想要在物聯網（IoT）市場占據一席之地，原始設備製造商（OEM）必須加快創新的步伐。物聯網的應用讓一切變得無限可能，成功的企業會敦促其開發人員不斷拓展和采取新的、更實用的方法來發揮傳感器的功能
，監測不同類型的數據，掌控整個設備的生態係統。

物聯網應用覆蓋廣泛，包括可穿戴設備、汽車、住宅、工業、乃至城市等眾多領域。這些應用需要更加高效節能的
、創新的、安全的體係作為支持。應用程序十分重要
，旨在實現軟件開發的直觀性和易用性。

微控製器（MCU）作為物聯網產品的核心，選擇合適的 MCU 是滿足客戶當前和未來需求的關鍵。本文將探討當今不斷增強的嵌入式 MCU 的豐富功能，MCU 在加速設計的同時還可實現創新應用。在第一部分
，我們會介紹到先進的工藝技術、低功耗設計技術、多核係統的功耗問題、多核間的通訊
、串行存儲器接口以及係統安全性。

物聯網市場（增長最快的引擎）：

物聯網技術不斷改變我們的日常工作和生活方式，使我們的生活更加經濟、便捷
、舒適和智能化。物聯網市場可以大致分為兩大類：消費型物聯網和企業物聯網。

消費型物聯網包括住宅、生活方式、健康和出行。個人用戶可以通過這些物聯網設備產品提高其生產力、安全性和生活質量。從智能住宅到聯網汽車，消費者市場正在為下一波浪潮做好準備。

圖1：消費型物聯網市場細分

企業物聯網的覆蓋範圍巨大，包括零售、醫療、能源、出行

、城市、製造業和公共服務。企業物聯網細分市場會改變組織和社區，從而創造一個實現經濟增長的新時代。物聯網通過連接數據、人員和機器來提高生產力
、生產效率以及日常運營水平。企業物聯網也可以作為幫助企業識別未開發領域新增長機會的工具。

 

工藝技術（尺寸 — 十分重要）：

製造 MCU 的工藝技術對於其本身的性能、低di功gong耗hao和he成cheng本ben而er言yan至zhi關guan重zhong要yao。物wu聯lian網wang應ying用yong需xu要yao高gao效xiao的de有you源yuan功gong耗hao和he低di功gong耗hao模mo式shi消xiao耗hao來lai提ti高gao係xi統tong的de整zheng體ti功gong效xiao。隨sui著zhe製zhi造zao技ji術shu的de不bu斷duan進jin步bu，促cu使shi矽gui核he心xin麵mian積ji不bu斷duan縮suo小xiao。同tong一yi塊kuai矽gui片pian上shang可ke以yi製zhi造zao出chu更geng多duo的de MCU
，從而降低了芯片的整體成本
，性能和功耗也因此直接受到影響。尺寸的縮小減少了開啟/關(guan)閉(bi)每(mei)個(ge)晶(jing)體(ti)管(guan)所(suo)需(xu)的(de)電(dian)流(liu)，同(tong)時(shi)保(bao)證(zheng)了(le)時(shi)鍾(zhong)頻(pin)率(lv)不(bu)變(bian)。因(yin)此(ci)，更(geng)小(xiao)的(de)芯(xin)片(pian)意(yi)味(wei)著(zhe)具(ju)備(bei)更(geng)高(gao)的(de)的(de)最(zui)大(da)時(shi)鍾(zhong)頻(pin)率(lv)
，可(ke)以(yi)在(zai)較(jiao)低(di)的(de)功(gong)耗(hao)下(xia)實(shi)現(xian)更(geng)高(gao)的(de)性(xing)能(neng)。

例如，用於製造賽普拉斯半導體 PSoC 6 BLE 係列 MCU 的 40 納米工藝技術
，為各種物聯網應用提供了高性能，且高效節能的解決方案。深度睡眠時的電流僅為幾微安，且能夠完全保留RAM數據。運行、睡眠、低功耗運行和低功耗睡眠等其他功耗模式
，助力開發人員能夠在靈活地優化係統功耗的同時根據需求保持應用的高性能。

