根据球移动通信系统协会（
GSMA）的研究数据，
2010-2020年全球物联网设备数量的复合增长率高达
19%，
2020年达到了
126亿台；而到
2025年，这个数字将攀升至
246亿。其他机构的预测数据虽然有差异，但是大抵都在数百亿级的水平，并大都认为在未来十年内这个进程将继续加速，向千亿量级的规模迈进。在这样的大趋势下，无线互连市场无疑将迎来一个持续的增长期。
想让设备
“联网
”，最直接的技术方案就是
“MCU+射频模块
”的双芯片架构，即在电子应用系统基础上，加上分立的无线射频通信器件。不过，按照半导体圈惯常的发展逻辑，当这个市场足够大的时候，人们就会想
“为什么不将
MCU和
RF无线收发器集成在一起
”，这样一来，在一个单芯片上就可以既实现无线通信，又能够跑应用，无疑这在成本、体积等方面都会更划算。无线
SoC（有时也被称作无线
MCU），就是在这样的背景下应运而生了。
无线SoC选型要素发展到今天，无线
SoC虽然还无法完全替代双芯片的架构，但已经日趋成熟，市场应用也越来越广泛。但对开发者来讲，随之而来的一个挑战就是：无线
SoC产品越来越多，应该如何选择适合自己的那一款？考虑到无线
SoC比单纯的
MCU架构更为复杂，因此需要考量的因素也就更多，选型时就不得不多花些心思。
无线协议根据应用的要求，基于数据传输速率、传输距离、功耗、成本、网络容量、安全性等方面的要素综合评估，选择合适的无线技术，通常是无线
SoC选型的第一步。
在可选的无线技术中，基于
2.4GHz频段的
Wi-Fi、蓝牙和
Zigbee等短距互连技术目前是市场的主流，有分析显示基于此类无线协议的连接数量占比在
70%以上。这几个无线技术属于开放的技术标准，市场渗透率高，生态比较完善，这都是先天的优势；但是它们的覆盖范围通常不超过
100米，而且也面临着
2.4GHz频段日益拥挤的局面，在抗干扰和兼容性方面的挑战必须认真应对。
由于无线传输距离与频率成反比，因此如果应用中需要更长距离的互连，低于
1GHz的
Sub-GHz无线技术会更具优势，且具有更强的穿墙能力；同时干扰源也不像
2.4GHz频段那么多，有利于提高系统网络的整体性能。在这个频率范围内，有许多可用的无需授权或需要授权的频段可供选择（如
433MHz、
868MHz和
915MHz），在此基础上也发展出了不少专用的无线通信协议，用户可以充分利用这些资源，灵活快速地部署自己的物联网架构，满足定制化的应用要求。
硬件平台在确定了所需的无线技术之后，下一步就要看无线
SoC的硬件架构。目前主流的无线
SoC都会采用双核架构，即一个
Arm Cortex-M3/M4处理器内核加上一个
Cortex-M0/M0+内核：前者作为主处理器其作用是运行应用软件；而后者则用来处理无线协议，执行射频实时任务，可以有效减轻主处理器的工作负荷。
这种
“两核分离
”的架构还有一个好处：
SoC中的射频系统实际上是被
“打包
”成了一个独立的射频单元，双核中的
Cortex-M0/M0+核一般不开放给用户使用，对于开发者来说，整个系统就像是一个单核
MCU，因此可以更专注于在
Cortex-M3/M4主处理器上的应用开发，整个系统的开发工作也就得以简化了
——而如果是单核架构的无线
SoC，则既需要处理应用程序，又需要处理协议栈，设计流程更为复杂。所以，如果不是有特殊的要求，双核架构的无线
SoC无疑是更好的选择。
安全特性在物联网的应用中，
“安全问题具有一票否决权
”已经成为了大家的共识，因此安全特性也一定是无线
SoC设计中的必选项。
无线
SoC的安全性可以从以下几个方面来衡量，如：是否内置了安全性功能模块（如硬件加密加速器、真随机数发生器等）；是否采用了具有安全性的
CPU内核（如支持
Arm TrustZone的内核）；是否可以提供配套的软件资源等。有的无线
