù)和風(fēng)格很好地接合起來，這需要一定程度的隱形智能。

為了實(shí)現(xiàn)這種隱形智能，開發(fā)人員需要調(diào)整一些高級(jí)特性，例如舒適的交互、熟悉的外觀和高價(jià)值信息等，將其轉(zhuǎn)化為適合應(yīng)用的獨(dú)特要求。

擴(kuò)充要求

對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言，若要滿足用戶對(duì)輕松交互的期望，就要提供足夠的性能來讓智能產(chǎn)品上運(yùn)行的更復(fù)雜應(yīng)用軟件快速輸出結(jié)果。這些功能需求又轉(zhuǎn)化為對(duì)處理器的需求，處理器必須能夠執(zhí)行該軟件，同時(shí)從日益增多的傳感器模態(tài)中提取更多有用信息。

在獲取信息時(shí)，這些設(shè)備將獲得對(duì)特權(quán)信息的訪問權(quán)限，特權(quán)信息則要求通過強(qiáng)大的安全機(jī)制來給予保護(hù)，同時(shí)又不破壞應(yīng)用性能。

除了這些直接需求之外，智能設(shè)備還需要通過隱形運(yùn)行的軟件更新來應(yīng)對(duì)新類型的攻擊，但這些更新又不能給用戶增加負(fù)擔(dān)。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)需要具備高效的節(jié)電特性，以便能延長(zhǎng)電池壽命，使用戶無需攜帶笨重的電池或頻繁充電。

確保易用性涉及的各種要求本身就具有挑戰(zhàn)性，而滿足用戶對(duì)智能產(chǎn)品美觀性的期望，又進(jìn)一步加大了挑戰(zhàn)難度。大體積的電池、超大的設(shè)計(jì)尺寸或笨拙的用戶界面可能會(huì)扼殺用戶的興趣，打消他們嘗試與產(chǎn)品交互的愿望。

將智能融入設(shè)計(jì)時(shí)，開發(fā)人員需要在形式與功能的兩極之間找到平衡點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)這一平衡，開發(fā)人員需要進(jìn)一步限定備選解決方案，重點(diǎn)關(guān)注能夠解決高性能和低功耗、豐富功能與尺寸、靈活性與安全性這些傳統(tǒng)沖突的方案。

另一個(gè)因素是成本。物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備和智能產(chǎn)品在快速發(fā)展，開發(fā)人員必須提供硬件及軟件更新來支持未來需求。在規(guī)劃未來的功能增強(qiáng)時(shí)，需要在初始設(shè)計(jì)中增加備用的功率和存儲(chǔ)空間，開發(fā)人員必須平衡好可能因此帶來的成本增加。

對(duì)于開發(fā)人員來說，若要解決上述眾多需求，最佳著眼點(diǎn)就在作為嵌入式智能產(chǎn)品設(shè)計(jì)核心的 MCU 上。雖然 8 位和 16 位 MCU 仍然很受歡迎，但隨著用戶期望的提升，智能產(chǎn)品需要提供更高的性能和功能。因此，32 位 MCU 也頗受智能產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)的歡迎。例如，與 8 位或 16 位 MCU 相比，32 位 MCU 可以用更少的指令周期完成 32 位加法等基本運(yùn)算（清單 1）。

Copy anl PSW, #0E7H ;Register Bank 0 mov a, r0 ;load X low byte into acc add a, r4 ;add Y low byte mov r0, a ;save result mov a, rl ;load X next byte into acc addc a, r5 ;add Y next byte with carry mov rl, a ;save result mov a, r2 ;load X next byte into acc addc a, r6 ;add Y next byte mov r2, a ;save result mov a, r3 ;load X high byte into acc addc a, r7 ;add Y high byte with carry mov r3, a mov C, OV ret (A) mov a, r0 add rl mov r0, a ret (B)

清單 1：為執(zhí)行 32 位加法，8 位 MCU 需要的指令周期數(shù) (A) 顯著多于 32 位 MCU 的周期數(shù) (B)。（代碼來源：Maxim Integrated）

隨著設(shè)計(jì)人員在傳感器融合算法中結(jié)合多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)流，高性能 32 位 MCU 變得更加重要。傳感器融合算法有很多應(yīng)用，例如生成精確方向和室內(nèi)位置信息，這是用戶越來越希望從可穿戴設(shè)備和移動(dòng)產(chǎn)品獲得的信息。在這種情況下，像 Maxim Integrated 的 Darwin MCU 系列這樣的高級(jí) MCU 的能力對(duì)于實(shí)現(xiàn)隱形智能至關(guān)重要。

