應(yīng)用處理器與MCU

　　多年以來,，嵌入式處理領(lǐng)域一直根據(jù)設(shè)計的需求分為兩個不同的陣營,。要求經(jīng)濟(jì)實(shí)惠和靈活實(shí)用的應(yīng)用場合會依賴于MCU。超出MCU功能范圍的設(shè)計會改為使用應(yīng)用處理器,。但是，對于嵌入式設(shè)計師而言,，在MCU和應(yīng)用處理器之間實(shí)現(xiàn)無縫擴(kuò)展并非易事,。在MCU和應(yīng)用處理器之間做決定時，嵌入式設(shè)計師如今通常會遇到幾個痛點(diǎn),，包括：

　　? 需要比MCU更多的功能（更高的性能,、更多顯示、更多連接選項(xiàng)）,，但不能增加成本或復(fù)雜性

　　? 缺少經(jīng)驗(yàn)豐富的員工和/或預(yù)算資源,，難以為基于Linux的應(yīng)用處理器設(shè)計提供支持

　　? 既需要實(shí)時系統(tǒng)，也需要應(yīng)用處理器級別的性能和集成度

　　? 必須為應(yīng)用處理器的設(shè)計降低整體物料成本,，同時保持性能水平不變

　　消費(fèi)者對于提升智能,，安全領(lǐng)域產(chǎn)品的用戶體驗(yàn)以及功能的需求從未止步，這也推動了MCU和應(yīng)用處理器的雙雙發(fā)展,。但是,，對于很多新興的使用案例，不管是應(yīng)用處理器還是MCU,，都無法完全滿足該情形的需求。這一問題的完美示例就是,，一位設(shè)備設(shè)計師想要在其產(chǎn)品設(shè)計中添加物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 功能（例如,，數(shù)據(jù)處理、無線連接,、顯示支持）,，同時不能大幅增加單臺設(shè)備的成本，也不能因?yàn)榇蠓秶闹匦略O(shè)計而大大延長其上市時間,。

　　“跨界”處理器—從性能空白到新解決方案領(lǐng)域

　　我們相信,，更智能的互聯(lián)世界的發(fā)展應(yīng)當(dāng)由創(chuàng)新推動，不應(yīng)受限于MCU和應(yīng)用處理器之間的選擇,。嵌入式產(chǎn)品設(shè)計師應(yīng)能夠自由選擇最能為其設(shè)計帶來創(chuàng)新的處理器,，而不是讓處理器的選擇限制了其最終設(shè)計中可能實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)新。在MCU和應(yīng)用處理器之間靈活擴(kuò)展是可行的,，但需要采用一類新的跨界嵌入式處理器來打破高端MCU和低端應(yīng)用處理器之間的技術(shù)鴻溝,。這些跨界嵌入式處理器主要面向消費(fèi)者、工業(yè)和不斷發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,，能夠?yàn)樵O(shè)計提供應(yīng)用處理器的高性能和功能性,，同時兼具M(jìn)CU的易用性、低功耗,、實(shí)時運(yùn)行以及低中斷延遲特性,。此外,，跨界處理器的架構(gòu)中無需使用嵌入式閃存、外部DDR存儲器和電源管理IC,，因此降低了系統(tǒng)的總體成本,。

　　圖1：跨界領(lǐng)域

　　跨界處理器使用應(yīng)用處理器架構(gòu)，提供高集成度,、高速外設(shè),、更高的安全性以及可提升用戶體驗(yàn)的引擎（例如，2D/3D顯卡）,，但僅通過運(yùn)行實(shí)時操作系統(tǒng)（例如RTOS）的低功耗MCU內(nèi)核為系統(tǒng)提供動力,。因此，跨界處理在市場中界定了一塊全新的急需領(lǐng)域,，能夠幫助MCU客戶升級到應(yīng)用處理器級別的性能,，同時沿用當(dāng)前的工具鏈，而且可能不需要花時間和成本將復(fù)雜的Linux（或其他更高級別的操作系統(tǒng)）軟件開發(fā)納入其產(chǎn)品設(shè)計周期,。

