新一代微控制器的时代之tron

嵌入式系统设计人员在为特定项目选择最合适的微控制器单元（MCU）时非常了解这种感觉，因为有一系列令人难以置信的选项可供选择。每个供应商可能有多个系列（通常基于完全不同的处理器架构），每个系列都提供无数种变体（引脚、封装、外设、内存等）。除此之外，将应用程序从其中一个系列迁移到另一个系列可能非常耗时且容易出现问题，以至于甚至从未尝试过这种重新定位，即使迁移到不太复杂的设备可以节省资金，或者迁移到更强大的设备可以支持更多功能。基于所有这些，设计师有时会感到“被宠坏了”也就不足为奇了（而且不是以一种好的方式）。

另一方面，确实有必要涵盖广泛的要求和部署。一些应用需要超低成本MCU，而另一些则需要超低功耗，许多现代物联网设备需要包含片上无线连接的MCU。此外，目前正以指数级速度增长的一个技术领域是智能MCU，它能够执行极高水平的计算，同时提供高水平的安全性。这些MCU通常还需要执行复杂的人工智能（AI）和机器学习（ML）任务。所有这些都需要在“边缘”进行，这是互联网与现实世界相遇的地方（或“橡胶与道路相遇的地方”）。

适用于智能家居、城市和工厂的智能MCU

后一类MCU的目标部署包括智能家居、智能城市和智能工厂，包括新兴的工业和物联网边缘应用。我们已经熟悉了语音助手和智能恒温器之类的东西，它们学会了适应我们在家中的独特要求。下一步将是拥有智能设备，如洗衣机和烘干机，可以在潜在问题发生之前检测到它们，并提醒其所有者对其进行维修是个好主意。不久之后，一些设备，例如电动烤面包机，同时支持视觉和语音，因此它们可以识别多个用户并相应地展示他们的烤产品（面包，百吉饼，羊角面包，华夫饼......）。

您是否曾经坐在红绿灯前沮丧地摆动拇指，因为十字路口没有任何绿灯的车辆？这不应该发生在智慧城市的情况下。此外，使用位于路口的摄像头，智能MCU应该能够看到您的汽车接近，意识到没有其他交通，并在您到达路口之前将灯更改为绿色。

在智能工厂的情况下，执行反应性维护不再可行 - 这意味着等待某些东西损坏然后修复它 - 因为工厂的整个运营可能会中断。同样，定期维护 - 包括在任何事情发生故障之前按照重要的时间表检查事物并更换可能仍有使用寿命的零件 - 在人员和材料方面可能很快成为非常昂贵的选择。一种更高效、更具成本效益的方法是预测性维护，智能MCU采用AI和ML技术来监控机器，检测异常，识别潜在问题，并发出适当的警报，如下所示：“强烈建议在接下来的3小时内更换泵#24中的主轴承，否则预测灾难性故障将在72小时+/- 6小时内发生。

多处理器和加速器内核

如果您希望为智能MCU创建规范，一个好的起点是32位Arm Cortex-M33处理器内核，该内核配备强大的浮点单元（FPU），并结合了TrustZone安全性，程序员可以使用它来更轻松地实现软件隔离并创建现代物联网设备所需的安全基础。

当今的许多高端应用程序都可以从拥有两个处理器内核中受益 - 也许是第二个“裸骨”Arm Cortex-M33内核，可以负责处理任何低级后台任务，从而释放主处理器专注于高优先级活动。

另一个考虑因素是，许多应用涉及大量复杂和计算密集型数字信号处理（DSP）。虽然这可以通过Cortex-M33内核中的任何一个来执行，但使用特殊的DSP内核或协处理器可以更有效地执行（更高的性能，同时消耗更少的功率）。同样，许多应用程序需要对数据流进行编码和解码。同样，这些任务可以使用Cortex-M33内核或DSP内核或协处理器执行，但可以使用专用的编解码器加速器内核更有效地执行。

最后但并非最不重要的一点是，我们来到边缘的AI和ML任务。一般而言，人工智能的用例，特别是机器学习功能，正在改变我们与设备和机器的交互方式。Cortex-M33 处理器具有可扩展性和灵活性，足以运行任何类型的 AI/ML 工作负载，但神经处理单元 （NPU） 内核形式的专用人工神经网络加速器可以以数十倍的速度完成工作，同时消耗一小部分功率，从而使其他内核可以自由地执行最适合的任务。

智能MCU的代表性示例

智能MCU的一个代表性例子是恩智浦的新型MCX N系列。MCX N 系列的不同成员提供各种组合或一个或两个 Cortex-M33 处理器，以及 DSP 和其他加速器内核和外设。在这些讨论的背景下，特别令人感兴趣的是，一些成员提供了一个专用的NPU内核，该内核具有用于实时推理的高效计算架构，从而支持本地检测和决策，而无需与云通信。

MCX N 系列还具有具有不可变核心安全功能的 EdgeLock® 安全子系统。作为硅信任根的一部分，它具有侧信道保护的加密加速引擎、密钥管理和设备证明。预配置的安全和密钥管理策略使设备制造商能够简化认证路径，避免代价高昂的错误，并缩短开发时间。

事实上，MCX 产品组合包括四个 MCU 系列。除了专为安全、智能应用而设计的 MCX N Advanced 系列之外，MCX A Essential 系列还经过优化，可为电机控制等广泛应用提供关键功能，在这些应用中，成本限制、高精度数据转换器等高级模拟功能以及快速上市是关键考虑因素。

同时，MCX W 无线系列提供低功耗窄带连接，包括低功耗蓝牙®。其节能无线电旨在简化向物联网设备添加无线连接的过程，有助于延长小型连接系统的电池寿命。最后但并非最不重要的一点是，MCX L 超低功耗系列专为功耗关键型应用而设计。这些器件具有业界最低的静态和动态功耗之一，与传统MCU相比，有助于显著延长电池寿命。

智能未来的到来

我们开始了这个专栏，讨论被宠坏的选择问题。就恩智浦而言，客户可以选择LPC和Kinetis MCU系列两种行业领先的微控制器产品。

MCX 产品组合结合了 LPC 和 Kinetis MCU 系列的最佳功能，重新定义了面向智能连接边缘和工业应用的通用 MCU 的未来。除了提供从 LPC 和 Kinetis MCU 系列到 MCX 域的无缝迁移之外，还可以轻松地跨 MCX 产品组合中的器件迁移应用。

现在的选择很简单。智能未来就在眼前，像MCX N系列这样的智能MCU将成为为我们日益智能的家庭、智能城市和智能工厂提供动力的关键。

审核编辑：郭婷