圖3：用於物聯網應用的低功耗 MCU 框圖

功率（至關重要）：

設計物聯網設備時所麵臨的一大挑戰是高能耗。大多數物聯網設備處於實時在線、小體積，這意味著自身電池容量非常有限。MCU 供應商在優化其在物聯網應用時需要考慮諸多因素
，比如：

• 改進工藝技術

• 提供高度靈活的功耗模式

• 實現功耗優化過的硬件 IP 模塊

• 更高的集成度以減少組件數量

• 優化閃存頻率

• 啟用高速緩存

• 支持更大範圍的工作電壓

然而
，在工藝技術縮小體積

、提高性能、改進功耗和集成度的同時
，也出現了電流泄漏的管理問題，尤其是在低功耗模式下。為了應對電流泄漏問題的挑戰，MCU 供應商采用了特殊的晶體管工藝技術，如多柵器件、高壓晶體管/邏輯/電路
、專門設計的存儲單元以及其多方麵的技術。

靈活的功耗模式能夠促使開發人員安排獨立係統活動，從而優化整體功耗。提供多種可以在低功耗模式下運行且可以在不喚醒 CPU 的情況下被喚醒執行其功能的外設，是這方麵的關鍵技術。一些 MCU還提供外圍設備，隻能執行有限功能的特殊低功耗工作模式（例如較低的工作頻率和電壓）以進一步優化應用功耗
，甚至可以設計優化功耗的特定外設，即BLE 無線電可以采用支持低功率無線通訊的設計。

影響功耗的另一個因素是非易失性（NV）內存訪問，尤其是使用閃存（NV存儲器）存儲固件代碼的 MCU。shancunfangwenderenheyouhuadouhuidadajiangdigonghao
，qimubiaoshijinliangjianshaoshancunfangwendepinlv。zhelishiyongleliangzhongchangyongdejishu，qizhongyizhongshitigongyigegaosuhuanchongcunchuqi。zheyang，shijidedaimacunchuqi（閃存）就無需在每個執行周期都被訪問。另一種方法是增加一個周期內獲取的數據量，通過使用範圍更廣的閃存訪問降低閃存的訪問頻率。

基於物聯網的 MCU 也可以提供靈活的電源係統。在支持寬電源電壓範圍的情況下，MCU 可以由多個電源供電。例如像健身跟蹤器這類簡單的物聯網應用，可以由紐扣電池來供電，而智能手表這類複雜的物聯網應用則需要由 PMIC （電源管理集成電路）供電。另外，一些 MCU 通過其內部的降壓轉換器來有效地調節自身電源。

在考慮 MCU 的功耗模式時
，超越其基本架構十分重要。例如
，標準 ARM CPU 內核支持運行
、睡眠和深度睡眠。附加功耗模式通常由特定的 MCU 供應商添加。例如，賽普拉斯的 PSoC 6 BLE MCU可執行包括，低功耗運行、低功耗睡眠和休眠狀態在內的六種工作功耗模式。

多處理器 MCU（加快並行應用程序任務的運行速度）：

基於物聯網係統功能特性的增長
，其複雜性也隨之增加，而實際尺寸則越來越小。MCU 製造商的目標是提高係統的性能，同時盡可能降低尺寸和減少功耗。多核 MCU 和片上係統（SoC）通過在單個芯片中集成更多功能和最大限度地減少芯片麵積提供更高的性能。多核處理器是包含兩個或更多個獨立核心（或 CPU）的 MCU 或 SoC。這些內核通常集成在單個芯片上，它們也可以作為一個封裝中的多個芯片。

多核 MCU 有助於提供高性能並保持小尺寸。可穿戴設備等典型的物聯網設計需要多個MCU，包括：一個用於無線通信的 BLE 控製器
、用於執行用戶界麵的 Touch MCU 和一個用來實現該應用程序運行的主要的 MCU。這三種 MCU 的功能可以由一個高度集成的多核 MCU 提供。

