Texas Instruments（TI）日前宣布推出新的高性能微控制器（MCU）產品系列Sitara? AM2x，用于工業應用中的實時控制，網絡和邊緣的分析應用。新的Sitara AM2x MCU，相較于傳統基于閃存的MCU，其計算能力提高10倍，因此可縮小MCU和MPU之間的差距，以滿足對工業自動化、汽車系統、能源管理等應用的智能分析，高級網絡和實時控制的需求。

MCU還有什么發展潛力？

“工業應用領域的終端設備有非常多的形態，對于電子控制系統的要求不同，有些需要簡單控制，有些需要復雜控制。但無論如何，高性能、實時性、高集成和易用性是未來高性能工業應用所必需的。”TI中國區嵌入式與DLP?應用技術總監師英表示。

TI應用工程師Sahin Okur和系統工程經理Arnon Friedmann在白皮書《借助 Sitara AM2x MCU革新實時控制、網絡和分析性能》中，詳細闡述了目前工業4.0技術革命時代，對于MCU的要求正在進行著革新，具體包括如下三個方面：

實時控制

由于系統對時間的要求很嚴格，因此在進行實時控制時，系統需具有原始數據處理能力，并能在要求的精確時間內控制信號。對模擬信號進行精確控制非常關鍵，該過程可利用改進的控制算法來提高電機驅動器的可靠性和電動汽車的效率。因此，上述改進算法的處理需求已經超出了傳統 MCU 的功能范疇。

工業聯網

工廠需要進行不同類型的數據交換，因此必須快速采用多種工業以太網標準，從而支持在各機器之間進行實時通信。只有實現這種連接，才能提高系統性能、安全性和可靠性。系統設計人員正在尋求這樣的集成網絡解決方案：不僅兼容多種不同的協議標準，而且工作速率高達 1Gbps。

邊緣分析

正如系統級連接可實現實時通信一樣，機器學習算法的改進可促進局部優化，即每個機器或節點無須等待集中式決策即可執行操作。邊緣處理可顯著縮短響應時間，從而實現更好、更安全的人機協作。

傳統 MCU 的功能已經無法滿足工廠對更高性能的需求。也正如此，各個廠商都在MPU上下大力度，推出更多高性能處理器，但對于眾多工業應用中，MCU的功能依然不可或缺。

正如一個鏈條的堅固程度取決于其最薄弱的環節，模數轉換的可靠性也不例外，但在這一鏈條中，MCU 是經常被忽視的元素。在電機控制和機器人等許多工廠系統中，這種名不見經傳的處理器監督著模數轉換和數模轉換過程，但是，人們的高性能計算和控制需求對處理器的功能提出了更多要求。

MCU+MPU= Sitara AM2x

師英表示，Sitara AM2x系列產品兼具MPU的高性能和MCU的設計簡易性，是不同功能和外設的結合。

師英具體解釋道：“Sitara AM2x結合了MPU通常具備的高性能ARM Cortex-R系列CPU內核，高性能的RAM以及高速的信號處理，同時提供了高速實時工業通信總線接口，并且結合了MCU中的安全功能及實時外設。”

高性能處理，硬件加速器，外圍設備集成和片上安全性是AM2x系列的重要革新，師英則分別給予了解讀。

高性能處理

師英介紹道，AM2x系列包括4個800MHz的Cortex R5F內核，以及一個400MHz的Cortex M4負責控制部分，總共可提供6400 DMIPS的計算能力，AM2x采用了16nm FinFET工藝，功耗不足1W，因此十分適合工業等苛刻環境中。展望未來，TI預計R5F的內核頻率可提升至1GHz。

該器件的多核架構還支持在多個不同的內核之間擴展運算，從而簡化不同功能以不同時間間隔運行的軟件調度。例如，將實時控制與網絡分離可降低給定內核的中斷次數，還可更輕松地對所有操作進行精密控制。

除了處理內核之外，在存儲技術上AM2X也采用了諸多MPU的特長。集成具有 SECDED ECC 的高達 2MB 片上 RAM (OCSRAM)，并且可按照256KB的增量分成更小的存儲器組，最多達 8 個獨立的存儲器組，每個存儲器組可分配給一個內核以簡化軟件任務。同時該MCU還額外支持LPDDR4和DDR4，使其可以實現更快的數據讀取與更高的吞吐率。

TI Sitara產品線經理Mike Pienovi表示：“我們的客戶應用持續增長，并具有更多的復雜度，他們需要在邊緣處得到更多的算力。”

