嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，如何選擇適合的MCU平臺(tái)?

引 言

如今，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)往往基于平臺(tái)模式。MCU平臺(tái)包括MCU及其相關(guān)器件(外延器件、配套器件等)，集成開發(fā)環(huán)境(開發(fā)板、開發(fā)工具、中間件等)，以及操作系統(tǒng)等。半導(dǎo)體廠商在推出一款MCU新產(chǎn)品時(shí)，一般都有相應(yīng)的周邊器件、集成開發(fā)環(huán)境與操作系統(tǒng)來輔助支持。

因此，工程師在選擇一款MCU平臺(tái)進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)時(shí)，不僅要考慮MCU芯片自身的性能，還要考慮該MCU平臺(tái)是否能方便地實(shí)現(xiàn)代碼的移植和軟件的兼容，硬件設(shè)計(jì)是否可以進(jìn)一步優(yōu)化，從而節(jié)省開發(fā)時(shí)間、縮短產(chǎn)品上市周期。如果MCU平臺(tái)選擇得合適，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)也就成功了一半。

隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，出現(xiàn)的問題也越來越多：MCU平臺(tái)怎樣能讓開發(fā)的產(chǎn)品更好地做到安全的互聯(lián)互通？物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)存在很多不同的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，如何實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)間的兼容，使產(chǎn)品的通用性更強(qiáng)？便攜設(shè)備對(duì)低功耗的需求越來越高，如何通過選擇適合的MCU平臺(tái)來應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)？

業(yè)界聲音

多協(xié)議無線SoC助力物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用加速部署、更新Silicon Labs微控制器和傳感器產(chǎn)品高級(jí)營(yíng)銷經(jīng)理 ?ivind Loe

在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域內(nèi)的主流無線技術(shù)包括：Wi-Fi (802.11)、采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的ZigBee 和Thread (802.15.4)，以及低功耗藍(lán)牙 (LE)。許多私有協(xié)議也被廣泛應(yīng)用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，特別是在Sub-GHz頻段。每種協(xié)議都針對(duì)特定的應(yīng)用需求，但是沒有一種協(xié)議能夠提供通用的、萬能的解決方案。Wi-Fi接入點(diǎn)無處不在，為流媒體和安防攝像頭等應(yīng)用提供高帶寬。我們看到在家庭聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)中，802.15.4平臺(tái)上的ZigBee和Thread的出貨量穩(wěn)步增長(zhǎng)，尤其是在電源受限、電池供電的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)。雖然現(xiàn)在已有了一個(gè)很大的ZigBee生態(tài)系統(tǒng)，但越來越多的開發(fā)人員正在將支持Thread的設(shè)備轉(zhuǎn)移到這些生態(tài)系統(tǒng)中，以便為未來的變化做好準(zhǔn)備。ZigBee已經(jīng)建立了一套現(xiàn)在被稱為dotdot的、豐富的“集群庫(kù)”或應(yīng)用層，它可以在Thread之上運(yùn)行，以支持設(shè)備之間和網(wǎng)絡(luò)的互操作性。低功耗藍(lán)牙繼續(xù)快速增長(zhǎng)，這得益于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的簡(jiǎn)易性，以及與智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備連接的能力。藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)規(guī)范目前還處于早期采用階段，這種新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將如何在市場(chǎng)上發(fā)揮作用還有待觀察。

物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要新趨勢(shì)是多協(xié)議無線SoC的興起，它可以支持在單一SoC上進(jìn)行多個(gè)協(xié)議之間的動(dòng)態(tài)切換，如ZigBee和低功耗藍(lán)牙。這種多協(xié)議解決方案可實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的高級(jí)功能和互操作性，且不會(huì)帶來雙芯片架構(gòu)的額外復(fù)雜性和硬件成本，從而將無線子系統(tǒng)物料清單(BOM)成本和尺寸降低達(dá)40%。動(dòng)態(tài)多協(xié)議軟件允許用戶使用智能手機(jī)APP通過藍(lán)牙直接對(duì)ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行部署、更新、控制和監(jiān)控。多協(xié)議技術(shù)還可以通過藍(lán)牙信標(biāo)擴(kuò)展基于ZigBee的可連接照明和樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)，更輕松地在室內(nèi)部署可擴(kuò)展的、基于位置的服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施。通過向ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)添加低功耗藍(lán)牙功能，開發(fā)人員可以創(chuàng)建更易部署、使用和更新的下一代物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。我們相信，這種多協(xié)議的能力將是明年增長(zhǎng)最快的趨勢(shì)之一。為了滿足這一市場(chǎng)需求，Silicon Labs提供了一個(gè)無線Gecko多協(xié)議SoC的組合，支持ZigBee、Thread、低功耗藍(lán)牙和私有的無線連接。除了提供廣泛的連接選項(xiàng)之外，無線Gecko平臺(tái)還允許開發(fā)人員利用相同的工程專有技術(shù)和重用硬件和軟件，跨越多種應(yīng)用來應(yīng)對(duì)不同的需求。這種多協(xié)議方法在開發(fā)新產(chǎn)品時(shí)帶來了敏捷性和效率。

