供应商如何提供嵌入式MCU应用解决方案

二十年前，大多数芯片制造商设计的产品可以被描述为单功能设备。在嵌入式领域，MCU是设计空间的中心，但是需要大量其他设备来创建系统。设计人员将它们集成在印刷电路板上，今天被认为是一个漫长的设计周期。

硅供应商很快意识到获取系统专业知识以增加其产品价值的价值。一些人已经具备了模拟和射频的核心竞争力，他们可以将这些能力带到谈判桌上。结果 - 片上系统（SoC）概念 - 显着改变了他们与系统设计师的关系，他们现在拥有更多的功能和性能触手可及。

利用系统级专业知识以及具有模拟和RF产品知识的能力，在MCU芯片上集成外设时具有明显的优势。然而，芯片制造商的另一面是创建支持这些复杂MCU的开发生态系统的挑战。

对于MCU供应商选择，选择MCU供应商的三个顶级考虑因素是：

MCU本身的性能和集成水平

开发软件的质量

供应商致力于扩展其技术以支持的程度系统级创新。换句话说，供应商是否正在探索“嵌入式的前沿”。

部分由于其广泛的产品组合，德州仪器为工业系统设计师提供了一个高度的家族先进的基于MCU的电机控制解决方案。意法半导体为消费电子产品开发了领先的产品; Microchip已经在其认为独特的统一开发环境中投入了大量资金。

这三家公司的产品提供了一些很好的例子，说明了一些公司如何定位自己，以便在嵌入式处理的前沿提供完整的解决方案。

电机控制

有时，MCU的优势源于硬件和软件创新的巧妙结合。其中一个最好的例子是德州仪器的电机控制产品，其中包括该公司称之为InstaSPIN解决方案的强大新算法。

InstaSPIN技术采用TI的FAST算法，该算法具有电机控制电路的特性，为以下三个组件奠定了基础：

InstaSPIN-FOC确保定子的精确对准与转子磁场相关的磁场，以最大化转矩产生能力，实现定子磁场的精确电流控制幅度，并允许适当的设计和尺寸适合应用。

InstaSPIN-MOTION在系统的动态速度，位置和负载范围内增加了可靠的控制。

InstaSPIN-BLDC是一种针对低成本BLDC应用的无传感器控制技术。

可以在MCU TechZone文章“复杂的电机控制进入主流”中找到更完整的InstaSPIN描述。本文更感兴趣的是TI的外围设备和功能。集成到其MCU中以实现其完整的电机控制解决方案。

TI在其Piccolo MCU系列中进行了这些增强，该系列具有外设丰富的架构，能够实时执行算法，以实现更精确和准确控制。这些智能控制外设还有助于控制回路更紧凑，从而改善干扰行为。代表性的Piccolo部件是TMS320F28026FPTT。

电机控制外设包括ADC和PWM，两者都是为最大的灵活性而设计的。 A/D转换器的自动定序器允许设计人员对应用程序进行编程，以按特定顺序循环遍历样本，以便在应用程序需要时准备好值。

集成控制律加速器（CLA）是一个32位浮点数学加速器，可从主CPU内核卸载高速控制环路。它可以直接访问外设，并且可以独立于主内核响应外设中断。 CLA有自己的指令集和内存空间，允许它完全独立于CPU运行。 CLA的框图如图1所示。

图1：控制律加速器的框图。 （由Texas Instruments提供）

其他Piccolo外设包括：

12位A/D转换器，16通道，最大采样频率为4.6 Msamples/s

多达19个PWM输出通道，可配置自动死区

19个PWM通道中最多8个，分辨率低至150 ps

增强型正交编码器用于简化传感器解码的脉冲（QEP）和增强型捕获外设（eCAP）

为了给设计人员提供清晰的产品开发路径，TI提供了多种评估和开发套件，包括电机控制评估套件（DRV8312-69M-KIT），用于磁场定向控制（FOC）应用的开发套件（TMDSHVMTRINSPIN）和Booster Pack开发套件（BOOSTER PACK MOTOR DRIVE）。

消费产品

信息爆炸以及由此产生的处理极高比特率和支持千兆存储的要求推动了所有市场的技术发展 - 不再是消费者。

“更丰富的用户体验”一直是消费电子领域的流行语，通常转化为高端图形，多声道音频和高分辨率视频 - 所有系统功能一度超越MCU设计领域。然而，消费者对丰富用户界面的需求似乎正在转向更平凡的产品，如白色家电。智能设备，可穿戴设备和大量物联网应用现在开始提供与智能手机和PC相同的丰富用户界面。

对于基于MCU的系统的设计人员来说，新时代的开始是从传统的结构化语言（如C语言）转向高级开发平台（如Java，μCLinux和Microsoft.NET）。从MCU硬件的角度来看，进入多媒体设计空间可转换为更多内存，支持SDRAM，加速器，片上显示控制器以及可能的多声道音频。

使用前面提到的开发平台进行设计需要最多2 MB的闪存或1 MB的双存储区闪存，以及256 KB的片上RAM。支持SDRAM模块可以消除设计中的外部SRAM存储器 - 但需要在大约100 MHz时钟上运行的32位宽数据总线。