多核 MCU 可帶來許多其他益處。例如，它可以集成足夠的資源使 CPU 能neng夠gou並bing行xing處chu理li密mi集ji型xing任ren務wu
，從cong而er充chong分fen發fa揮hui多duo任ren務wu處chu理li的de效xiao率lv。這zhe也ye使shi開kai發fa人ren員yuan可ke以yi有you效xiao地di將jiang係xi統tong事shi件jian分fen配pei給gei特te定ding的de內nei核he，從cong而er達da到dao功gong耗hao和he性xing能neng目mu標biao。再zai比bi如ru，在zai雙shuang核he可ke穿chuan戴dai設she計ji中zhong
，可ke以yi將jiang需xu要yao較jiao少shao CPU 幹預的周期性功能（例如無線廣播和觸摸感應）分配給一個內核。其他“頻繁接觸”的功能，如需要 CPU pinfanganyudechuanganqironghedeng，keyifenpeigeilingyigeneihe。dangzaixitongzhongyunxingduogeyingyongchengxushi，zhezhongfenqusuoduanleyanchishijian。tongguozhenghexieyizhanhechengxucunchuqidejichenghaikeyitigaoxiaolv。

 

圖5：物聯網多核 MCU 示例

圖6表示的是一個多核 MCU — 賽普拉斯 MCU PSoC 6 BLE。該雙核 MCU 具有兩個32位 ARM Cortex CPU — Cortex-M4 和 Cortex-M0+。這兩個 CPU 都是具備一個32位的數據路徑

、寄存器和存儲器接口的32位處理器。Cortex-M4是專為實現短中斷響應時間、高代碼密度和高32位吞吐量同時保證嚴格的成本和功耗預算而設計的主 CPU。Cortex-M0+ 作為輔助 CPU
，用於提供網絡安全、物理安全和保護功能。Cortex CPU 執行 Thumb指令集的一個子集
，並具有兩種被稱為線程模式和處理者模式的操作模式。這些 CPU 在退出複位並執行應用程序軟件時會進入線程模式。為了處理異常情況，CPU 會進入處理者模式。當所有異常處理完成後，CPU 返回到線程模式。

圖7：處理器間通訊（IPC）的各種模式

信號量：信xin號hao量liang是shi一yi種zhong防fang止zhi多duo個ge源yuan同tong時shi訪fang問wen共gong享xiang資zi源yuan的de機ji製zhi。在zai多duo核he處chu理li器qi中zhong，共gong享xiang硬ying件jian位wei置zhi作zuo為wei信xin號hao量liang指zhi示shi特te定ding內nei核he是shi否fou正zheng在zai使shi用yong特te定ding的de共gong享xiang外wai設she等deng。在zai訪fang問wen外wai設she之zhi前qian，係xi統tong中zhong的de其qi他ta內nei核he會hui讀du取qu信xin號hao量liang狀zhuang態tai以yi查zha看kan是shi否fou可ke用yong。

串行存儲器接口（IoT 內存的選擇）：

內(nei)存(cun)是(shi)任(ren)何(he)物(wu)聯(lian)網(wang)係(xi)統(tong)不(bu)可(ke)缺(que)少(shao)的(de)組(zu)成(cheng)部(bu)分(fen)。其(qi)功(gong)能(neng)主(zhu)要(yao)是(shi)代(dai)碼(ma)和(he)數(shu)據(ju)存(cun)儲(chu)。現(xian)代(dai)物(wu)聯(lian)網(wang)設(she)備(bei)不(bu)斷(duan)增(zeng)長(chang)的(de)智(zhi)能(neng)化(hua)需(xu)求(qiu)帶(dai)動(dong)了(le)對(dui)更(geng)大(da)代(dai)碼(ma)和(he)數(shu)據(ju)存(cun)儲(chu)器(qi)的(de)需(xu)求(qiu)。但(dan)是(shi)將(jiang)所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)內(nei)存(cun)作(zuo)為(wei)內(nei)部(bu)存(cun)儲(chu)器(qi)集(ji)成(cheng)到(dao)設(she)備(bei)中(zhong)會(hui)增(zeng)加(jia) MCU dexinpianchicunhechengben。lingyizhongfangfashigenjuxuyaotigongwaibukuozhanneicun。zheyangkaifarenyuanjiunenggougenjuzuizhongyingyongchengxudexuyaotianjianeicun。lingwai，ruguozaikaifaguochengzhongneibucunchukongjianyusuanbuzu，zekeyizengjiawaibucunchuqierbubizhongxinshejizhenggexitong。

