發布日期：2022-04-17 點擊率：52
編者按：本系列文章分為三個部分，將探討如何構建更有效的智能設備。第 1 部分討論用于平衡功率和性能的低功耗設計方法。第 2 部分解決應對用戶透明安全性的挑戰。第 3 部分（本文）檢討滿足設計目標所需的 MCU 規格。
用戶期望智能器件既功能強大、安全可靠，又能延長電池壽命。為了滿足這些期望，開發人員現在主攻可任其發揮的 MCU，讓這些 MCU 不僅能提供足夠的低功耗性能和存儲器以滿足中等特性要求，又能夠實現安全更新以實現功能增強和故障修復。
隨著 MCU 成為可穿戴設備、物聯網設備和其他智能便攜式產品的核心，MCU 必須組合好高性能和低功耗，以便在小尺寸產品中執行日益復雜的軟件應用，同時最大限度地減少電池消耗。除了安全保證，長工作壽命和易用性對用戶體驗同樣至關重要。
本文將介紹如何使用 Maxim Integrated 提供的支持力度大的現有 MCU 系列來滿足這些要求。
在很多方面，用戶的要求與開發人員過去努力去滿足的并沒有根本的不同。然而，對于新興智能產品的可接受解決方案，設計人員卻面臨著重大的差異。用戶越來越期望產品結構緊湊、重量輕，并且可以舒適地放在身上，或者放在家中或公司里也不會太引人注意。用戶更有可能接受這樣的智能產品：不需要給予過度關注，使用、充電、更新操作不會非常繁瑣，同時始終安全。
除了易于交互之外，用戶還希望智能產品能夠與提供類似功能的傳統產品一樣，具有大致相同的尺寸和外觀，包括“風格”。例如，用戶較可能接受的可穿戴健身設備更像是一只手鐲或腕表，而不是戴在手腕上的一個怪模怪樣的東西。
當然，如果產品無法為用戶提供足夠的價值，那么即使易于交互且風格很受歡迎，產品仍然會失敗。一個時尚腕戴式設備若提供的有用信息非常之少，那么與昂貴的腕帶無異。要將技術和風格很好地接合起來，這需要一定程度的隱形智能。
為了實現這種隱形智能，開發人員需要調整一些高級特性，例如舒適的交互、熟悉的外觀和高價值信息等，將其轉化為適合應用的獨特要求。
對于設計人員而言，若要滿足用戶對輕松交互的期望，就要提供足夠的性能來讓智能產品上運行的更復雜應用軟件快速輸出結果。這些功能需求又轉化為對處理器的需求，處理器必須能夠執行該軟件，同時從日益增多的傳感器模態中提取更多有用信息。
在獲取信息時，這些設備將獲得對特權信息的訪問權限，特權信息則要求通過強大的安全機制來給予保護，同時又不破壞應用性能。
除了這些直接需求之外，智能設備還需要通過隱形運行的軟件更新來應對新類型的攻擊，但這些更新又不能給用戶增加負擔。與此同時，設計需要具備高效的節電特性，以便能延長電池壽命，使用戶無需攜帶笨重的電池或頻繁充電。
確保易用性涉及的各種要求本身就具有挑戰性，而滿足用戶對智能產品美觀性的期望，又進一步加大了挑戰難度。大體積的電池、超大的設計尺寸或笨拙的用戶界面可能會扼殺用戶的興趣，打消他們嘗試與產品交互的愿望。
將智能融入設計時，開發人員需要在形式與功能的兩極之間找到平衡點。為實現這一平衡，開發人員需要進一步限定備選解決方案，重點關注能夠解決高性能和低功耗、豐富功能與尺寸、靈活性與安全性這些傳統沖突的方案。
另一個因素是成本。物聯網、可穿戴設備和智能產品在快速發展，開發人員必須提供硬件及軟件更新來支持未來需求。在規劃未來的功能增強時，需要在初始設計中增加備用的功率和存儲空間，開發人員必須平衡好可能因此帶來的成本增加。
對于開發人員來說，若要解決上述眾多需求，最佳著眼點就在作為嵌入式智能產品設計核心的 MCU 上。雖然 8 位和 16 位 MCU 仍然很受歡迎，但隨著用戶期望的提升，智能產品需要提供更高的性能和功能。因此，32 位 MCU 也頗受智能產品系統設計的歡迎。例如，與 8 位或 16 位 MCU 相比，32 位 MCU 可以用更少的指令周期完成 32 位加法等基本運算（清單 1）。