實(shí)現(xiàn)隱形智能

Darwin MCU 專為支持新興智能產(chǎn)品的需求而設(shè)計(jì)。該系列將低功耗操作與全套集成功能結(jié)合在一起，產(chǎn)品包括 MAX32620、MAX32625 和 MAX32630。

Darwin MCU 基于帶浮點(diǎn)單元 (FPU) 的 32 位 Arm? Cortex?-M4，其不僅全面支持低功耗操作，而且具備專門用于外設(shè)管理、電源監(jiān)控和加密的模塊（圖 1）。安全型版本（如 MAX32631）通過集成信任保護(hù)單元 (TPU) 來擴(kuò)展對(duì)安全性的支持，該單元能夠在智能產(chǎn)品與外部主機(jī)的每次交互中保障機(jī)密性、完整性和真實(shí)性。

圖 1：Darwin MCU（如 MAX32630 及其安全型版本 MAX32631）將 32 位處理性能與全套外設(shè)、接口、專用模塊結(jié)合在一起，并且在 MAX32631 中納入了支持關(guān)鍵安全機(jī)制的信任保護(hù)單元 (TPU)。（圖片來源：Maxim Integrated）

開發(fā)人員可以利用 MCU 的多個(gè)模擬和數(shù)字外設(shè)以及串行接口，來簡(jiǎn)化使用多個(gè)傳感器的系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。Maxim Integrated 通過其 MAXREFDES100 評(píng)估套件展示了這種簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。該套件包括一塊展示多個(gè)傳感器使用方法的電路板和參考設(shè)計(jì)，具體包括 Maxim MAX30205 體溫傳感器、MAX30003 ECG 模擬前端 (AFE)、MAX30101 脈搏血氧計(jì)，以及其他適用于典型可穿戴健身設(shè)備的傳感器。

雖然在捕獲更復(fù)雜數(shù)據(jù)的過程中必須使用靈活的接口，但 Darwin 指令集架構(gòu)能夠使這些 MCU 快速執(zhí)行復(fù)雜的算法，不斷滿足從這些數(shù)據(jù)提取有用信息的需要。該指令集融合了 16 位和 32 位指令，減少了應(yīng)用軟件的占用空間，同時(shí)保留了 32 位架構(gòu)每字節(jié)執(zhí)行更多指令的能力。除了集成 FPU 外，Darwin CPU 架構(gòu)還含有高速硬件乘法累加運(yùn)算 (MAC) 和單指令多數(shù)據(jù) (SIMD) 并行處理能力，從而提供數(shù)字信號(hào)處理功能。

這種浮點(diǎn)和 DSP 指令的結(jié)合有助于 Darwin MCU 更快地執(zhí)行數(shù)據(jù)密集型算法，以便滿足在下一代產(chǎn)品中內(nèi)建智能的需求。同時(shí)，這些 MCU 集成了足夠大的片上存儲(chǔ)器，可以存儲(chǔ)算法和其他應(yīng)用代碼，以及越來越多的系統(tǒng)級(jí)軟件，包括實(shí)時(shí)內(nèi)核、通信堆棧和安全協(xié)議棧。在 Darwin MCU 系列產(chǎn)品中，開發(fā)人員可以找到最適合其應(yīng)用的閃存與 SRAM 組合。MAX32630/MAX32631 MCU 提供 2 MB 閃存和 512 KB SRAM；MAX32620 提供 2 MB 閃存和 256 KB SRAM；MAX32625 提供 512 KB 閃存和 160 KB SRAM。為簡(jiǎn)化這些存儲(chǔ)器的使用，Darwin MCU 支持一致的存儲(chǔ)器映射，將各種存儲(chǔ)器類型和存儲(chǔ)器映射寄存器合并到單個(gè)地址空間中（圖 2）。

圖 2：Darwin MCU 使用單個(gè)地址空間，其中包含各種存儲(chǔ)器類型以及用于功能塊的存儲(chǔ)器映射寄存器。（圖片來源：Maxim Integrated）

開發(fā)人員可以進(jìn)一步擴(kuò)展可用閃存，以支持非常大的代碼集或系統(tǒng)庫(kù)。Darwin MCU 支持芯片內(nèi)執(zhí)行 (XIP) 操作，允許 CPU 直接從外部閃存執(zhí)行代碼。Maxim Integrated 在其 MAXREFDES100 參考設(shè)計(jì)中展示了這種方法，其中包括一個(gè) 32 MB Cypress Semiconductor S25FS256SAGNFI001 閃存器件。