SoC还会专门配置一个安全协处理器去运行网络安全相关协议，提供更强的安全性能支持。
更为重要的一点是，无线
SoC厂商是否可以将上述这些安全机制，整合成一个完整的解决方案，满足实际应用中的安全策略所需，这样就可以大大减少用户在安全方面的资源投入。而且这样的解决方案，如果能够获得行业权威的安全认证，就更是能够让用户吃下一粒
“定心丸
”。
低功耗大多数的无线物联网设备都是功耗敏感型的，尤其像
Sub-GHz这样的应用，覆盖范围广，维护难度大，当然需要更强的续航能力，更突出的低功耗特性。
应对功耗挑战，无线
SoC常用的策略有两点。一是更精细的功耗分级管理，即芯片可以根据实际应用需求来激活
/关闭相应的功能模块，减少无谓的电能消耗；二是将主处理器的工作卸载到专门的协处理器和外设硬件上，尽可能减少主处理器这个能耗大户的工作时间。当然，采用更先进的工艺、低功耗的处理器架构等，也都是在优化低功耗特性上可以发力的地方，进而提升无线
SoC整体的功耗表现。
外设功能既然叫无线
“SoC”，也就意味着除了核心的处理器内核、存储器等计算控制资源外，还会集成丰富的外围功能模块。这些外围模块中，重点要观察的有模拟、电源管理、接口、时序管理等几个方面，这些外设资源也是能够体现出
SoC产品差异化的地方，需要根据设计要求进行细致地评估。比如，在对信号链处理有较高要求的应用中（如传感器系统），就要仔细查看模拟功能的规格；如果对数据交互和可扩展性方面要求更多，则要重点观察接口资源的配置。有经验的无线
SoC供应商，通常会根据市场的需要和自己的经验，在这些外设资源和成本等要素之间做很好的平衡，定义出相应的产品，获得尽可能大的用户价值。
上面说了这么多，具体到实际工作中，应该怎样选择一颗满意的无线
SoC？下面我们就通过一个实例进行说明。
Sub-GHz单芯片方案Silicon Labs公司推出的
EFR32FG23Flex Gecko SoC，是一款专为网络化智能家居、安防、照明、楼宇自动化和智能表计等应用而设计的
Sub-GHz单芯片方案，如果按照上文所述几个无线
SoC要素来衡量，
EFR32FG23在各个方面的表现都是可圈可点的。
图1：EFR32FG23 Flex Gecko无线SoC（图源：Silicon Labs）
从芯片架构上看，
EFR32FG23采用了主流的双核架构：一颗
Cortex-M0+内核专司射频子系统的工作；主控处理器则采用了一颗主频达
80MHz、带有
DSP指令和浮点单元的
Cortex-M33内核，可以满足常规的物联应用设计需求。
图2：EFR32FG23无线SoC系统框图（图源：Silicon Labs）从无线和射频功能上看，基于
Sub-GHz频段的
EFR32FG23的传输距离能够覆盖
1英里以上的范围。其经过专门优化的射频功率放大器兼具高发射功率、低功耗、高接收灵敏度的特性。
在灵敏度方面，
EFR32FG23的表现出众，从
表1中我们可以看到在不同工作条件下其灵敏度的数值，与市面上其他同类无线
SoC相比优势非常明显。这也意味着，
EFR32FG23在各种应用场景下，可以为用户提供更稳定可靠的射频功能。
表1：EFR32FG23接收器的灵敏度特性（图源：Silicon Labs）EFR32FG23还可支持多种调制方案（如
2/4 (G)FSK、
OQPSK DSSS、
(G)MSK、
OOK等），以及多种
Sub-GHz的无线协议，包括
Amazon Sidewalk、
mioty、无线
M-Bus、
Z-Wave和其他专有物联网络，为开发者提供了一个灵活的、多协议的
Sub-GHz解决方案。
从射频系统的功耗表现来看，
EFR32FG23的发射功率可高达
+20dBm，而对应的
TX电流为
85.5mA；在
868MHz时