通过在MCU上集成显示控制器，MCU设计人员可以让系统设计人员将应用程序连接到标准TFT-LCD，同时仍然可以获得低成本，紧凑尺寸和实时性的优势。与基于MCU的系统相关的时间性能。当高端音频是人机接口系统设计的一部分时，可以通过使用标准接口I 2 S TDM支持时分复用（TDM）来提供多声道音频，而不是更多传统的I 2 S（Inter-IC Sound）。

ARM Holdings的高性能内核通常是处理包含丰富的多媒体人机界面的应用程序的MCU的核心。适用于此类应用的核心是Cortex-M4，这是一种低成本解决方案，适用于通常使用MCU和入门级或中端DSP的设计。

图形加速

集成这些功能的MCU是STMicroelectronics的STM32F4xx系列，包括STM32F429IIT6。为了进一步提升图形性能，意法半导体已集成了Chrom-ART图形加速器。与在Cortex-M4内核上运行软件相比，该硬件模块可以加倍像素格式转换和传输吞吐量。

Chrom-Art Accelerator（DMA2D）是专门用于STM32F4xx系列图像处理的DMA。在MCU中集成混合，编码和解码功能可以减轻应用程序代码和核心处理器的负担。 Chrom-ART的架构特性包括：

读取和解码位图文件的双输入像素格式转换器（PFC）

计算和混合来自数据的数据的混合器两个输入PFC

输出PFC，用于解码信息

用于连接到特定DMA控制器的输入和输出的FIFO

开发环境

随着MCU集成更多外围设备和接口类型，软件开发工具必须支持的功能数量也会增加。通信 - 包括RF - 和高速存储器接口只是一个开始。系统级功能（如电容式触摸，图形甚至手势感应）也需要外设支持。

因此，MCU供应商提供的开发工具数量通常高达数百个，这也就不足为奇了。例如，Microchip Technology提供900多种不同的开发工具，包括其集成开发环境，编译器，调试器，编程器以及用于特定应用的软件和开发板。

认识到软件开发的复杂性，Microchip创建了一个名为MPLAB X IDE的集成开发环境（IDE），它可以在单一开发生态系统中将所有工具与用户友好的界面无缝连接。

MPLAB IDE可用于Microchip的700多个8位，16位和32位PIC单片机的整个产品组合。这使得工程师可以开发设计的所有方面，而无需在多种工具和操作模式之间切换。

NetBeans

最新版本的MPLAB X IDE基于Oracle维护的开源NetBeans IDE。使用NetBeans，Microchip可以非常快速地向IDE添加许多经常被设计人员请求的功能。它还创建了一个更具可扩展性的架构，以便在将来集成新功能。

NetBeans分享了所有IDE的基本特征：项目创建和管理，程序编辑器，语言工具集成和构建工具，图像准备和编程以及调试工具。

使用IDE可以最大限度地缩短设计人员计算如何在设计周期中完成每个后续任务所需的时间。例如，经典的编辑，编译，调试周期只涉及在程序员编辑器中打开源文件并进行更改 - 与使用文字处理器编辑文档没有多大区别。然而，下一步是IDE的价值变得明显。

编译程序后，许多开发系统要求设计人员弄清楚如何加载它以启动调试会话。在基于NetBeans的IDE（例如Microchip的MPLAB X）中，调试只需选择“DebugRun”按钮即可。之后，MPLAB X接管。捕获序列期间发生的任何错误，并在特定工具和代码部分的上下文中呈现给设计人员，以便更容易理解发生了什么 - 并修复它。

仪表板显示屏幕是MPLAB X中的一项有用功能，因为它提供了在特定时间运行的工具和资源的摘要。图2显示了一个典型的仪表板，包括MCU（本例中为PIC24FJ）以及在运行或调试运行期间生成的任何状态标志。

图2：MPLAB X仪表板显示。 （由Microchip Technology提供）

仪表板上的其他信息包括项目工具链的名称（编译器，汇编器，链接器等），工具链的版本号和许可证类型（Pro，标准或自由）。更感兴趣的是内存类型和调试资源，它们显示了可用的硬件断点数。

MPLAB X为Windows，Mac OS X和Linux提供跨平台支持。 Microchip和支持的第三方工具包括：

MPLAB ICD 3在线调试器，一种由运行MPLAB IDE（v8.15或更高版本）软件的PC控制的在线调试器一个Windows平台。应用程序将软件开发扩展到硬件集成。

PICkit 3编程器/调试器是一种简单，低成本的在线调试器，由在Windows上运行MPLAB IDE（v8.20或更高版本）软件的PC控制。

MPLAB REAL ICE在线仿真器：Microchip用于Microchip闪存数字信号控制器（DSC）和微控制器（MCU）器件的下一代高速仿真器。它调试和编程PIC闪存微控制器和dsPIC。

结论

选择MCU供应商的关键在于MCU的计算能力和更多因素可用的外围设备，芯片供应商的软件创新，以及设计环境的易用性和可扩展性。非数字硅设计和制造的核心竞争力，如模拟和射频，也是一个重要的考虑因素。然而，MCU供应商可以满足所有这些标准，如果它不能在未来支持系统级技术方面保持领先地位，那么它仍然不是最佳选择。