面向物联网设计的顶级MCU

随着物联网设备在各行各业不断普及，芯片制造商需要跟上各种不断变化的需求，例如更高的性能、更多的功能、更高的安全性和更好的软件工具。他们还需要跟上新兴标准并提供更大的灵活性，而使设计人员能够为其物联网设计选择最佳的处理器。
那么，开发人员在选择处理器时最看重什么?在AspenCore旗下embedded网站2023年嵌入式调查中，我们发现有几个要求在处理器选择标准列表中名列前茅：芯片性能(85%)、片上I/O或外设(85%)、软件开发工具(85%)和调试支持(81%)。
调查还发现，47%的受访者选择了与他们之前项目中所使用的不同的处理器。这一转换的主要原因包括：更好的功能(40%)、更好的未来增长路径/路线图(27%)、以前的处理器不再可用(23%)、以前的处理器太慢(18%)以及新处理器具有更好的软件开发工具(18%)。
本文将以微控制器(MCU)为主，辅以微处理器(MPU)和片上系统(SoC)，介绍一些可满足上述标准的针对物联网应用的最新处理器示例。
让我们从支持Matter的器件开始。由连接标准联盟(CSA)开发的Matter标准，使所有设备都能够在智能家居应用中实现无缝、安全的通信。
恩智浦半导体(NXP)凭借两款新的无线MCU，扩展了其支持Matter的智能家居设备解决方案组合。RW612和K32W148这两款无线MCU结合了先进的边缘处理能力和集成的安全性，以便精简开发、简化物联网设计并降低支持Matter的智能家居设备的成本。这两款器件现在都在提供样品。
据NXP称，RW612是业界首款安全的三射频无线MCU。RW612集成了i.MX RT跨界MCU，通过支持Matter标准简化了设计。无线MCU具有对Wi-Fi 6、蓝牙低功耗(BLE) 5.3和IEEE 802.15.4的并发多协议支持，并支持Thread或Zigbee。智能家居应用包括恒温器、车库开门器、门锁、IP摄像头、扫地机器人和智能家电。
利用EdgeVerse i.MX RT跨界MCU系列所集成的三射频和先进边缘处理功能，RW612具有带TrustZone-M的Arm Cortex-M33 MCU子系统。无线MCU还包括片上SRAM和高性能可配置外设，包括以太网、LCD控制器和五个FlexComm模块，以支持各种串行协议。RW612由统一的MCUXpresso开发环境支持，以便缩短上市时间。
此外，K32W148多协议无线MCU采用三核架构，具有先进的处理能力，并可支持跨Thread、BLE 5.3和Zigbee的多种协议，因而适用于智能插头、智能照明和低功耗智能设备和传感器等设备。恩智浦表示，多协议支持实现了成本降低，并通过单一天线配置简化了天线设计。
K32W148包括双PAN功能，可简化Thread和Zigbee等多种IEEE 802.15.4网络的共存。该无线MCU的主Arm Cortex-M33内核和内存采用独立的射频和安全执行环境构建，可满足客户的应用需求。与RW612一样，它也提供统一的MCUXpresso开发环境支持。
这两款无线MCU都是恩智浦EdgeLock Assurance计划的一部分，这是一种设计安全的方法，包括防止远程和本地软件攻击。它支持安全启动、安全调试和安全无线(OTA)固件更新，并具有不可变的信任根(RoT)、硬件加速加密和生命周期管理。
它们还与EdgeLock SE05x安全元件和EdgeLock A5000安全验证器配合使用。这些具有可选预注入密钥和证书的分立式安全元件，提供了经EAL6+通用标准认证的交钥匙插件解决方案，可提供额外的防篡改能力并支持额外的安全用例(例如设备完整性保护或安全超宽带范围)，恩智浦表示。这两款器件还支持NXP EdgeLock 2GO服务，进而即可提供从制造到设备生命周期的设备凭证的配置和管理。
图1：NXP的RW612和K32W148无线MCU以Matter智能家居设备为目标。(图片来源：恩智浦半导体)
Microchip公司的PIC32CX-BZ2无线MCU系列，也针对家用电器、智能照明和智能门锁等智能家居应用，以及包括HVAC传感器和控制以及电机控制在内的工业自动化，该MCU系列具有BLE、Zigbee和OTA更新能力。它还提供了卓越的模拟性能和完整的设计支持。
