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物联网应用成败 低功耗MCU扮演关键
性能与功耗间的平衡

【作者: 王岫晨】2017年11月30日 星期四

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在物联网的应用环境中,许多设备都在联网的同时,还力求要有更好的运算能力。特别是每天与人互动的智慧型电子装置,在要求运算表现的同时,还必须维持最低功耗,以达到每天与人的互动中,能拥有更长的电池续航时间。


也因此,身为这些智能联网装置运算核心的MCU,也必须在运算效能与功耗表现两者之间,取得最隹的平衡点。特别是目前普遍在市场上可见到的健康手环、智慧手表、小型医疗设备、智慧电表、智慧工业感测器等各种产品的中央控制器,这些应用设备皆需要复杂功能、快速回应、最短电池充电所必需之停机时间,而这些需求,使得超高效同时具备低功耗特性的MCU,成为了产品成功与否的关键。


低功耗是关键

放眼现阶段MCU设计,大致可分为四大关键需求,分别是更高性能、超低功耗、绘图处理、以及高整合度。意法半导体亚太区资深产品行销经理杨正廉指出,更高的性能表现,当然是为了要提供更强大的运算能力。而前提是最大限度的提升性能,并同时保持超低能耗。


性能与功耗,这其实是在天平的两端,就一般的处理器来说,想要取得更大的运算能力,耗能势必增加。而要维持超低的功耗,则势必得牺牲效能。如何在两者间取得平衡,甚至进一步达到效能与功耗的最隹化,在设计上着实是门功夫。



图1 : MCU内建绘图功能已属必要,图为采用ST新款MCU的开发板,可流畅处理视讯画面。
图1 : MCU内建绘图功能已属必要,图为采用ST新款MCU的开发板,可流畅处理视讯画面。

在性能的提升上,以目前众家厂商所推出的MCU产品,多半都是采用ARM Cortex-M架构处理器来看,其原本在运算效能的表现上便已多半不俗。杨正廉也例举该公司的新一代MCU产品,已经开始透过额外赋予的性能,例如采用ART加速器让性能可以提高到120MHz/150DMIPS,或者支援DSP指令并内建浮点运算、再加2个DMA控制器等的方式来提升效能。至於低功耗的表现方面,除了最隹化电路设计之外,透过更先进的制程技术,也都能达到有效降低功耗的目的。



图2 : ST的Chrom-GRC图形控制器可高效处理圆形显示器,因而节省更多记忆体资源。
图2 : ST的Chrom-GRC图形控制器可高效处理圆形显示器,因而节省更多记忆体资源。

整合图形加速能力

复杂功能、快速回应、最短电池充电时间等需求,使得超高效同时具备低功耗特性的MCU,成为了产品成功与否的关键。

再从目前的应用端来观察,MCU内建图形处理能力已经是一种必要,特别是许多采用MCU为核心的智能电子装置,普遍都有图形输出与显示的需求,例如智慧手表、健康手环等。也因此,MCU必须要兼具2D图形加速的处理能力,来满足不同的显示介面。同时,除了提升图形处理性能之外,还必须释放更多核心资源,以供即时讯号处理之用。这使得有些厂商已经把加速器加入MCU之中,让更多的系统运算资源可以释出,供更多图形处理运算之用。


意法半导体微控制器产品部STM32产品线行销经理Bertrand Denis则表示,ST最新款的STM32L4+,预期能提供给应用设计人员以下的功能:更强大的运算性能、同级最大的晶片上存储容量,以及为流畅的使用者体验提供更快速图形处理能力。新的Chrom-GRC图形控制器可以像处理方形显示器(TFT-LCD)一样高效地处理圆形显示器,不会因为管理从未显示的图元而浪费记忆体资源。晶片上还有意法半导体专利的Chrom-ART Accelerator图型性能提升技术。


Bertrand Denis也认为,预计未来智慧物件将会无缝地融入生活中,这些产品能够预见人们的需求,而无需人们过度地去关注他们。意法半导体以更大的存储容量和更高效的图形处理功能,让STM32L4+系列微控制器可实现功能更复杂、人机交互更流畅的新一类智慧产品。


提高整合度

而当然,在物联网的应用中,感测已经是不可或缺的重要功能,如何让感测能力可以与MCU更完美的结合在一起,提升整体效能,也是许多厂商在新一代MCU产品设计中的重点方向。例如德州仪器近期便主打一款强调超值与低功耗的MCU,这款MSP430微控制器是针对感测应用的超值型、超低功耗MCU。开发人员可透过产品中的各种整合混合讯号功能,为不同应用与解决方案实现简单的感测功能。


德州仪器半导体行销与应用嵌入式系统总监詹勋琪指出,这款超值型感测MCU可让开发人员现在可使用程式码范例库灵活客制25个常用系统级功能,包括计时器、输入/输出扩展器、系统重置控制器、EEPROM等。而通用核心架构、工具和软体生态系统以及包括迁移指南在内的扩充文件档案,则可让开发人员针对每个设计,选择合适的MSP430超值型感测MCU。


高性能与多功能

正由於物联网与智慧化的趋势,持续推升MCU晶片的成长,不仅应用更广泛,同时性能也快速提升,但不变的是,低功耗永远都是最关键的考量。盛群半导体总经理高国楝例举今年该公司所主推的32位元MCU新品,都以ARM Cortex M0+/M3系列为主打,其中M0+(HT32F5系列)强调高C/P值与高能源效率,M3(HT32F1/HT32F2系列)则是诉求高性能与多功能。该两系列产品都适用於智慧家电、物联网、穿戴式装置和智能玩具等产品。



图3 : 盛群32位元MCU新品以ARM Cortex M0+/M3系列为主打,其中M0+(HT32F5系列)强调高C/P值与高能源效。图为HT32F5系列开发板。
图3 : 盛群32位元MCU新品以ARM Cortex M0+/M3系列为主打,其中M0+(HT32F5系列)强调高C/P值与高能源效。图为HT32F5系列开发板。

盛群以往专精在8位元MCU市场,近年来开始扩充产品线,导入ARM Cortex M系列核心,开始积极发展32位元MCU,让该公司的产品线能发挥更好的互补效益,并进一步扩张应用领域。高国楝说,盛群的M0+系列MCU,已有提供5V电压的新品,客户能直接采用在家电的设计上,而Flash的容量也从16K至128K的范围可选择,应用的空间更广大。新一代的32位元产品都可以应用於无线充电、USB Type-C快充及LoRa长距离无线传输等领域上。


结语

放眼物联网的发展,MCU与感测器永远都是最重要的两大元素,而低功耗,则扮演物联网应用成功与否的关键要素。随着电路设计的最隹化,加上制程技术的进步,新一代的MCU产品都可以达到更低功耗的境界。配合更长续航力的感测周边,MCU肯定在物联网的发展中,将会持续发光发热。


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