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對的MCU讓物聯網系統設計加分
正確選擇 事半功倍

【作者: 王岫晨】   2019年01月03日 星期四

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物聯網(IoT)是一種大量的數據收集和智能決策的設備,有助於建立一個以物感知的世界,換句話說,透過物聯網,人們可以更準確地預測任何可能性的趨勢。物聯網目的是在多種應用市場(包括汽車、農業、業、醫療保健和消費類設備)中更準確地進行目標決策,進而提高生產力。



圖1 : 在物聯網的系統中,存在許多不同的設計考量。
圖1 : 在物聯網的系統中,存在許多不同的設計考量。

透過物聯網打造而出的供應鏈,還將以靈活的物流、更短的上市時間、更低的成本,更高的員工(和個人)生產力,以及更令人滿意的客戶體驗的形式來獲得更多的回饋。


物聯網運算需求

在物聯網的應用中,最基本的設備包括了安全處理器、雲端連結以及透過網路來進行數據傳輸的一些方法。物聯網的定義十分廣泛,往往需要高性能、更多內存和大量I/O的高複雜度需求,都必須要採用到32位元MCU甚至是64位元處理器。在許多物聯網的設備中,都具備了足夠的處理能力來做出本地端決策,這稱之為邊際運算,目的是避免向雲端發送大量原始數據,不僅浪費頻寬,更消耗寶貴的處理時間。


在物聯網的應用環境中,許多設備都在聯網的同時,還力求要有更好的運算能力。特別是每天與人互動的智慧型電子裝置,在要求運算表現的同時,還必須維持最低功耗,以達到每天與人的互動中,能擁有更長的電池續航時間。



圖2 : 最簡易的電動牙刷,只需8位元MCU就可以滿足需求。
圖2 : 最簡易的電動牙刷,只需8位元MCU就可以滿足需求。

也因此,身為這些智能聯網裝置運算核心的MCU,也必須在運算效能與功耗表現兩者之間,取得最佳的平衡點。特別是目前普遍在市場上可見到的健康手環、智慧手錶、小型醫療設備、智慧電表、智慧工業感測器等各種產品的中央控制器,這些應用設備皆需要複雜功能、快速回應、最短電池充電所必需之停機時間,而這些需求,使得超高效同時具備低功耗的MCU,成為了產品成功與否的關鍵。而放眼現階段MCU設計,大致可分為四大關鍵需求,分別是更高性能、超低功耗、繪圖處理、以及高整合度。


更高性能表現,當然是為了要提供更強大的運算能力。而前提是最大限度的提升性能,並同時保持超低能耗。性能與功耗,這其實是在天平的兩端,就一般的處理器來說,想要取得更大的運算能力,耗能勢必增加。而要維持超低的功耗,則勢必得犧牲效能。如何在兩者間取得平衡,甚至進一步達到效能與功耗的最佳化,在設計上著實是門功夫。


8位元MCU的物聯網應用

8位元MCU的低成本、低功耗和物理尺寸小等特色,在僅需要簡單控制代碼而非強大處理能力的物聯網應用中十分受到歡迎。


然而事實上,8位元MCU的低成本、低功耗和物理尺寸小等特色,在僅需要簡單控制代碼而非強大處理能力的應用中十分受到歡迎。即使在物聯網的應用中,許多設備都只需要透過8位元MCU來讀取少量感測器數據並進行過程控制就已經足夠。


物聯網的應用中隨時都進行著網路連線,這代表其安全性必須能夠被保障。許多設計人員徘徊在32位元與8位元MCU間的安全性而猶豫不決,事實上安全性必須來自於晶片本身,這是因為外部的安全晶片很容易在連接點上遭受攻擊。在設計物聯網系統的過程中,就必須要確認有哪些安全選項。在理想的狀況下,安全機制應該要整合到晶片中,並在同一個內核上同時運行安全系統和一般操作系統。8位元MCU可以透過軟體或外部設備中提供一些加密功能,但外部的安全硬體會導致成本的增加,而若是在軟體中實現安全性,則會增加額外開銷的負擔。



圖3 : 開發板可以加速MCU應用的開發速度,具有十分重要的意義。
圖3 : 開發板可以加速MCU應用的開發速度,具有十分重要的意義。

當仔細檢視設計的細節時,可能會就元件的延遲性來加以比較。通常來說,32位元MCU並不一定都有具備低延遲的優勢於,通常這些細節是決定於使用案例。儘管更大的系統可能需要採用到效能更好的32位元MCU,然而需注意的是,8位元MCU在過去30年以來已經取得了許多技術上的進展,今日的8位元MCU無論是在安全性、無線連接、超低功耗、整合功能,以及模組、類比前端(AFE)和其他高階功能等方面,都有非常巨幅的進展。


其他考慮因素

在物聯網的應用中,仍有許多設計上的考慮因素。例如應用中是否會大量移動數據?與32位元MCU相比,8位元MCU一次移動的數據量更少。需考慮自然數據集的大小是否能與MCU的數據寬度相匹配,或者是否會將每行32位元的數據轉換為8位元處理。一般來說,8位元系統更易於整體設計。開發工具在設計過程中可以發揮不小的作用,但一般來說,不論是8位元或32位元,兩種類型的MCU都可以使用好的開發工具。更複雜的32位元MCU可以處理外部週邊設備的更多變化,但更多功能會帶來更多的系統複雜性。較少的元件越適合初學者,特別是如果設計者想真正深入了解這些元件如何一起運作。


儘管32位元MCU大軍壓境,然而8位元MCU市場並沒有萎縮的現象,這是一件好事,因為對於許多製造商來說,8位元數據更易於設計或者進行修改。32位元MCU的優勢在於,物聯網設備可在數據上傳雲端之前就先行處理,而不必將龐大資料全部送往雲端造成頻寬的浪費。但市場並非絕對鍾情於32位元MCU,對於某些將功率當作最高優先級別的物聯網設備來說,8位元MCU通常會是首選。值得注意的是,在某些應用上,32位元MCU可用於預先處理本地端8位元連網設備的原始數據。


結語

簡而言之,究竟該怎麼正確選擇物聯網的MCU,首先必須要先充分了解系統的需求,包括預算成本、多個MCU狀態下的功率消耗、以及MCU的主要運算功能等。此外,包括物理尺寸限制、所需的安全等級,以及MCU主要將用於何處,例如用於控制代碼、一般處理或計算,以及數學式的密集處理等。而近年來,由於網際網路連接的便利性,為駭客的攻擊打開了一扇大門,因此安全性已成為物聯網的一個關鍵議題。為了提升安全性,同時也為MCU增加了額外成本負擔。無論如何,物聯網下的萬物互連已經成為重大趨勢,而如何讓物聯網連得順利、連得安全、連得便宜,選擇正確的MCU,將會讓物聯網系統設計更事半功倍。


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