PIC32CX-BZ2器件作为首个基于Arm Cortex-M4F的PIC MCU系列产品，它还包括SoC器件以及经全球监管认证的RF就绪模块。其主要功能包括一个12位模数转换器(ADC)、多个用于控制通道的定时器/计数器、一个板载加密引擎，以及一组用于触摸、CAN、传感器、显示器和其他外设的广泛接口。
该系列还提供1MB闪存，支持大型应用程序代码、多协议无线堆栈和OTA更新。其封装符合AEC-Q100 1级(125℃)标准。
对于设计支持，Microchip提供了MPLAB Harmony 32位嵌入式软件开发框架。MPLAB Harmony v3框架包括各种工具和一个由调试器、编程器、虚拟嗅探器和编译器组成的生态系统。其他支持包括GitHub演示应用和文档以及无线设计检查服务，以帮助完成应用的开发过程。
其中一个工具是MPLAB代码配置器，它使开发人员能够使用拖放式自动代码生成功能，快速开始使用PIC32CX-BZ2系列进行原型设计。各种应用代码示例托管在GitHub上，并通过MPLAB代码配置器和MPLAB Discover进行链接。
为了简化射频设计，Microchip还为几乎没有射频专业知识的客户提供预认证的WBZ451模块。WBZ451PE-I和WBZ451UE-I两款模块分别带有板载PCB天线和用于外部天线的U.FL连接器。
PIC32CX1012BZ25048-I和PIC32CX1012BZ25048-E两款SoC现已上市，二者采用7×7mm 48引脚四方扁平无引线(QFN)封装形式进行封装。它们由PIC32CX-BZ2和WBZ451 Curiosity开发板(部件号：EV96B94A)提供支持。
7月21日，由AspenCore主办的【2023全球MCU全球生态发展大会】将在深圳罗湖君悦酒店召开。在【无线MCU分论坛】上，Microchip Technology应用工程师经理严深员将带来“更智能、更安全的全新无线连接生态系统”主题演讲。在同期举办的【电机驱动与控制论坛】上，Microchip Technology主任应用工程师宋伟也将带来“让数字信号控制器提升电机的运行性能”主题演讲。
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图2：Microchip面向智能家居应用的PIC32CX-BZ2系列。(图片来源：Microchip)
另一个为物联网设备量身定制的无线MCU系列，是意法半导体(ST)具有SESIP3安全性的STM32WBA52无线MCU。STM32WBA52提供了许多STM32开发人员所熟悉的外设。它们还具有BLE 5.3连接功能，具有超低功耗模式和高级安全性。
ST表示，这些器件专为希望增加无线功能、降低功耗、改善网络保护和增强边缘处理能力的物联网设备开发人员而设计。目标应用包括智能家居、工业照明、传感器、电气开关、网关和便携式医疗设备。
新器件以ST的超低功耗STM32WB MCU为基础，具有更高的性能，其Arm Cortex-M33内核运行频率为100MHz，可提供额外的计算能力和先进的STM32外设。它最多可以支持20个同时连接。
其他特性包括射频输出功率为10dBm的集成超低功耗射频，从而能够以高达2Mbps的数据速率实现可靠的长距离通信，以及具有有源射频通信的深度待机低功耗模式，从而可实现整体功耗降低和电池节省。
节能技术(与STM32U5 MCU共有)包括ST的低功耗DMA和具有快速唤醒时间的灵活节能状态。据ST称，这些功能可以将MCU功耗降低多达90%。
集成外设包括一个12位ADC，具有过采样功能，可提高精度，并在内部闪存和RAM上提供误差校正码(ECC)功能，以增强数据完整性和安全性。它还包括1MB闪存，用于存储用户应用程序和协议栈。
改进的安全性包括基于安全隔离、内存保护和篡改保护的PSA安全程序，以及采用Arm TrustZone架构的Cortex-M33。该平台为Arm Cortex-M (TF-M)提供了基于可信固件的安全软件解决方案。TF-M符合行业标准PSA认证安全框架，具有PSA不可变RoT，包括安全启动和安全固件更新、加密、安全存储和运行时证明，ST表示。