Copy anl PSW, #0E7H ;Register Bank 0 mov a, r0 ;load X low byte into acc add a, r4 ;add Y low byte mov r0, a ;save result mov a, rl ;load X next byte into acc addc a, r5 ;add Y next byte with carry mov rl, a ;save result mov a, r2 ;load X next byte into acc addc a, r6 ;add Y next byte mov r2, a ;save result mov a, r3 ;load X high byte into acc addc a, r7 ;add Y high byte with carry mov r3, a mov C, OV ret (A) mov a, r0 add rl mov r0, a ret (B)
清單 1：為執行 32 位加法，8 位 MCU 需要的指令周期數 (A) 顯著多于 32 位 MCU 的周期數 (B)。（代碼來源：Maxim Integrated）
隨著設計人員在傳感器融合算法中結合多個傳感器數據流，高性能 32 位 MCU 變得更加重要。傳感器融合算法有很多應用，例如生成精確方向和室內位置信息，這是用戶越來越希望從可穿戴設備和移動產品獲得的信息。在這種情況下，像 Maxim Integrated 的 Darwin MCU 系列這樣的高級 MCU 的能力對于實現隱形智能至關重要。
Darwin MCU 專為支持新興智能產品的需求而設計。該系列將低功耗操作與全套集成功能結合在一起，產品包括 MAX32620、MAX32625 和 MAX32630。
Darwin MCU 基于帶浮點單元 (FPU) 的 32 位 Arm? Cortex?-M4，其不僅全面支持低功耗操作，而且具備專門用于外設管理、電源監控和加密的模塊（圖 1）。安全型版本（如 MAX32631）通過集成信任保護單元 (TPU) 來擴展對安全性的支持，該單元能夠在智能產品與外部主機的每次交互中保障機密性、完整性和真實性。
圖 1：Darwin MCU（如 MAX32630 及其安全型版本 MAX32631）將 32 位處理性能與全套外設、接口、專用模塊結合在一起，并且在 MAX32631 中納入了支持關鍵安全機制的信任保護單元 (TPU)。（圖片來源：Maxim Integrated）
開發人員可以利用 MCU 的多個模擬和數字外設以及串行接口，來簡化使用多個傳感器的系統的硬件設計。Maxim Integrated 通過其 MAXREFDES100 評估套件展示了這種簡化設計。該套件包括一塊展示多個傳感器使用方法的電路板和參考設計，具體包括 Maxim MAX30205 體溫傳感器、MAX30003 ECG 模擬前端 (AFE)、MAX30101 脈搏血氧計，以及其他適用于典型可穿戴健身設備的傳感器。
雖然在捕獲更復雜數據的過程中必須使用靈活的接口，但 Darwin 指令集架構能夠使這些 MCU 快速執行復雜的算法，不斷滿足從這些數據提取有用信息的需要。該指令集融合了 16 位和 32 位指令，減少了應用軟件的占用空間，同時保留了 32 位架構每字節執行更多指令的能力。除了集成 FPU 外，Darwin CPU 架構還含有高速硬件乘法累加運算 (MAC) 和單指令多數據 (SIMD) 并行處理能力，從而提供數字信號處理功能。
這種浮點和 DSP 指令的結合有助于 Darwin MCU 更快地執行數據密集型算法，以便滿足在下一代產品中內建智能的需求。同時，這些 MCU 集成了足夠大的片上存儲器，可以存儲算法和其他應用代碼，以及越來越多的系統級軟件，包括實時內核、通信堆棧和安全協議棧。在 Darwin MCU 系列產品中，開發人員可以找到最適合其應用的閃存與 SRAM 組合。MAX32630/MAX32631 MCU 提供 2 MB 閃存和 512 KB SRAM；MAX32620 提供 2 MB 閃存和 256 KB SRAM；MAX32625 提供 512 KB 閃存和 160 KB SRAM。為簡化這些存儲器的使用，Darwin MCU 支持一致的存儲器映射，將各種存儲器類型和存儲器映射寄存器合并到單個地址空間中（圖 2）。
