精“芯”之選：一顆為物聯(lián)網(wǎng)而生的MCU

IC Insights最新的研究數(shù)據(jù)顯示，全球MCU市場(chǎng)保持著持續(xù)穩(wěn)定的增長，MCU的出貨量從2015年的220億顆增長至2020年的360億顆，市場(chǎng)規(guī)模也從159億美元增長至207億美元，2021年全球MCU市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到223億美元。同比增長超7%，其中與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的工控、醫(yī)療和消費(fèi)電子領(lǐng)域的貢獻(xiàn)約為36%，可見物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成了MCU市場(chǎng)的一個(gè)重要支點(diǎn)。

面對(duì)如此誘人的市場(chǎng)蛋糕，MCU廠商自然不敢怠慢，過去十多年間伴隨著物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的興起，一直在研發(fā)滿足物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)所需的MCU產(chǎn)品。

物聯(lián)網(wǎng)MCU應(yīng)該什么樣？

經(jīng)過多年的技術(shù)探索，目前人們對(duì)于這類MCU應(yīng)該具備什么樣的特征，已經(jīng)了然于心了。具體來講，打造一顆物聯(lián)網(wǎng)所需的MCU，應(yīng)該從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考量：

1

足夠的算力

雖然在物聯(lián)網(wǎng)MCU的選型時(shí)，高性能的算力不是“萬能的”，但是沒有足夠的算力則是“萬萬不能的”。隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的功能日益復(fù)雜，特別是邊緣計(jì)算概念的興起，主控、通信協(xié)議、HMI……需要算力的地方越來越多，有些應(yīng)用還需要有專門的內(nèi)部DSP和浮點(diǎn)單元（FPU），再有開發(fā)者還要考慮為安全功能留有算力裕量，因此水漲船高，算力也就成了一道越來越高的“門檻”。為了獲得更高的性能，除了在自身的設(shè)計(jì)和工藝上挖潛，采用最新的處理器內(nèi)核，也是MCU廠家普遍的技術(shù)升級(jí)路徑，所以我們看到今天越來越多的主流物聯(lián)網(wǎng)MCU正在從以前的Arm-Cortex M0 / M0+ / M3 / M4架構(gòu)轉(zhuǎn)向更新的Cortex M23 / M33架構(gòu)。

2

低功耗

由于相當(dāng)多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是電池供電的，因此如何降低功耗、延長電池續(xù)航時(shí)間也就成了MCU這個(gè)能耗大戶需要認(rèn)真面對(duì)的問題。為此，一種普遍的做法是為MCU設(shè)置多種能耗模式，對(duì)應(yīng)MCU中不同功能模塊的工作和休眠狀態(tài)，按需切換，只讓必須激活的功能電路開啟，最大限度地實(shí)現(xiàn)節(jié)能。其次，集成和采用各類高性能和低功耗的外圍電路、片上非易失性存儲(chǔ)器等，也是降低系統(tǒng)能耗的好方法。再有，新的Cortex M23 / M33處理器內(nèi)核，也具有更為出色的能效表現(xiàn)，可以為MCU實(shí)現(xiàn)整體的低能耗加分。

3

安全性

物聯(lián)網(wǎng)的安全性如何強(qiáng)調(diào)都不過分，安全性的保障來源于物理性安全（硬件安全，例如防止黑客侵入保護(hù)數(shù)據(jù)安全）以及軟件安全（用戶認(rèn)證、身份管理、安全網(wǎng)絡(luò)接入等）?？梢钥吹?，越來越多的物聯(lián)網(wǎng)MCU將硬件加密、真隨機(jī)數(shù)生成、身份認(rèn)證等安全功能作為自身的標(biāo)配，成為一個(gè)“安全”MCU。同時(shí)，Cortex M23 / M33通過引入TrustZone的安全機(jī)制，也從底層架構(gòu)對(duì)安全的和不安全的代碼進(jìn)行隔離，盡可能打造一個(gè)縝密的安全防線。

4

高集成度

除了處理器內(nèi)核和片上存儲(chǔ)器，物聯(lián)網(wǎng)MCU也要考慮將越來越豐富的外設(shè)功能集成進(jìn)來，包括模擬、接口、安全單元、時(shí)鐘管理、定時(shí)器、電源管理等。通過集成度的提升，無論是從芯片層面還是系統(tǒng)層面，對(duì)于成本和小型化方面的優(yōu)化都是顯著的。

