越来越强大的微控制器

来源: 日期:2017-12-11 点击: 235

MCU将在汽车和物联网设备中发挥着越来越重要的角色,但他们也越来越难设计。 

微控制器变得越来越复杂,功能更强大,而且更有用,但这些改进是带有附加条件的。

开发具有先进电源管理功能的多核微控制器(MCU)硬件相对来说比较简单,由于内存有限,编写这些芯片的软件要困难很多。处理器CPU可以使用片上存储器如SRAM,或片外存储器像DRAM。但对一个MCU来说,一切资源都是片上的。因此CPU可以运行Linux或Windows这样的大型操作系统,MCU则需要更轻的实时操作系统,其中有许多被定制为一个或多个特定功能。

“如果您观察视觉市场,您可以支持MCU风格或CPU风格的视觉应用程序,甚至有重叠交叉的应用程序供你选择,” Cadence的IP研究员兼首席技术官Chris Rowen说。“用微控制器,你得到的是片上的低帧分辨率芯片,并且有一个多样性的复杂的接口,无论CPU或MCU都是如此。但是用CPU,你就可以马虎点儿了,比如你可以写遍整个缓冲区, 用MCU你可能没有足够的空间写这些。二者之间切换是棘手的,引入bug的机会也更高。”

如果用MCU替代CPU这将是十分困难的,无论是作为一个加速器、一个协处理器,或者是一个更强大、更节能的备用处理器而言。

“使用单片机编程,面临的挑战是跟上先进的工艺制程,”Rowen说。“我不在乎我的车库门开启器消失了几百微秒然后又回来,但是如果你试图保持一个高速的数据流,你就需要并行性。因此,如果您将MCU看作另一个子引擎,则需要处理器能够进行数据计算,这就要求编程风格更宽容。当你把一个单片机移到一个高数据速率的环境下使用,它会变得更加困难。”

更为糟糕的是,MCU正在被越来越多地以非标准的方式使用。在很多场合,他们经常被嵌入到复杂的SoC中。因此,虽然功能可能受限于某项特定的任务,例如唤醒CPU等,从设计、验证和一致性的视角看,让多机同步到一个设备是很困难的。 

“这种趋势正在加速。我们在同一片SOC上看到了ARM Cortex A(CPU)和M(MCU)核的结合,”Mentor的嵌入式高级产品线经理Andrew Caples说。“在ADAS(先进驾驶辅助系统)应用领域,例如类似the crème de la crème这样的‘精品嵌入式应用’,你可以用许多处理单元-像MCU、MPU、DSPs来实现。这意味着更长的平均无故障时间、较低的材料成本和更少的散热,但它也增加了复杂性。所以当在单片机,GPU和DSP上有多个RTOS(嵌入式实时操作系统)时,你必须在一个单一的SoC封装里作开发和调试。这意味着你正在开发跨异构平台工作的解决方案,它给半导体厂商提供了很大的压力,他们必须开发库和解决方案,使所有这些设备的利用更加可行。”

Caples说,只要有多个核和操作系统,就有许许多多的同步问题,因为一个内核工作时必须等待另一个核。

“我们经常在这个空间中寻找解决工具,”他说。“对做硬件的人来说,摩尔定律曾为他们服务多年。对硬件来说随着性能的提高,成本开始下降。软件开发恰恰相反。随着复杂性增加,成本增加。没有什么能改变这种状态。”

欢迎到MCU的时代

尽管面临挑战,复杂系统中MCU的作用预计将增加更多的事物进行连接,并需要越来越多地与其他事物沟通。MCU是高效节能的,所以和CPU比起来他们是相对廉价的。8位单片机将继续在执行基础任务中扮演重要的角色,而32位甚至64位多核微控制器可以处理更复杂的计算。所有这些可能都会跟CPU或GPU(可能大部分时间都不会点亮)在同一片SOC中解决。

“MCU开始变得越来越复杂,”ARM的模型技术总监Bill Neifert说。“我们从32位微控制器的引入就认识到这一点。然而人们还会问它们还能为你做什么?”

事实证明,答案不仅仅是满足汽车应用中的安全和安全要求。各种各样的微控制器能够检测出从工业设备到智能拖鞋的各种应用场景,例如一个人什么时候跌倒等等。在这种情况下,微控制器通常适合这类任务,因为它提供了一种讲究成本效益和节能的嵌入式处理器,可以为特定的应用程序而构建。

“每个人都想要得到最有效的解决方案。而定制的微控制器可以为一般用途的产品提供成本和功率上的优势,”Neifert说。“特别是物联网设备通常对电池极为敏感,因此,顾客能够寻找到可以让你迅速转向到特殊用途产品的微控制器,特别是在消费类领域。定制MCU不需要建模,它远比需要建模的CPU或GPU简单得多。”

复杂性是相对的。“我们将有64位单片机,真的可以做一些很智能的东西,” Vista的创投管理合伙人Jim Hogan说。“但其代码堆栈将是非常有限的。”

