如何解决传统 mcu 的性能问题（如何解决传统 mcu 的性能问题的方法）

随着工业4.0和工业自动化的大规模发展，现代智能工厂已经具备更快的分布式计算、更快的灵活网络和更智能的边缘。制造机器人、机器辅助和互联工厂的设计者可以通过集成先进的实时计算、无处不在的网络和边缘分析功能来添加工业通信、功能安全和预测性维护等功能。实现上述发展需要建立物理设备与云端的无缝连接，从而促进技术在多个领域的同步应用。图1显示，在自动化工厂中，实时控制、工业网络和边缘分析可以有效提高效率和生产力。

下面介绍用于实现工业自动化的三个关键技术支柱。本文介绍Texas Instruments 的Sitara AM2x 微控制器(MCU) 如何解决传统MCU 的性能问题，以满足实时控制、网络和分析需求。

1、工业自动化的技术支柱

随着对实时计算、灵活快速的网络和边缘分析的需求不断增加，他们比以往任何时候都更需要提高性能。

2、高性能MCU在现代工厂中的作用

传统MCU的能力已经不能满足工厂对更高性能的需求。现代工厂需要提高性能水平，以满足日益增长的自动化和智能化需求。

3. Sitara AM2x 产品系列基础知识

凭借各种片上功能，Sitara AM2x MCU 可帮助实时控制和边缘系统设计人员在不增加复杂性的情况下突破性能界限。

实时控制

由于系统对时间要求严格，在进行实时控制时，系统需要具备原始数据处理能力，能够在要求的精确时间内控制信号。模拟信号的精确控制至关重要，可以通过改进控制算法来提高电机驱动的可靠性和电动汽车的效率。因此，上述改进算法的处理要求已经超出了传统MCU的功能范围。

工业网络

工厂需要交换不同类型的数据，因此必须快速采用多种工业以太网标准来支持机器之间的实时通信。只有实现这种连接，才能提高系统的性能、安全性和可靠性。系统设计人员正在寻找与许多不同协议标准兼容且运行速度高达1Gbps 的集成网络解决方案。

边缘分析

正如系统级连接可以实现实时通信一样，机器学习算法的改进可以促进本地优化，其中每个机器或节点都可以执行操作，而无需等待集中决策。边缘处理显着缩短了响应时间，从而实现更好、更安全的人机协作。

高性能MCU在现代工厂中的作用

正如链条的强度取决于其最薄弱的环节一样，模数转换也不例外，但MCU 是链条中经常被忽视的元素。在许多工厂系统中，例如电机控制和机器人，这种鲜为人知的处理器负责监督模数转换和数模转换过程，但人们的高性能计算和控制需求对处理器的性能提出了更高的要求。能力。

TI 的Sitara AM2x MCU 提高了MCU 的性能水平，以满足工厂不断增长的自动化需求。该产品系列将处理器级计算与MCU 典型的节能简单封装和高集成度相结合。适用于需要精确实时控制的应用。它还进一步实现了边缘分析和实时多协议网络等新功能。这些功能是提高工厂效率和智能化水平的核心。

Sitara AM2x MCU 的核心构建模块：处理内核、网络、模拟集成、信息安全和功能安全特性以及定制加速模块。

Sitara AM2x MCU 系列中的第一款器件是AM2434，如图3 所示。该器件包括四核R5F 处理子系统、灵活的工业网络引擎（工业通信子系统[ICSS]）、紧密耦合的模拟外设等基本功能以及支持最新加密标准的安全引擎。

Sitara AM2x MCU 产品系列基础知识

将Sitara AM2x MCU 的功能块分为几个不同的类别，有助于说明这些器件如何在三个关键技术支柱上实现更高的性能。使用这些功能块的组合实现的片上系统提供了突破性的性能和超低功耗。

节能加工

第一个功能块开启了最多四个低功耗Arm MCU 内核的可能性，每个内核都以800MHz 运行。节能处理通过改进算法来提高实时控制系统的性能。例如，电机控制系统可以通过测量振动来帮助防止磨损并减少能耗，还可以通过添加异常检测功能来检测即将发生的灾难性故障。这些新功能需要显着提高计算能力，而传统MCU 由于时钟速率较低而无法满足。