　　降低成本—無需片內(nèi)閃存

　　在理想環(huán)境中,，當(dāng)可執(zhí)行代碼和數(shù)據(jù)被存儲在片內(nèi)SRAM中，并從此存儲中執(zhí)行CPU內(nèi)核操作時,，嵌入式處理器的性能達(dá)到最高,。即便在片內(nèi)SRAM中，也只有“緊耦合內(nèi)存”(TCM) 能夠?yàn)閮?nèi)核提供單周期訪問,。對TCM以外任何存儲器的訪問都會增加所需的CPU時鐘周期,，從2級緩存到片內(nèi)閃存再到外部閃存的訪問損耗越來越大。因此,，只有由高密度片內(nèi)SRAM配置而成的TCM才能提供理論上最高的性能,。

　　但在現(xiàn)實(shí)中，集成SRAM的每平方毫米成本非常高昂,，對于在更加成熟的工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)上制造的MCU來說,，更是如此。因此,，嵌入式閃存成為了MCU的所需組件,，作為片內(nèi)SRAM的補(bǔ)充。MCU中的嵌入式閃存被用于存儲可執(zhí)行程序和重要的用戶/系統(tǒng)數(shù)據(jù),，以便內(nèi)核快速訪問這些內(nèi)容,，而無需從外部存儲器獲取。

　　但是,，我們認(rèn)為,，在滿足MCU和應(yīng)用處理器之間的客戶需求時，片上嵌入式閃存的技術(shù)限制和相關(guān)的成本成為了一個很大的負(fù)擔(dān),。嵌入式閃存價格昂貴且富有挑戰(zhàn)性,，對于高級工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)而言尤其如此,。嵌入閃存所需的額外處理會大幅提升芯片的成本。擺脫片上閃存的負(fù)擔(dān)不但能夠降低成本,，還有助于實(shí)現(xiàn)更高頻率的運(yùn)行,，從而提升處理器性能，進(jìn)而讓產(chǎn)品設(shè)計師能夠提升性能,，提高效率并增加更多功能,。

　　由于跨界處理器采用了應(yīng)用處理器架構(gòu)，它們能夠在高級技術(shù)節(jié)點(diǎn)（40nm和更高水平）上制造,，具有大幅縮小的SRAM位單元,，使得集成高密度SRAM比嵌入閃存更加經(jīng)濟(jì)高效。在跨界設(shè)計架構(gòu)中,，SRAM可以配置為具有“零等待”單周期訪問的TCM,，從而大幅提升系統(tǒng)性能。憑借這種關(guān)鍵設(shè)計特性,，跨界處理器的有效性能將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出MCU同等產(chǎn)品,。

　　集高性能、低延遲,、高能效和安全性于一體

　　高性能

　　想象一下TCM和緩存（片內(nèi)SRAM）極小,，但嵌入式閃存密度極高的典型MCU。執(zhí)行應(yīng)用代碼期間,，最近的指令和數(shù)據(jù)通常都被存儲在TCM/緩存中,，以便后續(xù)從CPU內(nèi)核快速訪問。但是,，由于緩存密度低，大部分指令和數(shù)據(jù)都必須存儲在嵌入式閃存或者外部NOR或NAND閃存中,。因此,，CPU內(nèi)核不得不訪問非TCM或非緩存存儲器（也稱為“緩存未命中率”），每次訪問都會大幅降低有效性能,，因?yàn)镃PU必須等待數(shù)十個周期以待數(shù)據(jù)抵達(dá),。因此，緩存未命中率越高,，MCU的有效性能越低,。

　　對于合理架構(gòu)、具備高密度TCM和緩存的跨界嵌入式處理器而言,，即使緩存未命中率高達(dá)5%,，其有效性能也始終高于MCU。（緩存未命中率5%可以理解為,，CPU內(nèi)核在緩存存儲器中尋找所需指令或數(shù)據(jù)的嘗試中,，平均每20次中失敗1次,，需要訪問嵌入式閃存或外部閃存。）但是,，對于最為常見的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,，具備高密度片內(nèi)TCM或緩存的跨界處理器的緩存未命中率可低至1-2%，因此能夠提供明顯高于MCU的有效性能,。