5

可擴(kuò)展性

由于物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)具有“碎片化”的特性，MCU產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)除了要滿足當(dāng)下的應(yīng)用場(chǎng)景，還要考慮更長遠(yuǎn)的可擴(kuò)展性要求，以滿足不斷發(fā)展的應(yīng)用需求。一方面，MCU要基于一個(gè)統(tǒng)一的產(chǎn)品平臺(tái)開發(fā)出豐富的硬件產(chǎn)品組合；另一方面，也需要在軟件工具鏈以及整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)和開發(fā)社區(qū)的營建上下功夫，以便可以為不斷變化的市場(chǎng)需求提供針對(duì)性的系統(tǒng)化解決方案。

達(dá)到了上面這五方面的要求，MCU產(chǎn)品就算是拿到進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的“入場(chǎng)券”了。但最終是否能夠在這個(gè)市場(chǎng)中安身立命、揚(yáng)名立萬，還要看MCU廠商能否依托自己的實(shí)力和經(jīng)驗(yàn)，打磨出經(jīng)得住市場(chǎng)考驗(yàn)的產(chǎn)品。

一顆為物聯(lián)網(wǎng)而生的MCU

Silicon Labs最新推出的EFM32PG22 32位 MCU可以說就是一款符合上述標(biāo)準(zhǔn)，“為物聯(lián)網(wǎng)而生”的精品。這款低成本、高性能的解決方案，擁有業(yè)界領(lǐng)先的低功耗、性能及安全性，同時(shí)基于易于使用且高精度的模擬功能。EFM32PG22非常適合于那些尺寸受限、對(duì)低功耗運(yùn)行有嚴(yán)苛要求的消費(fèi)和工業(yè)應(yīng)用。

圖1：EFM32PG22系統(tǒng)框圖

（圖源：Silicon Labs）

在性能方面，EFM32PG22基于主頻76.8MHz的高性能32位 Arm Cortex-M33處理器內(nèi)核，自帶DSP指令和浮點(diǎn)單元，可實(shí)現(xiàn)高效的信號(hào)處理，同時(shí)集成有高達(dá)512kB的閃存程序存儲(chǔ)器和高達(dá)32kB RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，對(duì)于常見的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用應(yīng)該是游刃有余。

在低功耗方面，這一直是EFM32系列32位 MCU的強(qiáng)項(xiàng)，EFM32PG22也不例外。從圖1中可以看出，EFM32PG22具有細(xì)分的五個(gè)功率模式，分別對(duì)應(yīng)著不同功能模塊的開啟和關(guān)閉，由此開發(fā)者可以靈活地控制MCU的功率水平，最大限度地降低功耗。

在EM0活動(dòng)模式下（38.4MHz活動(dòng)模式），運(yùn)行功耗為26μA/MHz；

在EM2深度睡眠模式下（保留8kB RAM，RTC從LFRCO中運(yùn)行），電流為1.10μA；

在EM3深度睡眠模式下（保留8kB RAM，RTC從ULFRCO中運(yùn)行），電流為0.95μA；

在EM4完全關(guān)斷的模式下，電流僅有0.17μA。

在安全性方面，采用Arm Cortex-M33處理器內(nèi)核的EFM32PG22，也同時(shí)獲得了Arm TrustZone的安全特性，這與上一代的MCU相比，是安全性上的一大進(jìn)步。同時(shí)，EFM32PG22可通過信任根和安全加載程序 (RTSL) 進(jìn)行的安全啟動(dòng)，集成了硬件加密加速（適用于AES128/256、SHA-1、SHA-2（高達(dá)256位）、ECC（高達(dá)256位）、ECDSA和 ECDH）和真隨機(jī)數(shù)生成器 (TRNG)功能，還支持使用鎖定/解鎖功能進(jìn)行安全調(diào)試，與其他同一級(jí)別的MCU相比，在安全功能的配置上是相當(dāng)全面了。