它还包括嵌入式抗侧信道对称和非对称加密加速器，并且密钥保护采用硬件唯一密钥安全过程实现。STM32WBA52产品线以Arm PSA Certified Level 3和SESIP3物联网安全标准为目标，ST表示。
开发人员能获得的另一个好处是STM32Cube生态系统，这简化了从现有STM32WB和通用STM32 MCU的迁移，并加速了应用开发和验证。它具有，嵌入了经过认证的BLE 5.3协议栈，并基于STM32WB系列的现有配置文件构建。它还包括STM32CubeMX外设配置器和代码生成器、射频性能测试器和用于AI的STM32Cube.AI桌面版本和云版本等工具。
采用UFQFPN48封装的样品现已上市。专用的Nucleo原型开发板NUCLEO-WBA52CG将面向STM32WBA52供货。此外，STM32WBA52 MCU将包含在ST的10年产品寿命计划中。
图3：ST的STM32WBA52无线MCU。(图片来源：ST)
ST还扩展其STM32U5系列，提高了物联网和嵌入式应用的性能和能效。这些器件也是首批获得美国国家标准与技术研究院(NIST)嵌入式随机数熵源认证的通用MCU，该公司表示。
新器件面向需要更高功能、更好图形、更快性能和使用更小电池或能量收集实现更长运行时间的应用。它们可用于环境传感器、工业执行器、楼宇自动化、智能家电、可穿戴设备和电动汽车控制等嵌入式应用，特别是在偏远和难以到达的地方，ST表示。
新的MCU将代码和数据存储范围扩展到128KB闪存，适用于成本敏感型应用，并为复杂应用和类似智能手机的用户界面添加了高密度版本。一个示例是具有4MB闪存和2.5MB SRAM的STM32U59x/5Ax，它提供了所有STM32 MCU中最大的片上存储器。
“大型片上存储器节省了额外的分立存储器芯片，否则就会增加功耗、物料清单成本和PCB尺寸。”ST表示。
这些器件还集成了专有的节能功能，包括自主外设和ST的低功耗后台自主模式。
该系列中的某些器件提供了2.5D图形加速器。据该公司称，带有ST先进的NeoChrom片上图形处理单元的版本，可以运行以前只有昂贵的基于MPU的系统才能运行的复杂图形用户界面。
在安全性方面，MCU集成了用于高级AES算法的密码加速器，支持公钥架构并能抵抗物理攻击。此外，用于闪存和SRAM存储器的ECC可防止损坏，从而增强网络保护和安全性，ST表示。
与其他STM32 MCU一样，这些器件基于行业标准的Arm Cortex-M嵌入式CPU内核。新器件采用了最新一代的Cortex-M33，可提供更高的性能、更高的能效并能增强对在线和硬件攻击的抵抗力。它们还利用了和STM32Cube.AI开发生态系统，以及其他资源，例如新的NUCLEO-U545RE和NUCLEO-U5A5ZJ开发板，以及。新的STM32U5器件计划于2023年第二季度开始量产。瑞萨电子(Renesas)提供了多个系列的RA MCU——RA6、RA4、RA2和即将推出的基于Arm Cortex-M85的系列——用于一系列物联网应用，包括家用电器、医疗保健、计量以及工业和楼宇自动化。RA系列MCU中的最新器件，以小型封装提供了高性能、高能效和安全性。该公司扩展了其32位RA MCU系列，新增了两个基于Arm Cortex-M33内核和Arm TrustZone技术的入门级产品系列。
新的100MHz RA4E2系列和200MHz RA6E2系列，提供了128KB和256KB闪存选项和40KB SRAM，以及许多连接选项，例如片上CAN FD、USB、QSPI、SSI和I3C接口。它们为RA系列的其他成员提供了升级路径，并且由于其在小尺寸封装中提供了高性能，因而适用于传感、游戏、可穿戴设备和电器等一系列应用。
瑞萨电子表示，RA4E2和RA6E2是性价比最高的集成CAN FD的RA器件，并提供了4×4mm 36引脚BGA和5×5mm 32引脚QFN两种封装。它们还提供了低功耗以实现节能。
RA4E2系列采用了100MHz Arm Cortex-M33 CPU内核，包括五种不同的选项，从32引脚到64引脚封装，小至4×4mm，以及128kB闪存和40kB SRAM。以100MHz从闪存执行时的功耗为82µA/MHz。扩展工作温度范围为–40℃至105℃。其他功能包括内部振荡器、高级模拟、低压检测和内部复位功能，以及大量GPIO和通信选项，包括USB 2.0全速设备、SCI、SPI、I3C、HDMI CEC、SSI和CAN FD。
