鱼与熊掌何以兼得？用MPU还是MCU？

Omdia高级研究分析师Chris Morris认为，“人们对工业自动化、下一代汽车、智能分析和万物互联的需求推升了边缘端微控制器的性能要求——更快速、更准确。为分布式系统提供更先进、更高效的处理能力是实现工业4．0的关键步骤之一。”

文︱立厷

图︱网络

工业自动化、下一代汽车、智能分析和万物互联需求正在推升对边缘端微控制器（MCU）的性能要求。新兴应用需要更高等级的系统集成和边缘智能；工业和汽车系统要依赖精准的实时控制和决策；分布式通信和自动化趋势需要更高的网络带宽……

传统微处理器（MPU）或MCU的能力已显得力不从心。如何让鱼与熊掌兼得，既实现处理，又完成控制，是业界面临的一大挑战。

MPU与MCU本不是一家人

曾几何时，MPU与MCU就是截然不同的两种器件，MPU是Micro Processor Unit，MCU是Mirco Controller Unit。前者是执行“处理”功能的器件；后者主要完成“控制”相关的任务。

MPU和MCU是为满足不同应用场景而按不同方式优化出来的两类器件。MPU注重通过强大的运算／处理能力执行复杂多样的大型程序，通常需要外挂大容量存储器（如高性能RAM和DDR）。而MCU通常运行较为单一的任务，执行对硬件设备的管理／控制功能，通常不需要很强的运算／处理能力，因此也不需要有大容量的存储器来支撑大程序运行。通常以单片集成的方式在单个芯片内部集成小容量的存储器（如闪存）实现系统的“单片化”。

近年来，由于内存架构的变化，MCU和MPU之间的区别已变得越来越模糊，两者之间是否有明确的界限也不再重要。因为，无论我们将其称为什么，不同应用都有不同要求，最终还是要根据这些要求决定使用哪类器件。

工业自动化的三大挑战

目前，全球人口已达78亿，且还在不断增加，预计到2050年将达到100亿。人口增长对基本必需品的需求及舒适、安全生活的追求也在不断增长。工业4．0和即将推出的工业5．0创新技术都是满足上述需求的现代自动化技术。

由于工业4．0趋势和工业自动化的大规模增长，今天的智能工厂需要更快和分布式计算、灵活的网络以及更多边缘智能。制造机器人、机械助手和互联工厂的设计师正在增加工业通信、功能安全和预测性维护等功能，其实现依赖于实时计算、无处不在的网络和边缘分析的进步和融合。实现这些进步需要从现实世界到云的无缝连接，同时将技术推向多个载体，主要挑战有以下三个方面。

实时控制：因为每纳秒都很重要，所以实时控制系统需要既有原始处理能力，又有准确控制信号的能力。精确的模拟信号控制是将改进的控制算法转化为更可靠的电机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的处理能力。

工业网络：工厂对不同类型数据交换的需求导致一些多协议工业以太网标准的迅速采用，以实现机器之间的实时通信。为了实现系统性能、安全性和可靠性方面的目标收益，这种连接已成为强制性。系统设计人员正在寻找与许多不同协议标准兼容的集成网络解决方案，且可以高达1Gbps的速度运行。

边缘分析：正如系统级连接支持实时通信一样，机器学习算法的改进也要支持局部优化，即每台机器或节点都可以在不等待集中决策的情况下采取行动。边缘处理可显著缩短响应时间，从而使人与机器之间的协作变得更顺畅、更安全。

就像一个链条取决于它最薄弱的环节那样，模拟世界和数字世界之间的联系取决于这个链条中的一个常见元素——MCU。在许多工厂系统的电机控制和机器人中，处理器负责从模拟到数字再到模拟的转变，但高性能计算和控制的需求对其能力提出了更高的要求。

为什么是MCU？

Omdia高级研究分析师Chris Morris认为，“人们对工业自动化、下一代汽车、智能分析和万物互联的需求推升了边缘端微控制器的性能要求——更快速、更准确。为分布式系统提供更先进、更高效的处理能力是实现工业4．0的关键步骤之一。”

目前，Arm 处理器内核已成为工业和汽车系统中高度集成、低成本MCU的行业标准，特别是基于Arm 的32位MCU可以为用户提供可扩展的高性能和效能的器件组合，满足各种系统需求；同时带来功能安全、能效、实时控制、先进网络、分析和安全等功能。

高性能MCU的发展趋势在于，将可扩展MCU组合与处理器级计算优化的实时控制、网络和信号处理应用融合在一起，同时具有MCU的易开发性和实时精度。

Sitara AM2x MCU系列的发布缩小了MCU和MPU之间日益增加的性能差距，人们可以使用一种器件来解决不同的应用问题；有助于设计人员突破工厂自动化、机器人、汽车系统和可持续能源管理等应用领域的性能限制。

鱼与熊掌何以兼得？

据德州仪器（TI）中国区嵌入式与DLP应用技术总监师英介绍，TI Sitara AM2x MCU是将处理器级的计算性能与MCU的简易设计合二为一的一种新型MCU。该组合将处理器级计算与典型MCU应用所需的精确实时控制通过简单、高效的封装和高级别集成结合起来，解决了传统MCU的性能瓶颈，扩展了传统MCU的功能，支持实时计算、边缘分析和实时多协议网络等作为工厂效率和智能核心的新功能。