圖 2：Darwin MCU 使用單個地址空間，其中包含各種存儲器類型以及用于功能塊的存儲器映射寄存器。（圖片來源：Maxim Integrated）
開發人員可以進一步擴展可用閃存，以支持非常大的代碼集或系統庫。Darwin MCU 支持芯片內執行 (XIP) 操作，允許 CPU 直接從外部閃存執行代碼。Maxim Integrated 在其 MAXREFDES100 參考設計中展示了這種方法，其中包括一個 32 MB Cypress Semiconductor S25FS256SAGNFI001 閃存器件。
盡管有強大的存儲器和處理能力，Darwin MCU 仍能滿足開發人員對低功耗的需求。在本文提及的產品中，MAX32630/MAX32631 MCU 支持最大的集成存儲器，只需低至 3.4 微瓦 (μW) 的功耗即可保持其 512 KB SRAM。在完全活動模式下，其功耗仍然只有 130 μW/MHz。這兩者之間還有一個中間地帶：在使用集成外設管理單元 (PMU) 的特殊模式中，消耗 30 μW/MHz 即可支持外設操作，同時 CPU 內核處于超低功耗休眠狀態。
Darwin MCU 在處理器休眠的同時能夠運行外設，這使得開發人員可以通過限制 CPU 需要保持活動模式的時間來降低功耗。開發人員不必使用完全活動的 CPU 定期輪詢傳感器并將結果傳輸到主機，而是可以使用 Darwin MCU 針對“等待中斷”、“等待事件”和“退出時休眠”的指令，最大限度地減少有效占空比，并降低整體系統功耗（圖 3）。
圖 3：在可穿戴或其他傳感器系統中，開發人員可以通過最大限度增加 CPU 處于低功耗休眠狀態的時間來大幅降低系統功耗，喚醒時間只需足以獲取傳感器數據并將結果傳輸到主機即可。（圖片來源：Maxim Integrated）
較慢的 MCU 從休眠模式轉換到活動模式常常會浪費一些功耗，而這些 MCU 的喚醒時間為 5 μs，可以降低轉換期間所浪費的功耗。結合其 SRAM 保持休眠狀態，這些器件可以快速恢復處理，不存在因為使用外部非易失性存儲器來保存和恢復狀態而導致的長時間延遲與功耗浪費。因此，工程師可以開發出非常高效的功耗敏感型應用。
為了支持這些應用的開發，Maxim 提供了 MAX326XX 固件軟件開發套件 (SDK)，其中包括外設驅動程序、電路板支持驅動程序和樣例應用程序（圖 4）。
圖 4：Maxim Integrated 的 MAX326XX 固件軟件開發套件 (SDK) 為應用軟件開發人員提供樣例應用程序，展示了如何使用基于 Arm Cortex 微控制器軟件接口標準 (CMSIS) API 而構建的 SDK 外設和板卡驅動程序。（圖片來源：Maxim Integrated）
MAX326XX 固件 SDK 外設和電路板庫基于 Arm Cortex 微控制器軟件接口標準 (CMSIS) API 而構建。反過來，應用軟件雖然通常與外設和電路板庫交互，但可以直接與 CMSIS 交互，以便根據需要訪問底層硬件。
用戶希望可穿戴設備、物聯網設備和其他智能設備能夠在系統中提供復雜的應用，并且易于交互、佩戴舒適以及很有使用價值。為了滿足這些需求，開發人員需要將豐富的功能、高性能處理能力和低功耗操作結合在一起的 MCU。
Maxim Integrated 的 Darwin 系列 MCU 專為滿足這些需求而設計，能夠讓開發人員在設備中更輕松地構建隱形智能，不斷滿足智能產品用戶的期望。
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