編者按：本系列文章分為三個部分，將探討如何構(gòu)建更有效的智能設(shè)備。第 1 部分討論用于平衡功率和性能的低功耗設(shè)計方法。第 2 部分解決應(yīng)對用戶透明安全性的挑戰(zhàn)。第 3 部分（本文）檢討滿足設(shè)計目標(biāo)所需的 MCU 規(guī)格。
用戶期望智能器件既功能強(qiáng)大、安全可靠，又能延長電池壽命。為了滿足這些期望，開發(fā)人員現(xiàn)在主攻可任其發(fā)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?qū)崿F(xiàn)安全更新以實現(xiàn)功能增強(qiáng)和故障修復(fù)。
隨著 MCU 成為可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和其他智能便攜式產(chǎn)品的核心，MCU 必須組合好高性能和低功耗，以便在小尺寸產(chǎn)品中執(zhí)行日益復(fù)雜的軟件應(yīng)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(guān)重要。
本文將介紹如何使用 Maxim Integrated 提供的支持力度大的現(xiàn)有 MCU 系列來滿足這些要求。
明確好的用戶體驗
在很多方面，用戶的要求與開發(fā)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(chǎn)品的可接受解決方案，設(shè)計人員卻面臨著重大的差異。用戶越來越期望產(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(chǎn)品：不需要給予過度關(guān)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(chǎn)品能夠與提供類似功能的傳統(tǒng)產(chǎn)品一樣，具有大致相同的尺寸和外觀，包括“風(fēng)格”。例如，用戶較可能接受的可穿戴健身設(shè)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(dāng)然，如果產(chǎn)品無法為用戶提供足夠的價值，那么即使易于交互且風(fēng)格很受歡迎，產(chǎn)品仍然會失敗。一個時尚腕戴式設(shè)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(shù)和風(fēng)格很好地接合起來，這需要一定程度的隱形智能。
為了實現(xiàn)這種隱形智能，開發(fā)人員需要調(diào)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(zhuǎn)化為適合應(yīng)用的獨特要求。
擴(kuò)充要求
對于設(shè)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(chǎn)品上運行的更復(fù)雜應(yīng)用軟件快速輸出結(jié)果。這些功能需求又轉(zhuǎn)化為對處理器的需求，處理器必須能夠執(zhí)行該軟件，同時從日益增多的傳感器模態(tài)中提取更多有用信息。
在獲取信息時，這些設(shè)備將獲得對特權(quán)信息的訪問權(quán)限，特權(quán)信息則要求通過強(qiáng)大的安全機(jī)制來給予保護(hù)，同時又不破壞應(yīng)用性能。
除了這些直接需求之外，智能設(shè)備還需要通過隱形運行的軟件更新來應(yīng)對新類型的攻擊，但這些更新又不能給用戶增加負(fù)擔(dān)。與此同時，設(shè)計需要具備高效的節(jié)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(zhàn)性，而滿足用戶對智能產(chǎn)品美觀性的期望，又進(jìn)一步加大了挑戰(zhàn)難度。大體積的電池、超大的設(shè)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(chǎn)品交互的愿望。
將智能融入設(shè)計時，開發(fā)人員需要在形式與功能的兩極之間找到平衡點。為實現(xiàn)這一平衡，開發(fā)人員需要進(jìn)一步限定備選解決方案，重點關(guān)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(tǒng)沖突的方案。
另一個因素是成本。物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備和智能產(chǎn)品在快速發(fā)展，開發(fā)人員必須提供硬件及軟件更新來支持未來需求。在規(guī)劃未來的功能增強(qiáng)時，需要在初始設(shè)計中增加備用的功率和存儲空間，開發(fā)人員必須平衡好可能因此帶來的成本增加。
對于開發(fā)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(chǎn)品設(shè)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(chǎn)品需要提供更高的性能和功能。因此，32 位 MCU 也頗受智能產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)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(zhí)行 32 位加法，8 位 MCU 需要的指令周期數(shù) (A) 顯著多于 32 位 MCU 的周期數(shù) (B)。（代碼來源：Maxim Integrated）
隨著設(shè)計人員在傳感器融合算法中結(jié)合多個傳感器數(shù)據(jù)流，高性能 32 位 MCU 變得更加重要。傳感器融合算法有很多應(yīng)用，例如生成精確方向和室內(nèi)位置信息，這是用戶越來越希望從可穿戴設(shè)備和移動產(chǎn)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(xiàn)隱形智能至關(guān)重要。
實現(xiàn)隱形智能
