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对的MCU让物联网系统设计加分
正确选择 事半功倍

【作者: 王岫晨】2019年01月03日 星期四

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物联网(IoT)是一种大量的数据收集和智能决策的设备,有助於建立一个以物感知的世界,换句话说,透过物联网,人们可以更准确地预测任何可能性的趋势。物联网目的是在多种应用市场(包括汽车、农业、业、医疗保健和消费类设备)中更准确地进行目标决策,进而提高生产力。



图1 : 在物联网的系统中,存在许多不同的设计考量。
图1 : 在物联网的系统中,存在许多不同的设计考量。

透过物联网打造而出的供应链,还将以灵活的物流、更短的上市时间、更低的成本,更高的员工(和个人)生产力,以及更令人满意的客户体验的形式来获得更多的回??。


物联网运算需求

在物联网的应用中,最基本的设备包括了安全处理器、云端连结以及透过网路来进行数据传输的一些方法。物联网的定义十分广泛,往往需要高性能、更多内存和大量I/O的高复杂度需求,都必须要采用到32位元MCU甚至是64位元处理器。在许多物联网的设备中,都具备了足够的处理能力来做出本地端决策,这称之为边际运算,目的是避免向云端发送大量原始数据,不仅浪费频宽,更消耗宝贵的处理时间。


在物联网的应用环境中,许多设备都在联网的同时,还力求要有更好的运算能力。特别是每天与人互动的智慧型电子装置,在要求运算表现的同时,还必须维持最低功耗,以达到每天与人的互动中,能拥有更长的电池续航时间。



图2 : 最简易的电动牙刷,只需8位元MCU就可以满足需求。
图2 : 最简易的电动牙刷,只需8位元MCU就可以满足需求。

也因此,身为这些智能联网装置运算核心的MCU,也必须在运算效能与功耗表现两者之间,取得最隹的平衡点。特别是目前普遍在市场上可见到的健康手环、智慧手表、小型医疗设备、智慧电表、智慧工业感测器等各种产品的中央控制器,这些应用设备皆需要复杂功能、快速回应、最短电池充电所必需之停机时间,而这些需求,使得超高效同时具备低功耗的MCU,成为了产品成功与否的关键。而放眼现阶段MCU设计,大致可分为四大关键需求,分别是更高性能、超低功耗、绘图处理、以及高整合度。


更高性能表现,当然是为了要提供更强大的运算能力。而前提是最大限度的提升性能,并同时保持超低能耗。性能与功耗,这其实是在天平的两端,就一般的处理器来说,想要取得更大的运算能力,耗能势必增加。而要维持超低的功耗,则势必得牺牲效能。如何在两者间取得平衡,甚至进一步达到效能与功耗的最隹化,在设计上着实是门功夫。


8位元MCU的物联网应用

8位元MCU的低成本、低功耗和物理尺寸小等特色,在仅需要简单控制代码而非强大处理能力的物联网应用中十分受到欢迎。


然而事实上,8位元MCU的低成本、低功耗和物理尺寸小等特色,在仅需要简单控制代码而非强大处理能力的应用中十分受到欢迎。即使在物联网的应用中,许多设备都只需要透过8位元MCU来读取少量感测器数据并进行过程控制就已经足够。


物联网的应用中随时都进行着网路连线,这代表其安全性必须能够被保障。许多设计人员徘徊在32位元与8位元MCU间的安全性而犹豫不决,事实上安全性必须来自於晶片本身,这是因为外部的安全晶片很容易在连接点上遭受攻击。在设计物联网系统的过程中,就必须要确认有哪些安全选项。在理想的状况下,安全机制应该要整合到晶片中,并在同一个内核上同时运行安全系统和一般操作系统。8位元MCU可以透过软体或外部设备中提供一些加密功能,但外部的安全硬体会导致成本的增加,而若是在软体中实现安全性,则会增加额外开销的负担。



图3 : 开发板可以加速MCU应用的开发速度,具有十分重要的意义。
图3 : 开发板可以加速MCU应用的开发速度,具有十分重要的意义。

当仔细检视设计的细节时,可能会就元件的延迟性来加以比较。通常来说,32位元MCU并不一定都有具备低延迟的优势於,通常这些细节是决定於使用案例。尽管更大的系统可能需要采用到效能更好的32位元MCU,然而需注意的是,8位元MCU在过去30年以来已经取得了许多技术上的进展,今日的8位元MCU无论是在安全性、无线连接、超低功耗、整合功能,以及模组、类比前端(AFE)和其他高阶功能等方面,都有非常巨幅的进展。


其他考虑因素

在物联网的应用中,仍有许多设计上的考虑因素。例如应用中是否会大量移动数据?与32位元MCU相比,8位元MCU一次移动的数据量更少。需考虑自然数据集的大小是否能与MCU的数据宽度相匹配,或者是否会将每行32位元的数据转换为8位元处理。一般来说,8位元系统更易於整体设计。开发工具在设计过程中可以发挥不小的作用,但一般来说,不论是8位元或32位元,两种类型的MCU都可以使用好的开发工具。更复杂的32位元MCU可以处理外部周边设备的更多变化,但更多功能会带来更多的系统复杂性。较少的元件越适合初学者,特别是如果设计者想真正深入了解这些元件如何一起运作。


尽管32位元MCU大军压境,然而8位元MCU市场并没有萎缩的现象,这是一件好事,因为对於许多制造商来说,8位元数据更易於设计或者进行修改。32位元MCU的优势在於,物联网设备可在数据上传云端之前就先行处理,而不必将庞大资料全部送往云端造成频宽的浪费。但市场并非绝对锺情於32位元MCU,对於某些将功率当作最高优先级别的物联网设备来说,8位元MCU通常会是首选。值得注意的是,在某些应用上,32位元MCU可用於预先处理本地端8位元连网设备的原始数据。


结语

简而言之,究竟该怎麽正确选择物联网的MCU,首先必须要先充分了解系统的需求,包括预算成本、多个MCU状态下的功率消耗、以及MCU的主要运算功能等。此外,包括物理尺寸限制、所需的安全等级,以及MCU主要将用於何处,例如用於控制代码、一般处理或计算,以及数学式的密集处理等。而近年来,由於网际网路连接的便利性,为骇客的攻击打开了一扇大门,因此安全性已成为物联网的一个关键议题。为了提升安全性,同时也为MCU增加了额外成本负担。无论如何,物联网下的万物互连已经成为重大趋势,而如何让物联网连得顺利、连得安全、连得便宜,选择正确的MCU,将会让物联网系统设计更事半功倍。


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