10dBm功率下
TX电流仅为
13.2mA，
RX电流仅为
3.7mA。这也为无线
SoC整体功耗的控制提供了保障。
表2：EFR32FG23射频系统的低功耗特性（图源：Silicon Labs） 在器件整体的低功耗特性方面，除了前面提到的经过优化的低功耗射频子系统之外，从
图2中可以看出，
EFR32FG23支持的功率管理级别多达
5级（
E0至
E4），这也就意味着可以实施更为精细的按需供电管理，使得该器件可以很好地满足低功耗、长距离无线连接应用所需。以下是
Silicon Labs提供的几个功率级别下的典型功耗数值：
- EM0工作模式（39.0MHz）：26μA/MHz
- EM2深度睡眠模式（64kB RAM保留并从LFXO运行RTC）：1.5μA
- EM2深度睡眠模式（16kB RAM保留并从LFRCO运行RTC）：1.2μA
此外，在外设方面，
EFR32FG23提供的资源也极为丰富，从模拟、定时器
/计数器，到通信接口一应俱全，还包括低功耗
LCD控制器、键盘扫描仪
(KEYSCAN)、芯片温度传感器等很
“贴心
”的功能模块，为应用开发带来了极大的便利性和可扩展性。
EFR32FG23丰富的外设资源- 12位
@1Msps- 16位
@76.9ksps- 2× 模拟比较器 (ACMP)
- 2× 数模转换器 (VDAC)
- 低能耗传感器接口 (LESENSE)
- 多达31个带输出状态保持和异步中断功能的通用I/O引脚
- 8通道DMA控制器
- 12通道周边反射系统 (PRS)
- 4个16位定时器/计数器，带3个比较/捕获/PWM 通道
- 1个32 位定时器/计数器，带3个比较/捕获/PWM 通道
- 32位实时计数器
- 用于波形生成的24位低能耗定时器
- 16位脉冲计数器（异步操作）(PCNT)
- 2× 看门狗定时器
- 3× 升级版通用同步/异步接收器/发射器 (EUSART)
- 1× 通用同步/异步接收器/发射器 (UART/SPI/SmartCard(ISO7816)/IrDA/I2S)
- 2个支持SMBus的I2C接口
- 集成低功耗LCD控制器，支持多达80个分段
- 键盘扫描仪支持高达6x8矩阵 (KEYSCAN)
- 芯片温度传感器，在整个温度范围内具有+TBD/-TBD°C 的精度
经过PSA认证的安全特性在
EFR32FG23诸多特性中，其出色的安全特性尤其让人印象深刻。
从
EFR32FG23的系统框图中可以看到，其具有一系列安全特性，包括支持主流加密标准的硬件加密加速、真随机数发生器
(TRNG)、基于硬件信任根的安全启动、安全调试、物理篡改、安全认证身份，以及物理不可克隆功能（
PUF）密钥管理技术，尽可能地降低物联网安全漏洞和知识产权受损的风险。同时，
EFR32FG23所采用的
Cortex-M33内核还支持
Arm TrustZone安全特性，也是下一代安全敏感型
MCU的标配。
Silicon Labs将上述这些安全特性统合在一起，形成了一个完整的
Secure Vault解决方案，并获得了来自
Arm的
PSA认证项目和
ioXt 联盟（
ioXt Alliance）等第三方物联网的安全认证。不夸张地讲，
SecureVault技术是当今物联网无线
SoC先进硬件和软件安全保护功能的集大成者，可以简化开发、加快产品上市时间并帮助设备制造商开发面向未来的产品。
图3：Secure Vault技术获得了Arm的PSA 3级认证（图源：Silicon Labs） Secure Vault的安全功能包括:安全设备标识Silicon Labs的工厂信任部署服务带有可选的安全编程服务，可为每个单独的硅芯片在
IC制造期间提供类似于出生证明的安全设备标识证书，从而支持部署后的安全性、真实性和基于证明的健康检查。设备证书可确保芯片在其使用寿命内的可靠性。