了解外部存儲器接口的速度和安全性以及使用方法也很重要。通常情況下，在節省 MCU上有限的 IO 引腳方麵，串行存儲器比並行存儲器更好。基於 SPI 的串行存儲器為數據記錄提供了理想的接口速度，而直接執行外部代碼則需要更高的速度。這些要求使 MCU 製造商必須提供 SPI 的替代品。以下是不同方案的數據吞吐量速度比較。

• SPI：支持1位/循環的吞吐量

• 雙路SPI：支持2位/循環的吞吐量

• 四路SPI：支持4位/循環的吞吐量

• 雙四路SPI：支持1字節/循環的吞吐量

通常情況下
，MCU 同時支持多種類型的存儲器
，為開發人員提供了最大的靈活性。

由(you)於(yu)許(xu)多(duo)物(wu)聯(lian)網(wang)係(xi)統(tong)會(hui)處(chu)理(li)用(yong)戶(hu)的(de)個(ge)人(ren)數(shu)據(ju)，因(yin)此(ci)確(que)保(bao)數(shu)據(ju)的(de)安(an)全(quan)尤(you)為(wei)重(zhong)要(yao)。代(dai)碼(ma)存(cun)儲(chu)器(qi)也(ye)同(tong)樣(yang)需(xu)要(yao)保(bao)護(hu)，以(yi)防(fang)止(zhi)設(she)備(bei)被(bei)非(fei)法(fa)入(ru)侵(qin)。外(wai)部(bu)存(cun)儲(chu)器(qi)在(zai)安(an)全(quan)性(xing)方(fang)麵(mian)更(geng)加(jia)脆(cui)弱(ruo)，因(yin)此(ci)需(xu)要(yao)特(te)殊(shu)的(de)機(ji)製(zhi)來(lai)保(bao)護(hu)外(wai)部(bu)存(cun)儲(chu)的(de)數(shu)據(ju)。為(wei)此(ci)
，MCU 使用各種加密技術（例如 AES、DES、RSA）來保護數據和代碼免受非法訪問。例如，賽普拉斯半導體的 PSoC 6 BLE MCU 提供了一個特殊的串行存儲器接口（SMIF）外設，該外設支持直接執行外部代碼的 XIP（現場執行）模式和記錄數據的 MMIO（內存映射 IO）模式。它使用特殊命令進行控製，比如閃存的編程/擦除、存儲器設備的睡眠模式輸入等。

圖8：串行存儲接口（SMIF）示例

SMIF 允許用戶配置多個相同或不同類型和大小的存儲設備。在內存（XIP）moshixia
，duogeneicunshebeibeiyingshedaobutongdedizhi。tamenkeyishibutongleixingheyongtudecunchuqi，yekeyishizailianxudizhikongjianzhongpeizhiyimonilianxudacunchuqidexiangtongcunchuqishebei。SMIF 外設和 SPI 閃存的組合使用可以替代外部 NAND 和 NOR 閃存，並且可以節省電路板空間。由於串行閃存直接映射到處理器的內存空間數據存儲中並且支持 XIP 的執行
，所以其易用性高於 NAND 內存。

係統的網絡安全、隱私和設備安全（信任根源）：

shebeiyidanlianwangjiucunzaibeiheikeruqindekenengxing。yinci，wulunshebeishiyundongshouhuanhaishilianwangqiche