　　低中斷延遲

　　在協(xié)調(diào)對內(nèi)部和外部硬件事件做出及時響應(yīng)方面,，中斷在嵌入式系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用。在與用戶交互的實(shí)時系統(tǒng)中,，它們發(fā)揮的作用尤其重要,，這是因?yàn)橛捎脩糨斎胗|發(fā)的外部事件需要CPU做出可靠的低延遲即時響應(yīng)。試想一下,，具備用戶輸入的視頻流物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用或恒溫器設(shè)備,，如果系統(tǒng)不能實(shí)時對用戶輸入做出響應(yīng)，用戶體驗(yàn)將大打折扣,，甚至用戶可能會認(rèn)為產(chǎn)品無響應(yīng),。因此，中斷響應(yīng)時間是跨界處理器應(yīng)用的一個關(guān)鍵特性,。

　　中斷延遲這個詞指的是CPU響應(yīng)內(nèi)部或外部事件的中斷請求時所需的時鐘周期數(shù),。對于大部分具有實(shí)時響應(yīng)要求的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，中斷延遲成為了衡量有效性能的一個非常重要的指標(biāo),。

　　對于運(yùn)行高級別操作系統(tǒng)（非實(shí)時操作系統(tǒng)）的通用應(yīng)用處理器,，服務(wù)外部中斷并非首要任務(wù)。在完成當(dāng)前的任務(wù)之前,，CPU通常不會響應(yīng)中斷服務(wù)例程 (ISR) 請求,。這就導(dǎo)致在提出中斷請求之后，需要經(jīng)過多達(dá)數(shù)百個延遲周期,，內(nèi)核才會開始服務(wù)此請求,。對于運(yùn)行實(shí)時操作系統(tǒng)、內(nèi)核優(yōu)先響應(yīng)中斷的MCU而言,，就不會出現(xiàn)這種情況,。即使在不同中斷之間，也可以通過合理安排優(yōu)先級結(jié)構(gòu),，確保最高優(yōu)先級的中斷達(dá)到最低的中斷延遲,。

　　跨界處理器采用MCU內(nèi)核構(gòu)建，因此即使它們采用應(yīng)用處理器架構(gòu),，也延續(xù)了低中斷延遲這一重要特性,。跨界處理器的中斷延遲最低可達(dá)到10-20ns,，而應(yīng)用處理器的延遲通常長達(dá)1毫秒,。因此,，跨界處理器最適合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

　　高能效

　　跨界嵌入式處理器集成了高性能DC-DC轉(zhuǎn)換器,，并采用行之有效的門控電源技術(shù)來優(yōu)化能效,。事實(shí)上，憑借目前嵌入式處理器廣泛使用的40nm處理平臺,，跨界處理器的運(yùn)行功率最低能夠達(dá)到100uA/MHz,，不到目前處于市場領(lǐng)先地位的MCU的一半。對于如今市場上未集成DC-DC轉(zhuǎn)換器的很多MCU,，或者當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計出于成本考慮未使用外部DC-DC轉(zhuǎn)換器或PMIC時,，其電流消耗最高會達(dá)到300uA/MHz，導(dǎo)致它們不太適合采用電池供電的應(yīng)用,。

　　對于MCU,，嵌入式閃存相比訪問外部存儲器的優(yōu)勢之一是可以實(shí)現(xiàn)更低的動態(tài)功耗。這在意料之中,，因?yàn)樵L問外部存儲器時,，數(shù)據(jù)必須通過電容I/O驅(qū)動，處理器因此需要耗費(fèi)更多能量,。但正如之前所述,，在跨界處理器中，因?yàn)楦呙芏绕瑑?nèi)SRAM的原因,，對外部閃存的訪問很有限,。此外，跨界處理器采用先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)和低功率處理平臺構(gòu)建,，并與低功耗SRAM集成,，因此與傳統(tǒng)MCU相比，能夠降低整體的動態(tài)功耗,。