減少電流消耗仍然是便攜式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備市場(chǎng)的主要焦點(diǎn)。超低功率的MCU和無線SoC現(xiàn)在可以極大地減少芯片運(yùn)行和深度休眠時(shí)的功耗，從而延長(zhǎng)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)間。為了充分發(fā)揮當(dāng)今MCU和SoC的電流功耗規(guī)范，開發(fā)人員必須考慮許多因素。顯著提高電能效率的方法是，在執(zhí)行代碼以及在發(fā)送或接收無線信號(hào)包時(shí)減少電流的消耗。這些電流應(yīng)該盡可能低，這將有利于大多數(shù)時(shí)間都在工作的應(yīng)用。然而在那些場(chǎng)景中，對(duì)許多僅靠很小電池運(yùn)轉(zhuǎn)的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備應(yīng)用來說，很重要的是使其MCU盡可能多地處于休眠狀態(tài)。

休眠電流很重要，但是更重要的是MCU在休眠狀態(tài)下完成工作的能力。以Silicon Labs的Gecko MCU和 Wireless Gecko SoC為例，即使在深度休眠模式下，其絕大多數(shù)周邊功能還能繼續(xù)工作。這些功能包括多個(gè)模擬外設(shè)，如ADC、運(yùn)算放大器、DAC、分段LCD驅(qū)動(dòng)器、電容式觸摸傳感器、通信接口、多個(gè)定時(shí)器等；以及低功耗傳感器接口(LESENSE)等低功耗外設(shè)，它能自主精密地完成傳感器監(jiān)控；還有外設(shè)反射系統(tǒng)(PRS)，它自主地將不同的外設(shè)交互聯(lián)系在一起，并支持它們?cè)谏疃刃菝吣Ｊ较禄?dòng)。為了使低功耗平臺(tái)的效益最大化，關(guān)鍵是使其能夠應(yīng)對(duì)廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，從CPU和射頻部分經(jīng)常工作的高占空比型應(yīng)用，到其大部分時(shí)間都處于休眠模式、但同時(shí)仍然在監(jiān)測(cè)其環(huán)境的休眠型應(yīng)用。

MCU采用靈活安全的解決方案是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品開發(fā)的重中之重Microchip Technology Inc. 計(jì)算機(jī)產(chǎn)品部市場(chǎng)營(yíng)銷經(jīng)理 Jeannette Wilson

單片機(jī)(MCU)為客戶提供充分的靈活性，可通過軟件算法、密鑰和證書存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)的加密/解密提高其平臺(tái)的安全性。在最基本的層面上，MCU可以使用軟件算法來執(zhí)行對(duì)稱加密，從而實(shí)現(xiàn)安全通信。隨著用戶變得越來越復(fù)雜，并且希望使其連接的系統(tǒng)更安全，他們可以使用Microchip的CEC1702或SAM D51/E54等MCU，這些MCU現(xiàn)已包括用于公鑰加密的非對(duì)稱硬件加速器、用于認(rèn)證和反克隆的哈希算法以及用于加密和解密數(shù)據(jù)的橢圓曲線。集成到MCU中的硬件加密加速器的運(yùn)行速度遠(yuǎn)快于軟件中運(yùn)行的算法，有助于減小總體代碼長(zhǎng)度。除了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證外，確保MCU僅執(zhí)行可信代碼，并提供安全固件更新的機(jī)制至關(guān)重要。這通過硬件驗(yàn)證的啟動(dòng)過程完成，以確保系統(tǒng)只能使用來自不可變?cè)吹拇a啟動(dòng)。在MCU中的不可寫存儲(chǔ)器中，不可變?cè)赐ǔＪ欠且资缘摹?/p>