从Sitara AM2x MCU的核心构建块可以看出，它结合了传统MCU和MPU的基本构建块，包括处理核心、网络、模拟集成、安全和安全功能以及自定义加速。

传统MPU和MCU优化的MCU

Sitara AM2x MCU具有多种片上功能，可帮助实时边缘系统的设计者克服性能障碍，而不会增加复杂性。其第一个器件AM2434包括许多基本功能，具有4核－R5F处理子系统、灵活的工业网络引擎（工业通信子系统［ICSS］）、紧密耦合的模拟外设和支持最新加密标准的安全引擎。相比于基于闪存的现有MCU，工程师可以利用其提高10倍的处理能力。

Sitara AM2434 MCU框图

看看Sitara AM2x MCU如何为工业应用带来开创性的性能？

节能处理

AM2434的第一个构建块有4个Arm Cortex －R5F低功耗MCU内核，每个内核工作频率为800MHz，每秒提供最多6400条实时DMIPS，以实现实时控制计算能力。节能处理通过改进算法提高实时控制系统的性能。例如，电机控制系统可以提高机器人的运动精度和速度，提高生产率；测量振动来防止磨损和能量损失，减少工厂停机时间，或者添加异常检测来发现即将发生的灾难性故障。这些新特性需要大量增加计算能力，而传统MCU由于较低的时钟速度而无能为力。

Sitara AM2x MCU架构的核心高性能多核处理提供了性能、效率和灵活性的组合。通过灵活地从单核扩展到4核，并将时钟速度从400MHz扩展到1GHz，可以在不影响延迟的情况下为应用添加功能。该器件的多核架构还可以跨不同核扩展操作，简化在不同时间间隔运行不同功能的软件调度。例如，将实时控制与网络分离，减少给定核的中断次数，更容易保持对所有操作的精确控制。

多协议网络

网络已成为下一代智能工厂的关键需求，但由于目前使用的许多标准以及向1Gbps网络推进，网络变得更加复杂。传统MCU无法与这些不同协议互操作，设计者不得不使用外部通信设备，从而增加了设计成本和功耗。

Sitara AM2x MCU集成了TI的可编程、灵活的千兆网络引擎ICSS。除了工业工具包软件外，ICSS还支持工业协议（包括Profinet IRT、以太网／互联网协议、EtherCAT和IO链路）的开箱即用连接。这种集成无需附加设备，为工厂连接带来了易用性。

高级模拟集成

高级模拟集成是Sitara AM2x MCU架构的另一个特色，它提供专门的模拟和控制外设，如高分辨率脉宽调制器（PWM）和模数转换器（ADC）。这些外设对于实现性能增益（如提高电机稳定性或更高的能源效率）至关重要。新产品组合在单一集成解决方案中，利用TI产品在模拟设计方面的进步简化了系统设计，减少了对附加组件的需求，降低了成本，加快了上市时间。集成的ADC和PWM提高了总体控制精度并减少了延迟，使控制周期时间低至3?s。

处理加速器

许多应用都有非常特殊的计算需求，例如，用于驾驶员辅助功能的雷达处理系统需要每隔几微秒计算许多快速傅里叶变换，这将压垮任何可编程内核。为支持雷达处理而制造的器件需要一个专用的加速器来卸载这些计算。另一个例子是机器学习，推理机在每秒计算量方面相当繁重，也需要加速来支持。Sitara AM2434 MCU添加自定义加速提供了超出标准MCU核能力的专用处理块，可将这些应用中的系统性能提高10到100倍，而不会显著增加成本或功耗。

集成的安全和安保功能

随着连接系统数量的增加，对增强安全性的需求也随之增加。在系统级器件必须有保护措施，以减少安全漏洞的可能性，并支持最新的加密标准。Sitara AM2434 MCU的设计从一开始就非常注重片上系统级设计，提高了系统的安全性和安保功能，包括可编程安全密钥和灵活的防火墙配置。随着安全标准的发展，Sitara MCU架构可以灵活调整和适应，继续提供对最新标准的支持。

片上系统设计还需要符合整个工业和汽车行业所需的安全标准，如汽车安全完整性等级（ASIL）－D和SIL－3。它支持系统级安全解决方案，使开发人员能够使用集成的M4F内核作为系统看门狗，并提供在继续运行时重置器件其余部分的功能。网络外设也可以独立于Arm Cortex －R5F主处理器运行，实现无缝重启。

功率效率

许多需要实时控制的系统都在非常高的环境温度下运行，例如许多电机驱动系统和电动汽车，环境温度可高达85℃，几乎没有为电子设备留出温度耗散的空间。因此，在这样的环境中，处理器需要非常有能力和效率。Sitara AM2x MCU产品组合内置电源管理，提供超高的电源效率，整体功耗仍能保持在1W以内。在典型应用中，AM243x器件可以在消耗不到1W有效功率的情况下实现上述性能，并降低运营成本和能耗。

更像是混搭

有人说，TI Sitara AM2x MCU是一个跨界处理器，其实不够确切，说它是混搭更为准确，因为它是功能优化取舍的产物，进一步弥合了MCU和MPU之间的界限。所提供的一系列器件旨在灵活优化当前系统，在不增加复杂性的情况下克服性能障碍，还能够支持未来系统的未知需求。