安全密钥管理和存储设备和数据访问安全方案的有效性直接依赖于密钥的保密性。使用
Secure Vault，可以对密钥进行加密并将其与应用程序代码隔离。由于使用
PUF生成的主加密密钥对所有密钥进行加密，因此提供了几乎无限制的安全密钥存储。每一个设备的开机签名都是独一无二的，并且主密钥在开机阶段创建，从而无需主密钥存储，进一步减少了攻击途径。
先进的篡改检测此特性支持从易于实现的产品外壳防篡改功能到通过电压、频率和温度操作对硅芯片进行复杂的篡改检测。可配置的篡改响应功能使得开发人员可以设置适当的响应动作，包括中断、复位或在极端情况下删除密钥。
可见，有了
Secure Vault安全功能的加持，不仅能够满足现今物联网应用的安全所需，也完全可以应对未来的安全监管措施和法规的要求，为
Sub-GHz无线设备提供一道稳固的安全防线。
设计生态已就绪总结一下，作为
Silicon Labs公司
Series2平台系列产品中的一员，
EFR32FG23提供了远距离互连和低功耗的特性，以及丰富的外设功能，且通过了
Arm PSA 3级安全认证，可以说是电池供电的高性能
Sub-GHz无线解决方案的理想选择。同时，
EFR32FG23在射频方面支持多种调制方案和无线协议，为开发人员提供了灵活、多协议的
Sub-GHz连接选择，在全球范围内的市场适应性和可扩展性也很强，是一款各方面综合表现都很优秀的无线
SoC产品。
值得一提的是，得益于
Series2平台资源的支持，与
EFR32FG23配套的设计生态也已经就绪。比如在开发工具方面，目前就已经有一系列的产品可以提供。比如下面这款
FG23 868MHz至
915MHz +14dBm开发套件，就是一款外形紧凑、功能丰富的开发平台，支持
FG23的板载分段
LCD控制器以及
LESENSE和脉冲计数器等关键特性，能够加速开发者的器件评估和原型开发进程。
图4：FG23 868MHz至915MHz +14dBm开发套件（图源：Silicon Labs）
图5：FG23 868MHz至915MHz +14dBm开发套件系统框图（图源：Silicon Labs）总之，
EFR32FG23不仅是开发
Sub-GHz长距离、低功耗无线物联应用的理想选择，从它身上你也能够看到一颗优秀无线
SoC应该具备的能力和实力。有了这样的认知，面对未来千亿级的物联网设备市场，想必你一定是信心满满了吧！
相关技术资源- EFR32FG23 Flex Gecko无线SoC：https://cn.silabs.com/wireless/proprietary/efr32fg23-sub-ghz-wireless-soc
- FG23 868-915MHz +14dBm开发套件：https://cn.silabs.com/development-tools/wireless/proprietary/efr32fg23-868-915-mhz-14-dbm-dev-kit
- FG23 433MHz +10dBm无线电板套件：https://cn.silabs.com/development-tools/wireless/proprietary/fg23-rb4265b-efr32fg23-433-mhz-10-dbm-radio-board
- xG23 868-915MHz专业套件：
https://cn.silabs.com/development-tools/wireless/efr32xg23-pro-kit-20-dbm - xG23 868-915MHz无线电板套件：
https://cn.silabs.com/development-tools/wireless/efr32xg23-pro-kit-14-dbm