硬件加速

網絡已成為下一代智能工廠的關鍵要素，但隨著當前使用多種標準以及 1Gbps 網絡的推進而變得復雜化。集成的可編程網絡加速模塊可以幫助實現支持多協議的廣泛工業網絡方案。傳統 MCU 不能與上述多種協議進行互操作，因此設計人員必須使用外部通信設備，這使得設計的成本和功耗增加。

Sitara AM2x MCU 集成了 TI 的 PRU-ICSS-Gb，這是一款可編程的靈活、千兆位網絡引擎，對于一般MCU來講，支持千兆以太網的不多，最多也就是支持到百兆水平，而AM2x的千兆以太網，可滿足TSN協議的通信需求。

PRU是 32-bit Load/Store RISC 架構小端處理器，每個 PRU 有 32 個通用寄存器 R0～R31，4K byte 指令RAM，512 byte 數據 RAM。PRU 沒有 Cache、指令流水線及乘法指令，因此執行速度可以更快。

通過PRU，包括PROFINET? IRT、以太網/Internet Protocol?、EtherCAT? 和 IO-Link等協議，AM2X都可以提供相應的開箱即用型方案，無需額外器件，也無需授權費用，即可輕松實現工廠連接。

師英表示，AM2x可以提供從物理層的千兆以太網接口，到協議層以及軟件等全方位支持，客戶無需再使用可編程邏輯控制器或遠程I / O，將這些協議執行從FPGA遷移至開箱即用的MCU中，可以最大幅度簡化客戶實現工業以太網協議的方式。

除了支持網絡物理層之外，PRU還可實現馬達控制等處理功能，進一步增加了AM2x系列的應用領域，尤其是針對連接有更嚴苛要求的場景。

“通過這些硬件加速器，可以將更高帶寬或計算密集型應用程序移植到專門的核心，以減少功耗、PCB面積以及總系統成本。”Mike說道。

外圍設備集成

高級模擬集成是 Sitara AM2x MCU 架構的另一個重要方面，可提供高分辨率脈寬調制器 (PWM) 和模數轉換器 (ADC) 等專用的模擬和控制外設。這些外設對于實現性能提升（如提高電機穩定性或能效）至關重要。與 TI 其他采用單個集成解決方案的產品相比，全新的產品系列采用了先進的模擬設計。集成上述特性可簡化系統設計，減少對其他元件的需求，降低成本并加速產品上市時間。集成的 ADC 和 PWM 可提高整體控制精度并降低延遲，從而實現低至 3μs 的控制周期時間。

片上安全性

作為工業互聯網來說，安全性是一切實現的基礎，AM2X提供了各種功能安全和信息安全的防護措施，從而保證系統負荷IEC 61508工業安全標準，或者汽車領域的ISO26262標準。

針對信息安全，AM2X提供了可編程安全密鑰和靈活的防火墻配置，集成用于密鑰和安全管理的安全協處理器，支持包括AES、MD5、SHA2等常用的加密算法，并且由于采用Cortex R5，因此也支持基于Arm TrustZone的可信執行環境。

針對功能安全方面，具有專用存儲器、接口和 M4FSS 的 MCU 域，能夠與具有防止干擾 (FFI) 功能的更大SoC隔離。開發人員不僅能將集成的 M4F 內核用作系統看門狗，還能在不間斷運行的情況下對器件的其余部分進行預設。網絡外設還可獨立于主 Arm Cortex R5F 處理器運行。

總結

對于設計實時控制和邊緣系統設計人員而言，在不增加復雜性的情況下打破性能界限是一項挑戰。Sitara AM2x MCU 系列打破了上述性能界限。“AM2x不僅是實時高速的MCU，更是TI嵌入式產品系列的一部分。既滿足工業4.0對于高性能的需求，同時也兼顧了系統設計的易用性及高性價比。”師英總結道。目前AM2x只推出了三款產品，但未來還會陸續補充，更優化的滿足市場需求。

為了簡化工程師的開發，TI完善了包括開發套件、開發環境、SDK、操作系統等相關生態。同時，TI也推出了全新的MCU+ Academy，工程師可自己定義學習的課程，來完成對于處理器以及它配套的工具和SDK的學習。

實際上，TI不止在模擬領域具有優勢，在嵌入式處理器領域，TI同樣是領導者之一。根據TI 2020年財報，該部門業務營收為25.7億美元。TI的嵌入式處理器主要面向工業和汽車領域，涵蓋從簡單低成本 MCU 到高性能專用處理器的各種產品。MCU包括了基于Arm的MCU、低功耗MCU MSP430、實時控制MCU C2000以及無線MCU，而在處理器方面則包括了基于Arm的MPU以及DSP等。通過豐富的處理器種類，可更好地滿足工業和汽車領域客戶的個性化需求，包括功耗、集成度、算力、聯網能力、安全性、成本等不同指標。
責任編輯：彭菁