　　再者,，存儲器制造商目前以極低的成本提供超低功耗的串行NOR閃存，從而降低了系統(tǒng)級別的功耗,。如果將采用低功耗串行閃存的跨界嵌入式處理器封裝到SiP，能效可進(jìn)一步得到提升,，因?yàn)镮/O引腳的電容負(fù)載較低,。如果SiP成本對某些應(yīng)用能夠合理化（考慮SiP提供的外形尺寸優(yōu)勢），那么兼具跨界處理功能和額外存儲器的解決方案將非常具有吸引力,。

　　安全性

　　存儲在嵌入式閃存中的數(shù)據(jù)可靠而安全,，這通常被援引為在處理器設(shè)計中采用嵌入式閃存的原因。片內(nèi)存儲的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和敏感應(yīng)用程序可即時獲取,，無需通過外部引腳與芯片之間來回傳輸,。只要與芯片之間來回傳輸數(shù)據(jù),，就會給黑客提供攻擊的機(jī)會（旁路攻擊），讓他們可以通過監(jiān)控數(shù)據(jù)引腳中的電信號來攔截或破壞數(shù)據(jù),。如果數(shù)據(jù)未加密（以“明文”傳輸?shù)臄?shù)據(jù)）,，這一弱點(diǎn)尤其令人擔(dān)憂。

　　然而,，使用跨界嵌入式處理器則沒有這種隱憂,，因?yàn)樗鼈儾捎昧伺c應(yīng)用處理器類似的數(shù)據(jù)保護(hù)架構(gòu)?？缃缣幚砥鹘鉀Q方案采用硬件加速加密模塊,，使數(shù)據(jù)能夠以加密的格式存儲在外部存儲器中。需要時,，加密數(shù)據(jù)被傳輸至芯片,，在讀取時“即時”解密，無需經(jīng)過等待解密的周期,?？缃缣幚砥髦械倪@些高級加密加速器能夠大幅提高加密/解密吞吐量，從而無需使用片內(nèi)非易失存儲器來滿足安全性的需求,。

　　即使在硬件加密不適用的情況下,，跨界處理器的高性能內(nèi)核也可用來實(shí)施軟件加密。相比傳統(tǒng)MCU,，這是一個明顯的優(yōu)勢,；MCU內(nèi)核的性能較低，必須通過采用硬件加密模塊來提供物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用所需的加密吞吐量,。

　　基于半導(dǎo)體行業(yè)在開發(fā)先進(jìn)存儲器方面取得的進(jìn)展,，我們預(yù)測在未來兩到三年內(nèi)，非易失性存儲器（例如MRAM,、RRAM等）似乎可用于與嵌入式處理器集成,。它們易于單片集成，可功能多樣（包括替換片內(nèi)2/3級緩存）,，具有即開即用的用戶體驗(yàn),，可用于片內(nèi)安全數(shù)據(jù)庫，或替代傳統(tǒng)嵌入式閃存,?？缃缣幚砥饔型麖耐^集成這些新興存儲器，從而發(fā)揮更大優(yōu)勢,。

　　相關(guān)行業(yè)和應(yīng)用程序

　　作為高性能與易用性特性的有效融合,，跨界解決方案適合一系列特定的應(yīng)用，在此之前，這些應(yīng)用的某些功能通過應(yīng)用處理器和MCU產(chǎn)品都無法得到滿足,?？缃缣幚砥髂艽笳谷_的一些應(yīng)用包括（但不限于）：

　　? 用于高端、消費(fèi)性音頻設(shè)備的音頻子系統(tǒng)設(shè)計,，包括吉他音效踏板等專用設(shè)備,。

　　? 面向大眾市場應(yīng)用的通用嵌入式設(shè)計，例如測量系統(tǒng),、醫(yī)療設(shè)備,、售貨機(jī)以及物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。