Darwin MCU 專為支持新興智能產(chǎn)品的需求而設(shè)計。該系列將低功耗操作與全套集成功能結(jié)合在一起，產(chǎn)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(shè)管理、電源監(jiān)控和加密的模塊（圖 1）。安全型版本（如 MAX32631）通過集成信任保護(hù)單元 (TPU) 來擴(kuò)展對安全性的支持，該單元能夠在智能產(chǎn)品與外部主機(jī)的每次交互中保障機(jī)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(shè)、接口、專用模塊結(jié)合在一起，并且在 MAX32631 中納入了支持關(guān)鍵安全機(jī)制的信任保護(hù)單元 (TPU)。（圖片來源：Maxim Integrated）
開發(fā)人員可以利用 MCU 的多個模擬和數(shù)字外設(shè)以及串行接口，來簡化使用多個傳感器的系統(tǒng)的硬件設(shè)計。Maxim Integrated 通過其 MAXREFDES100 評估套件展示了這種簡化設(shè)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(shè)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(shè)備的傳感器。
雖然在捕獲更復(fù)雜數(shù)據(jù)的過程中必須使用靈活的接口，但 Darwin 指令集架構(gòu)能夠使這些 MCU 快速執(zhí)行復(fù)雜的算法，不斷滿足從這些數(shù)據(jù)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(yīng)用軟件的占用空間，同時保留了 32 位架構(gòu)每字節(jié)執(zhí)行更多指令的能力。除了集成 FPU 外，Darwin CPU 架構(gòu)還含有高速硬件乘法累加運算 (MAC) 和單指令多數(shù)據(jù) (SIMD) 并行處理能力，從而提供數(shù)字信號處理功能。
這種浮點和 DSP 指令的結(jié)合有助于 Darwin MCU 更快地執(zhí)行數(shù)據(jù)密集型算法，以便滿足在下一代產(chǎn)品中內(nèi)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(yīng)用代碼，以及越來越多的系統(tǒng)級軟件，包括實時內(nèi)核、通信堆棧和安全協(xié)議棧。在 Darwin MCU 系列產(chǎn)品中，開發(fā)人員可以找到最適合其應(yīng)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(fā)人員可以進(jìn)一步擴(kuò)展可用閃存，以支持非常大的代碼集或系統(tǒng)庫。Darwin MCU 支持芯片內(nèi)執(zhí)行 (XIP) 操作，允許 CPU 直接從外部閃存執(zhí)行代碼。Maxim Integrated 在其 MAXREFDES100 參考設(shè)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(qiáng)大的存儲器和處理能力，Darwin MCU 仍能滿足開發(fā)人員對低功耗的需求。在本文提及的產(chǎn)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(shè)管理單元 (PMU) 的特殊模式中，消耗 30 μW/MHz 即可支持外設(shè)操作，同時 CPU 內(nèi)核處于超低功耗休眠狀態(tài)。
Darwin MCU 在處理器休眠的同時能夠運行外設(shè)，這使得開發(fā)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(fā)人員不必使用完全活動的 CPU 定期輪詢傳感器并將結(jié)果傳輸?shù)街鳈C(jī)，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(tǒng)功耗（圖 3）。
圖 3：在可穿戴或其他傳感器系統(tǒng)中，開發(fā)人員可以通過最大限度增加 CPU 處于低功耗休眠狀態(tài)的時間來大幅降低系統(tǒng)功耗，喚醒時間只需足以獲取傳感器數(shù)據(jù)并將結(jié)果傳輸?shù)街鳈C(jī)即可。（圖片來源：Maxim Integrated）
較慢的 MCU 從休眠模式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換期間所浪費的功耗。結(jié)合其 SRAM 保持休眠狀態(tài)，這些器件可以快速恢復(fù)處理，不存在因為使用外部非易失性存儲器來保存和恢復(fù)狀態(tài)而導(dǎo)致的長時間延遲與功耗浪費。因此，工程師可以開發(fā)出非常高效的功耗敏感型應(yīng)用。
為了支持這些應(yīng)用的開發(fā)，Maxim 提供了 MAX326XX 固件軟件開發(fā)套件 (SDK)，其中包括外設(shè)驅(qū)動程序、電路板支持驅(qū)動程序和樣例應(yīng)用程序（圖 4）。
圖 4：Maxim Integrated 的 MAX326XX 固件軟件開發(fā)套件 (SDK) 為應(yīng)用軟件開發(fā)人員提供樣例應(yīng)用程序，展示了如何使用基于 Arm Cortex 微控制器軟件接口標(biāo)準(zhǔn) (CMSIS) API 而構(gòu)建的 SDK 外設(shè)和板卡驅(qū)動程序。（圖片來源：Maxim Integrated）
MAX326XX 固件 SDK 外設(shè)和電路板庫基于 Arm Cortex 微控制器軟件接口標(biāo)準(zhǔn) (CMSIS) API 而構(gòu)建。反過來，應(yīng)用軟件雖然通常與外設(shè)和電路板庫交互，但可以直接與 CMSIS 交互，以便根據(jù)需要訪問底層硬件。
總結(jié)
用戶希望可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和其他智能設(shè)備能夠在系統(tǒng)中提供復(fù)雜的應(yīng)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(fā)人員需要將豐富的功能、高性能處理能力和低功耗操作結(jié)合在一起的 MCU。
Maxim Integrated 的 Darwin 系列 MCU 專為滿足這些需求而設(shè)計，能夠讓開發(fā)人員在設(shè)備中更輕松地構(gòu)建隱形智能，不斷滿足智能產(chǎn)品用戶的期望。