從運(yùn)行在MCU上的SSL(安全套接字層)和TLS(傳輸層安全)等軟件解決方案到集成有高級(jí)硬件加密功能的MCU和MPU，Microchip可為客戶提供靈活、可擴(kuò)展的MCU解決方案，從而實(shí)現(xiàn)安全連接并避免中間人、拒絕服務(wù)和后門攻擊。Microchip的解決方案還為安全固件更新提供了途徑，可保護(hù)系統(tǒng)免受惡意軟件或存儲(chǔ)器損壞的影響。

互操作性不是物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的新問題。目前，計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)和“物體”使用不同的機(jī)制連接到互聯(lián)網(wǎng)。這就是采用靈活的安全解決方案來滿足這種不斷變化的趨勢(shì)至關(guān)重要的主要原因之一。與各種各樣的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)類似，安全解決方案也不是一成不變的。重要的是，能夠創(chuàng)建一個(gè)可以安全認(rèn)證并受到保護(hù)的唯一可信身份。有不同的方法來實(shí)現(xiàn)這種信任，并且可以根據(jù)特定系統(tǒng)所需的安全級(jí)別增加額外的措施。

本質(zhì)上，開發(fā)人員可以使用我們的可擴(kuò)展、模塊化解決方案，幫助其將Microchip的硬件和開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)接入他們的應(yīng)用中，而幾乎無需開銷。

選擇適合設(shè)計(jì)的MCU非常重要。過去，應(yīng)用復(fù)雜性與功耗之間呈線性關(guān)系，但現(xiàn)在，Microchip可提供采用8位、16位和32位單片機(jī)的多種超低功耗產(chǎn)品解決方案。這使客戶能夠選擇合適的MCU來應(yīng)對(duì)應(yīng)用復(fù)雜性，同時(shí)仍然保持較低的功耗。也許應(yīng)用只需將一個(gè)8位或16位單片機(jī)連接到互聯(lián)網(wǎng)。

為了增強(qiáng)這些低功耗設(shè)計(jì)的安全性，一種選擇是使用ATECC608A等配套芯片，此芯片提供基于硬件的安全密鑰存儲(chǔ)，可確保產(chǎn)品、產(chǎn)品運(yùn)行的固件、支持產(chǎn)品的配件及產(chǎn)品連接的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不會(huì)遭到克隆、偽造或篡改。Microchip提供業(yè)內(nèi)極其豐富的驗(yàn)證器件，這些器件采用基于硬件的可信根存儲(chǔ)和加密對(duì)策，即使是最強(qiáng)大的攻擊也能輕松應(yīng)對(duì)。要獲得更高的單片機(jī)性能，請(qǐng)考慮使用帶集成加密硬件加速器的單片機(jī)或微處理器。由于安全算法在硬件上的執(zhí)行速度是固件的5到20倍，因此所需的處理能力更少，系統(tǒng)功耗也更低。

編輯視角

可以看到，工程師在選擇MCU平臺(tái)做嵌入式開發(fā)時(shí)有幾類問題要特別注意：①物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品互聯(lián)互通時(shí)的安全性；②物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)有很多不同的標(biāo)準(zhǔn)，如何能做到標(biāo)準(zhǔn)兼容、協(xié)議共通，是設(shè)計(jì)師要關(guān)注的重點(diǎn)；③還需要從技術(shù)角度更深入地了解不同的標(biāo)準(zhǔn)，才能把一些深入的產(chǎn)品問題解決掉，對(duì)工程師的專業(yè)知識(shí)要求比較高；④是低功耗，現(xiàn)在越來越多的產(chǎn)品對(duì)功耗有著極高的要求。上邊提到的公司的平臺(tái)和產(chǎn)品都是圍繞這4個(gè)主題打造的，目的是方便工程設(shè)計(jì)。

各大半導(dǎo)體廠商都在根據(jù)自己產(chǎn)品的特點(diǎn)，打造嵌入式開發(fā)平臺(tái)，包括硬件、軟件以及外圍設(shè)備，從而更好地加速物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品落地，以及后續(xù)的更新?lián)Q代工作。比如，TI公司在2017年發(fā)布了SimpleLink平臺(tái)，它集成了TI現(xiàn)有的產(chǎn)品，包括：MSP432 MCU，主要用作主機(jī)控制；不同無線SoC產(chǎn)品，包括藍(lán)牙SoC，MCU CC2640,支持2.4 GHz、雙頻段的CC1350以及Sub 1 GHz的CC1310 MCU，還有WiFi的SoC產(chǎn)品CC3220。這樣打造平臺(tái)，有線連接、無線連接、云端全部可以互聯(lián)互通。