高性能多核处理是Sitara AM2x MCU 架构的核心功能，提供性能、效率和灵活性的有利组合。通过从单核到四核的灵活扩展以及从400MHz 到1GHz 的速度提升，您可以在不影响延迟性能的情况下向应用程序添加功能。当所有四个R5F 内核都以800MHz 运行时，AM2434 MCU 可提供高达6,400 个实时数据

Dhrystone拥有数百万条指令的计算能力，实现实时控制。该器件的多核架构还可以扩展多个不同核心的操作，从而简化以不同时间间隔运行的不同功能的软件调度。例如，将实时控制与网络分离可以减少给定内核的中断数量，并使微调所有操作变得更加容易。

多协议网络

网络已成为下一代智能工厂的关键要素，但由于当前使用多种标准和1Gbps 网络的推动而变得复杂。集成的可编程网络加速模块可实现支持多种协议的各种工业网络场景。传统的MCU无法与上述许多协议互操作，因此设计人员必须使用外部通信设备，这增加了设计的成本和功耗。

Sitara AM2x MCU 集成了TI 的ICSS，这是一种可编程、灵活的千兆位网络引擎。除了工业工具套件软件之外，ICSS 还支持与以下工业协议的开箱即用连接：PROFINET IRT、以太网/互联网协议、EtherCAT 和IO-Link。上述集成允许轻松进行工厂连接，而无需使用额外的组件。

先进的模拟集成

高级模拟集成是Sitara AM2x MCU 架构的另一个重要方面，提供专用模拟和控制外设，例如高分辨率脉宽调制器(PWM) 和模数转换器(ADC)。这些外设对于实现性能改进（例如提高电机稳定性或能源效率）至关重要。与使用单一集成解决方案的其他TI 产品相比，新产品系列采用了先进的模拟设计。集成这些功能可简化系统设计、减少对额外组件的需求、降低成本并加快上市时间。集成ADC 和PWM 提高了整体控制精度并减少了延迟，使控制周期时间低至3s。

加工加速器

许多应用程序都有非常专业的计算要求，可以通过集成定制加速模块来满足。例如，用于驾驶辅助的雷达处理系统需要每微秒计算多次快速傅立叶变换，这对于可编程内核来说无疑是一个艰巨的挑战。设计用于支持雷达处理的设备需要专用加速器来减轻计算压力。另一个例子是机器学习，推理引擎每秒的计算量特别大，可能还需要加速模块支持。添加定制加速模块可提供超越标准微处理器内核性能的专用处理块，将这些应用的系统性能提高10 至100 倍，而不会显着增加成本或功耗。

集成安全功能

随着越来越多的系统相互连接，对增强安全性的需求也随之增加。在系统范围内，设备必须包含保护功能，以减少安全漏洞的可能性并符合最新的加密标准。 Sitara AM2434 MCU从设计之初就特别注重系统级片上系统设计，从可编程安全密钥和灵活的防火墙配置等方面提高系统安全性。随着安全标准的发展，Sitara AM2x MCU 架构非常灵活，可以进行调整以继续符合最新标准。

片上系统设计还需要符合工业和汽车行业要求的安全标准，例如汽车安全完整性等级(ASIL)-D 和SIL-3。并且片上系统设计支持系统级安全解决方案，使开发人员不仅可以使用集成的M4F内核作为系统看门狗，还可以不间断地预设设备的其余部分。网络外设还可以独立于主Arm Cortex-R5F 处理器运行，从而实现无缝重启。电源效率

许多需要实时控制的系统在非常高的环境温度下运行，没有冷却气流进行冷却。在许多电机驱动系统和电动汽车中，环境温度可高达85C，使得电子设备几乎不可能散热。因此，在上述环境下应特别关注处理器的功耗和能效。

Sitara AM2x MCU 产品系列显着提高了能效，同时仍然提供AM2434 MCU 等器件的所有集成和计算性能，其功耗低于1W。因此，该设备可以在非常高的温度下可靠运行，无需冷却风扇或昂贵的散热器。

结论

显然，提高灵活性和性能的趋势正在突破当前MCU 的局限性。对于设计实时控制和边缘系统的设计人员来说，在不增加复杂性的情况下突破性能界限是一项挑战。 Sitara AM2x MCU 系列打破了上述性能界限，将引发第四次工业革命。该系列器件旨在优化当前系统，并且足够灵活，可以满足未来系统的未知需求。