盡管有強(qiáng)大的存儲(chǔ)器和處理能力，Darwin MCU 仍能滿足開發(fā)人員對(duì)低功耗的需求。在本文提及的產(chǎn)品中，MAX32630/MAX32631 MCU 支持最大的集成存儲(chǔ)器，只需低至 3.4 微瓦 (μW) 的功耗即可保持其 512 KB SRAM。在完全活動(dòng)模式下，其功耗仍然只有 130 μW/MHz。這兩者之間還有一個(gè)中間地帶：在使用集成外設(shè)管理單元 (PMU) 的特殊模式中，消耗 30 μW/MHz 即可支持外設(shè)操作，同時(shí) CPU 內(nèi)核處于超低功耗休眠狀態(tài)。

Darwin MCU 在處理器休眠的同時(shí)能夠運(yùn)行外設(shè)，這使得開發(fā)人員可以通過限制 CPU 需要保持活動(dòng)模式的時(shí)間來降低功耗。開發(fā)人員不必使用完全活動(dòng)的 CPU 定期輪詢傳感器并將結(jié)果傳輸?shù)街鳈C(jī)，而是可以使用 Darwin MCU 針對(duì)“等待中斷”、“等待事件”和“退出時(shí)休眠”的指令，最大限度地減少有效占空比，并降低整體系統(tǒng)功耗（圖 3）。

圖 3：在可穿戴或其他傳感器系統(tǒng)中，開發(fā)人員可以通過最大限度增加 CPU 處于低功耗休眠狀態(tài)的時(shí)間來大幅降低系統(tǒng)功耗，喚醒時(shí)間只需足以獲取傳感器數(shù)據(jù)并將結(jié)果傳輸?shù)街鳈C(jī)即可。（圖片來源：Maxim Integrated）

較慢的 MCU 從休眠模式轉(zhuǎn)換到活動(dòng)模式常常會(huì)浪費(fèi)一些功耗，而這些 MCU 的喚醒時(shí)間為 5 μs，可以降低轉(zhuǎn)換期間所浪費(fèi)的功耗。結(jié)合其 SRAM 保持休眠狀態(tài)，這些器件可以快速恢復(fù)處理，不存在因?yàn)槭褂猛獠糠且资源鎯?chǔ)器來保存和恢復(fù)狀態(tài)而導(dǎo)致的長(zhǎng)時(shí)間延遲與功耗浪費(fèi)。因此，工程師可以開發(fā)出非常高效的功耗敏感型應(yīng)用。

為了支持這些應(yīng)用的開發(fā)，Maxim 提供了 MAX326XX 固件軟件開發(fā)套件 (SDK)，其中包括外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序、電路板支持驅(qū)動(dòng)程序和樣例應(yīng)用程序（圖 4）。

圖 4：Maxim Integrated 的 MAX326XX 固件軟件開發(fā)套件 (SDK) 為應(yīng)用軟件開發(fā)人員提供樣例應(yīng)用程序，展示了如何使用基于 Arm Cortex 微控制器軟件接口標(biāo)準(zhǔn) (CMSIS) API 而構(gòu)建的 SDK 外設(shè)和板卡驅(qū)動(dòng)程序。（圖片來源：Maxim Integrated）

MAX326XX 固件 SDK 外設(shè)和電路板庫(kù)基于 Arm Cortex 微控制器軟件接口標(biāo)準(zhǔn) (CMSIS) API 而構(gòu)建。反過來，應(yīng)用軟件雖然通常與外設(shè)和電路板庫(kù)交互，但可以直接與 CMSIS 交互，以便根據(jù)需要訪問底層硬件。

總結(jié)

用戶希望可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和其他智能設(shè)備能夠在系統(tǒng)中提供復(fù)雜的應(yīng)用，并且易于交互、佩戴舒適以及很有使用價(jià)值。為了滿足這些需求，開發(fā)人員需要將豐富的功能、高性能處理能力和低功耗操作結(jié)合在一起的 MCU。

Maxim Integrated 的 Darwin 系列 MCU專為滿足這些需求而設(shè)計(jì)，能夠讓開發(fā)人員在設(shè)備中更輕松地構(gòu)建隱形智能，不斷滿足智能產(chǎn)品用戶的期望。