除了这一转变,计算本身也在演变,尤其是在物联网应用中。“这不是传统的计算,” ARM物联网营销副总裁Zach Shelby说。“例如,我们看到32位和64位微控制器很快就进到了MEMS。但问题是我们如何获得正确的软件应用程序,这些软件的容量足够大,以至于他们可以反复地做同样的事情。FPGA不太适合低功耗应用。如果你在硅上做专门的混合信号视觉检测算法,你必须使用微控制器,它是同一个应用程序一次又一次地重复的过程。”

挑战在于MCU必须很好地和其他处理器工作良好,因为它的片上存储容量有限。在系统设计中涉及的一个大问题是庞杂大量的数据,特别是流图像处理和模式/图像识别。我们可以有几个高级方法来解决这类问题,一是要有更快的处理器和更多的内存,二是要有更多的处理器可以更有效地协同工作。即使单个处理单元较慢,它们也可以在合理的时间内完成任务,并且可以根据需要进行拨号。

“你需要这种灵活性,因为你需要处理许多异构应用程序,你不想在一个同质模型的基础上妥协,这就是CPU和GPU设计的目的,“NetSpeed Systems的联合创始人和首席执行官Sundari Mitra说。“微控制器的优点是,他们有一个可编程的微码引擎排序,所以你可以在一个比硬处理器IP更灵活一点的环境中设计它们。微控制器允许你有一些灵活性,虽然不是太多。它给人们提供了在结构设计中灵活设计的机会。

CPU对浮点算法非常有用, GPU非常适合于基于视觉的处理,MCU的擅长恰好是介于两者之间。这些可能是物联网的边缘设备,像可穿戴设备。这些可能是汽车引擎里的MCU。它们之间的不同之处在于需要一种适应性强且足够灵活的体系结构。如果人们了解他们的工作流程,如果他们被优化,MCU将允许您引入一些多样性,并在计算引擎中具有异质性。”

如何定义MCU

在一般情况下,相比CPU和GPU,MCU是以精简处理单元的方式运行在比较低速的时钟下。内存层次结构是最明显的区别,特别是8位和16位版本,它们因为低成本和低功耗而应用非常流行。但是用先进的32位MCU和低端CPU比较,这条线变得有些模糊。变得更模糊的是64位多核微控制器。

“在大的方面来说,CPU通常是针对单个线程或多线程性能进行优化的,这取决于应用程序的工作负载,”Mitra说。“如果你把它变成更真实的东西—这就是物联网—它是关于更实时的决策。他们的工作负载没有针对这些事情进行优化。也许他们的工作负载被优化了,以便更好地感知环境中正在发生的事情,并在此基础上做出决定。你不会一次又一次地感受到同样的事情。有很多机器学习涉及到确保你在学习和适应,你学的越多,你就越适应于它。这就是MCU的长处地方所在。那么与单片机的工作又有什么不同呢?CPU和GPU都很好理解,反而单片机不好理解。你必须要利用稍微有限的信息工作。而且设计参数也在不断变化,所以你的设计必须证明是可行的。”

这也使得很难明确定义MCU市场,而且很难提出一一对应的对市场的预测。在本月早些时候发表的一份报告中,Brisk Insights预计MCU市场将以15.8%的年复合增长率增长,增长一直持续到2022年,这在很大程度上是由物联网推动的,其中32位微控制器的增长最快。Databeans将增长率设定为6%,这在很大程度上是由工业需求所驱动。

从供应商的角度来看,Gartner认为在这个领域的顶级玩家依次排位有瑞萨、NXP、意法半导体,Microchip,TI和英飞凌。

但作为MCU出现在新的领域以及新的使用案例,市场就变得更为零散和难以追踪。

“当我们看到更来越多复杂的芯片,他们几乎总是包含MCU,”Arteris 的营销副总裁Kurt Shuler说。“所以在汽车上有各式各样的芯片,即使是更大的芯片也会有MCU在后台运行。他们在无线数字基带领域也很盛行。”

在这些设备上运行的定制代码可以使它们具有很高的功率效率,还有一些工作正在进行中,在睡眠模式通过更慢的唤醒时间对某些功能进行唤醒。但从硬件的能力方面面临的挑战要小于从系统的角度如何利用这些能力。

结论

MCU的研发还在不间断地进行中。即使是定义的变化,但方向始终是明确的。在接下来的岁月里,它们将是边缘节点设备的重负荷承载者,在许多最终连接或能够连接到因特网的设备上,甚至可能与其他处理器相连。

但MCU的潜力究竟有多大被真正地利用了,仍是今后讨论的主题。Mentor的Caples说,在软件开发过程中,可能需要花费数年才能利用这些设备内置的一些功能。“没有人有时间去做那件事。“ 至少现在还没有。

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*本文译自SEMICONDUCTOR ENGINEERING 作者Ed Sperling

翻译:韩继国 智慧产品圈顾问


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