RA6E2系列MCU具有200MHz Arm Cortex-M33 CPU内核。该系列包括10个器件，与RA4E2类似，提供了从32引脚到64引脚封装的选项，小至4×4mm，128kB到256kB闪存和40kB SRAM。它们提供了广泛的外设，包括集成定时器、高级模拟和连接选项，包括USB 2.0全速设备、SCI、SPI、I3C、HDMI CEC、SSI、QSPI和CAN FD。以200MHz从闪存执行时的功耗为80µA/MHz。
所有RA器件均由Renesas灵活软件包(FSP)提供支持，其中包括驱动程序和中间件，以便更轻松地实施通信并改进外设的功能。通过使用FSP，设计人员还可以访问完整的Arm生态系统以及Renesas的合作伙伴网络以获取各种工具。
所有新的RA4E2和RA6E2 MCU以及单独的评估套件和快速原型开发板现已上市。
瑞萨电子最近还推出了基于其Quick-Connect IoT的全新在线云物联网系统设计平台，这是一个标准化硬件平台，具有PMOD、Arduino和MIKROE等行业标准接口。借助新的Quick-Connect Studio，工程师可以同时开发硬件和软件，因此使他们能够以图形方式构建硬件和软件。这使工程师能够快速验证原型并加速产品开发，并且通过使他们能够立即构建软件，这也使他们能够更快地重新配置和测试产品，瑞萨表示。
在7月21日在深圳罗湖君悦酒店举办的【2023全球MCU全球生态发展大会】上，瑞萨电子(中国)有限公司高级产品专家陈知节也将带来【“芯”之所向，行之所至】的主题演讲。

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图4：Renesas的RA4E2和RA6E2 MCU。(图片来源：Renesas)
针对互联智能边缘，美国高通公司(Qualcomm)最近推出了首款支持四大操作系统的集成式 5G IoT处理器，以及两个新的机器人平台和面向IoT生态系统合作伙伴的加速器计划。
升级后的高端SoC，即QCS6490和QCM6490两款处理器，面向一系列物联网行业应用，除了Android之外，现在还可以运行Linux、Ubuntu和Microsoft Windows IoT Enterprise。它们提供了先进的功能，例如面向全球连接的5G支持和面向一系列解决方案的地理定位，包括行车记录仪等互联摄像头设备、边缘盒子、工业自动化设备(IPC、PLC)和自主移动机器人。
高通还推出了全新的可扩展QCM5430和QCS5430两款处理器，这是该公司的首款软件定义物联网解决方案。这些器件可以在可视环境中扩展到一系列物联网设备和部署配置，并提供多种操作系统选项。
这些平台针对工业手持设备、零售设备、中端机器人和互联摄像头以及AI边缘盒子等应用，为设计人员提供了高级、预设或定制功能包之间的选择，这些功能包可以在未来升级。
它们支持多达五个并发摄像头和高达4K 60fps的视频编码，并准备好通过低功耗和先进的边缘AI处理来支持机器视觉要求，高通表示。并且在需要时，边缘AI可以切换到云处理，用于处理多个摄像头连接，从而在响应时间和电源效率之间进行优化。它们还支持企业级设备安全。
两个预设平台包——QCM5430/QCS5430功能包1(Feature Pack 1)和QCM5430/QCS5430功能包2——都包含高级连接。Wi-Fi支持包括传输速度高达3.6Gbps的IEEE 802.11ax (Wi-Fi 6E)和其他增强功能，例如减少延迟。QCM5430处理器的连接套件还包括一个5G调制解调器，支持毫米波连接以实现超快数据传输和高精度地理定位。有线连接选项至少包含一个USB 3.1端口和一个PCIe端口，可以配置为最多两个PCIe和一个4K60显示端口，此外还有其他选项。
升级后的功能包2提供了更高的CPU性能和接口支持，同时作为QCM5430/QCS5430定制功能包的一部分提供了各种可扩展和可升级的选项，包括支持高达4K 60fps的视频和高达三重ISP摄像头。

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