　　? 人機(jī)界面 (HMI) 圖形功能,，適用于家居和樓宇自動化（例如HVAC溫度控制,、安保、照明控制面板）,、工業(yè)計算設(shè)計（例如EBS,、PLC、工廠自動化,、測試和測量,、M2M、HMI控制,、裝配線機(jī)器人）以及消費(fèi)類產(chǎn)品（例如智能家電,、攝像機(jī)、LCD及其他高端顯示屏）,。

　　? 電動機(jī)控制和電源轉(zhuǎn)換,，適用于3D打印機(jī)、熱敏打印機(jī),、無人機(jī)等專業(yè)設(shè)備,，以及機(jī)器人真空吸塵器等消費(fèi)類產(chǎn)品。

　　i.MX RT跨界處理器

　　憑借數(shù)十年來為消費(fèi)者,、工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)市場提供MCU和應(yīng)用處理器的領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)驗(yàn),，恩智浦開發(fā)出了全新嵌入式處理器系列—— i.MX RT跨界系列處理器。新型的i.MX RT跨界系列處理器基于ARM? Cortex?-M7內(nèi)核,，采用了i.MX 6ULL應(yīng)用處理器架構(gòu),，囊括了上文提到的跨界處理器的所有特性，提供了市場上首款真正能夠填補(bǔ)MCU和應(yīng)用處理器之間空白的解決方案,。它把應(yīng)用處理器級別的性能帶到了MCU領(lǐng)域,，能夠支持實(shí)時、高性能處理功能,，例如攝像頭和顯示功能。

　　高性能、實(shí)時處理

　　i.MX RT系列的內(nèi)核運(yùn)行速度可達(dá)600 MHz（相比之下,，現(xiàn)有MCU的最高速度只有400MHz）,。這是目前具有最高性能水平的Cortex-M7解決方案，可提供3015 CoreMark?/1284 DMIPS (> 2 DMIPS/MHz),。

　　得益于高密度的512KB TCM SRAM,，i.MX RT系列還能夠?qū)崿F(xiàn)超快的實(shí)時響應(yīng)。其中斷延遲低至20納秒,，在全世界所有基于ARM Cortex的產(chǎn)品中,，這是最短的中斷延遲，這都?xì)w功于高性能和Cortex-M7內(nèi)核的強(qiáng)強(qiáng)組合,?？偠灾琲.MX RT跨界處理器的性能可達(dá)競爭產(chǎn)品的2倍,。

　　圖2：i.MX RT1050功能框圖

　　i.MX RT系列不僅具備應(yīng)用處理器級別的性能,，它們還提供基于MCU的產(chǎn)品設(shè)計空間里所具備的關(guān)鍵可用性特性：易用性、低成本以及與現(xiàn)有實(shí)時軟件基礎(chǔ)設(shè)施和工具鏈的兼容性,。

　　豐富的集成

　　i.MX RT系列支持包含高級多媒體的產(chǎn)品設(shè)計,，以實(shí)現(xiàn)GUI和增強(qiáng)型人機(jī)界面 (HMI) 體驗(yàn)。其特性包括高級2D圖形加速引擎,、LCD顯示屏控制器,、攝像頭接口以及提供高性能、多通道音頻流的音頻接口,。

　　正如上文所述,，i.MX RT跨界處理器系列還通過廣泛的外部存儲器接口選項(xiàng)（包括NAND、eMMC,、QuadSPI NOR閃存和并行NOR閃存）支持更大的設(shè)計靈活性,。由于在外部存儲器之間使用高速接口，加之即時解密可實(shí)現(xiàn)安全的外部數(shù)據(jù)存儲,，因此無需使用嵌入式閃存,。

　　就連接性而言，i.MX RT跨界處理器支持有線（以太網(wǎng),、USB等）和無線標(biāo)準(zhǔn),，例如Wi-Fi?、Bluetooth?,、BLE,、Zigbee?、Thread?以及其他選項(xiàng),，讓互聯(lián)世界數(shù)以千計的應(yīng)用成為可能,。