，wulianwangshebeideanquanxingdoushiyigeburonghushideyinsu。suoyoucengmiandouxuyaoshujubaohu
，baokuocunchu、處(chu)理(li)和(he)通(tong)訊(xun)期(qi)間(jian)，從(cong)而(er)確(que)保(bao)係(xi)統(tong)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)。另(ling)外(wai)，任(ren)何(he)處(chu)理(li)數(shu)據(ju)的(de)軟(ruan)件(jian)或(huo)固(gu)件(jian)都(dou)應(ying)得(de)到(dao)保(bao)護(hu)。可(ke)以(yi)在(zai)兩(liang)個(ge)層(ceng)麵(mian)上(shang)實(shi)現(xian)這(zhe)種(zhong)安(an)全(quan)性(xing)。第(di)一(yi)個(ge)層(ceng)麵(mian)是(shi)軟(ruan)件(jian)安(an)全(quan)，第(di)二(er)個(ge)層(ceng)麵(mian)是(shi)硬(ying)件(jian)安(an)全(quan)，即(ji)通(tong)過(guo)硬(ying)件(jian)保(bao)護(hu)軟(ruan)件(jian)。

tongchang
，anquanruanjianshiyongcunchuzaidaimakongjianneidemiyao。suiranzhezaijishushangkeyishixianjiamihejiemi，danzhegeguochengrengranrongyishoudaoheikegongji。zheshiyinweitashiyigecunchudaima
，dangdaimabeijiemadenayike，anquanxingjiudangranwucunle。

安(an)全(quan)硬(ying)件(jian)則(ze)使(shi)用(yong)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)來(lai)保(bao)護(hu)係(xi)統(tong)，比(bi)如(ru)代(dai)碼(ma)和(he)數(shu)據(ju)的(de)加(jia)密(mi)和(he)解(jie)密(mi)。安(an)全(quan)硬(ying)件(jian)是(shi)獨(du)立(li)的(de)
，不(bu)需(xu)要(yao)任(ren)何(he)額(e)外(wai)的(de)軟(ruan)件(jian)來(lai)操(cao)作(zuo)，這(zhe)杜(du)絕(jue)了(le)惡(e)意(yi)代(dai)碼(ma)
、感染、汙染或其他漏洞破壞係統、客戶數據和服務的可能性。因此，在保護敏感數據或代碼時，安全硬件是首選方法。所以用於物聯網的 MCU 具有複雜的集成硬件安全特性，如密碼塊、代碼保護 IP 和其他基於硬件的機製。

與固件相比，安全硬件還具有提供更快性能和更低功耗的優勢。比如，賽普拉斯 PSoC 6 BLE MCU 中的專用加密模塊可加速加密功能。此外，該模塊提供了真隨機數生成功能、對稱密鑰加密和解密、哈希、消息認證、隨機數生成（偽隨機和真隨機）
、循環冗餘校驗以及諸如啟用/禁用、中斷設置和標記等實用功能。該 MCU 組件還配備了安全啟動功能。該功能使用 ROM 程(cheng)序(xu)在(zai)閃(shan)存(cun)中(zhong)驗(yan)證(zheng)用(yong)戶(hu)數(shu)據(ju)。安(an)全(quan)啟(qi)動(dong)是(shi)一(yi)項(xiang)包(bao)含(han)加(jia)密(mi)技(ji)術(shu)的(de)過(guo)程(cheng)，它(ta)使(shi)物(wu)聯(lian)網(wang)設(she)備(bei)開(kai)始(shi)執(zhi)行(xing)已(yi)認(ren)證(zheng)的(de)可(ke)信(xin)軟(ruan)件(jian)。因(yin)此(ci)，係(xi)統(tong)可(ke)以(yi)從(cong)一(yi)個(ge)已(yi)知(zhi)、可信的狀態開啟。

在第一部分中
，我們介紹了先進的工藝技術


、低功耗設計技術、多核係統的功耗
、內核間通訊
、串行存儲器接口以及係統安全性。第二部分將介紹高級 BLE 無線鏈路

、模擬前端
、智能觸摸界麵以及其他重要的物聯網設計技術。

 

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