在集成度上，EFM32PG22的表現(xiàn)也不俗。在QFN40或QFN32小巧的封裝中，集成了豐富的MCU外圍設(shè)備，從下面這個(gè)外圍資源清單中可以看出，主流物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用所需基本都可滿足。高集成度也進(jìn)一步帶來了成本上的優(yōu)化——批量價(jià)格可以低于1美元，這已經(jīng)非常接近8位MCU的價(jià)格。

EFM32PG22外圍資源

模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)：12位，1Msps或16位，76.9ksps

高達(dá)26個(gè)帶有輸出狀態(tài)保持和異步中斷功能的GPIO引腳

8信道DMA控制器

12信道外圍設(shè)備反射系統(tǒng) (PRS)

4個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(3個(gè)比較/捕獲/PWM通道)

1個(gè)32位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(3個(gè)比較/捕獲/PWM 通道)

32位實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器

24位低能耗定時(shí)器，用于波形生成

1個(gè)監(jiān)視器定時(shí)器

2個(gè)通用同步/異步接收器/傳輸器 (UART / SPI / SmartCard (ISO 7816) /IrDA / I2S)

1個(gè)增強(qiáng)型通用異步接收器/傳輸器(EUART)

2個(gè)I2C接口，帶SMBus支持

數(shù)字麥克風(fēng)接口 (PDM)

單點(diǎn)校準(zhǔn)后具有+/-1.5?C精度的芯片溫度傳感器

在可擴(kuò)展性上，EFM32PG22依托屢獲殊榮的xG22平臺(tái)，與同一平臺(tái)的EFR32xG22無線 SoC（如BG22、MG22和FG22）保持引腳及軟件兼容，使設(shè)計(jì)人員可以利用可擴(kuò)展的嵌入式平臺(tái)來簡化產(chǎn)品開發(fā)，提高成本效益。憑借與xG22 SoC完全一致的外形尺寸和代碼，以及應(yīng)用程序共享，EFM32PG22的開發(fā)人員可以即插即用的方式升級(jí)產(chǎn)品來支持低功耗藍(lán)牙（BLE）、Zigbee或?qū)Ｓ?.4GHz無線連接。

正是由于上述這些優(yōu)異的特性，EFM32PG22一經(jīng)推出，Silicon Labs就將其放在了同類MCU列表中的“C位”，加以特別推薦。

圖2：EFM32PG22作為特別推薦的物聯(lián)網(wǎng)MCU產(chǎn)品（圖源：Silicon Labs）

高性價(jià)比的開發(fā)套件

為了讓開發(fā)者能夠快速探索和體驗(yàn)EFM32PG22這款新品，Silicon Labs還配套推出了一款基于EFM32PG22的小型化、高性價(jià)比、功能豐富的原型設(shè)計(jì)和開發(fā)套件。

圖3：EFM32PG22 MCU開發(fā)套件

（圖源：Silicon Labs）

該開發(fā)板中包括四種不同的環(huán)境傳感器（相對(duì)濕度和溫度傳感器、環(huán)境光傳感器、霍爾效應(yīng)傳感器、6軸慣性傳感器），以及立體聲PDM麥克風(fēng)。此外，該開發(fā)板還嵌入了一個(gè)8Mb串行閃存、用戶LED和按鍵、SEGGER J-Link板載調(diào)試器、20引腳2.54mm分支焊盤、Mini Simplicity連接器等，為調(diào)試和功能擴(kuò)展提供了便利。該開發(fā)套件的推出，也進(jìn)一步完善了EFM32PG22的設(shè)計(jì)生態(tài)，讓開發(fā)者上手更便捷。

圖4：EFM32PG22 MCU開發(fā)套件板載資源

（圖源：Silicon Labs）

總之，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不斷擴(kuò)展，也為MCU產(chǎn)品的發(fā)展提供了新賽道。一個(gè)能夠在這一賽道中領(lǐng)跑的MCU，必須在算力、功耗、安全性、集成度、可擴(kuò)展性等方面都有全面而均衡的實(shí)力。EFM32PG22就是在這場(chǎng)競逐中脫穎而出的一員新秀，如果你正準(zhǔn)備向大批量、低功耗的消費(fèi)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域進(jìn)軍，不妨來認(rèn)識(shí)一下它。