　　使用簡便

　　i.MX RT系列旨在讓基于MCU的開發(fā)人員能夠輕松使用這些新型跨界處理器,，而無需投入大量精力來開發(fā)新軟件實(shí)現(xiàn)工具或?qū)W習(xí)更高級別的操作系統(tǒng)，例如Linux或Android?，F(xiàn)有的MCU客戶能夠利用i.MX RT系列大幅提升性能功能,，同時繼續(xù)使用他們現(xiàn)有的工具鏈（例如MCUXpresso、IAR和Keil）,。

　　i.MX RT還支持使用恩智浦的FreeRTOS,、SDK、ARM? mbedTM以及提供軟件庫,、在線工具和相應(yīng)支持的全球ARM生態(tài)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)快速原型制作和開發(fā),。使用與Arduino?硬件盾板兼容的低成本評估套件 (EVK)，還可以進(jìn)一步加快開發(fā)速度,。

　　此外,，i.MX RT解決方案還采用單電壓輸入來簡化電路設(shè)計。

　　低物料 (BOM) 成本

　　通過將最高的功能性與行業(yè)領(lǐng)先的性能和能效相結(jié)合,，i.MX RT系列還可為基于Cortex-M7的嵌入式系統(tǒng)提供最低的成本,。它采用經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的10x10 BGA封裝，間距為0.65mm,，可實(shí)現(xiàn)低成本的四層PCB設(shè)計,。

　　基于Cortex-M7內(nèi)核構(gòu)建也使其無需昂貴的配套器件。例如,，有了具有DC-DC轉(zhuǎn)換器的全集成電源管理功能,，無需再配備外部電源。512 MB片內(nèi)SRAM意味著無需使用外部DRAM,，從而進(jìn)一步降低總物料成本,。

　　圖3：BOM框圖

　　軟件支持

　　當(dāng)前基于MCU的開發(fā)人員可以繼續(xù)使用現(xiàn)有的軟件基礎(chǔ)來開發(fā)基于i.MX RT的產(chǎn)品。但是,，在轉(zhuǎn)變到采用不使用Linux代碼的處理解決方案來構(gòu)建系統(tǒng),，應(yīng)用處理器領(lǐng)域的開發(fā)人員將抱持一些疑問。但是在轉(zhuǎn)變到不使用Linux代碼的解決方案的開發(fā)過程當(dāng)中,，這也會給應(yīng)用處理器領(lǐng)域的開發(fā)者帶來困惑,。

　　i.MX RT處理器運(yùn)行RTOS軟件，而應(yīng)用處理器需要基于Linux的軟件,。這要求基于應(yīng)用處理器的開發(fā)人員學(xué)習(xí)更多與使用實(shí)時操作系統(tǒng)構(gòu)建系統(tǒng)有關(guān)的知識,，但這種付出是值得的，因?yàn)樗麄兛梢越佑|到一個廣闊的市場領(lǐng)域,，該領(lǐng)域的產(chǎn)品要求以更低的成本提供高性能和增強(qiáng)的用戶體驗(yàn),。

　　結(jié)論

　　當(dāng)今市場越來越需要高效、高性能的嵌入式處理技術(shù)來提供增強(qiáng)的用戶體驗(yàn)和更高的數(shù)據(jù)處理能力,，同時不增加成本和功耗,，這就導(dǎo)致嵌入式處理器領(lǐng)域內(nèi)出現(xiàn)了空白,。為了填補(bǔ)這種空白，我們推出了一種新型嵌入式處理器,，它們具備應(yīng)用處理器典型的性能等級和安全功能,，同時兼具M(jìn)CU的易用性、實(shí)時運(yùn)行和低功耗特性,。我們借助這些跨界處理器來響應(yīng)日益發(fā)展的市場需求，旨在為更加智能,、安全且不斷發(fā)展的互聯(lián)市場提供具備最高性能且經(jīng)濟(jì)高效的嵌入式解決方案,。