ADI带你走进MCU的神秘世界:无处不在的“幕后英雄”

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  现代信息社会,是半导体技术支撑起来的社会。在各种各样的设备中,运行着无数各种各样的芯片,它们各司其职,推动着生产生活。

  其中有的芯片广为人知,比如CPU、GPU,但也有海量的芯片默默工作在幕后,扮演着“无名英雄”的角色,比如说MCU。

  近日,ADI亚德诺半导体公司就带我们探寻了一番MCU世界的秘密。

  一、什么是MCU?

  MCU、微控制器、单片机……这三个名字更新不少人都听过。

  事实上,它们三个如今的含义是完全相同的(历史早期微控制器/单片机略有不同但不大),等于一个人有三个名字。

  MCU是一个英文缩写,全称为“Microcontroller Unit”,翻译过来就是“”微控制器单元

  的意思,简称微控制器。

  MCU诞生于20世纪70年代,就是将CPU处理器、RAM内存、ROM存储、I/O输入输出等微型计算机的主要功能集成在一颗单芯片上实现,所以最初叫做“单片微型计算机”(Single Chip Microcomputer),简称单片机。

  为方便表述,下文统一使用MCU。

  

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  MCU在电子系统里起着至关重要的作用,可以按照一定的程序,对系统其它部件进行控制和管理,也可以收集外界或者内部的数据,进行处理计算,并做出决策,可以说是电子系统的“大脑”。

  事实上,MCU已经渗透在我们生产生活的方方面面,几乎没有哪个地方找不到它的踪迹。

  尤其是在日渐普及的智能生活中,微控制器更是发挥着不可替代的作用。

  比如一台智能洗衣机,它怎么知道衣服已经洗好了?用了多少电?

  比如一部智能手表,它怎么测量心率、血氧、睡眠,并分析健康度的?

  这些都是MCU的基础功劳。

  

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  二、ADI是干什么的?有哪些MCU?

  ADI(亚德诺半导体)创立于1965年,总部设在美国马萨诸塞州诺伍德市,设计和制造基地遍布全球,是业界公认的数据转换和信号处理技术领先供应商,拥有6万+世界各地的客户,涵盖全部类型的电子设备制造商。

  在模拟IC领域,ADI一直高居第二,2021年销售额94亿美元,同比增长21%,占据12.7%的市场份额。

  

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  ADI以其出色卓越的高精度信号链和电源产品闻名,但在MCU领域同样布局久远,1995年至今累计出货量已超过10亿颗。

  从1995年诞生的8051系列,到2004年推出的MAXQ系列,再到2012年之后的ARM内核系列,以及2020年开创的全新边缘AI系列,一直在MCU领域占据举足轻重的地位。

  

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  ADI MCU产品根据功能应用,主要分为三大类。

  第一类是低功耗MCU,具备体积小、功耗低、存储大的特点,属于通用型产品,可广泛用于工业、物联网、医疗、消费类等领域。

  它还可以细分出一支低功耗蓝牙MCU系列,专用于蓝牙通信设备。

  第二类是安全MCU,具备安全的系统架构,具有很强的抗攻击加密能力,适用于对安全要求较高的智能设备、终端,比如POS机、读卡器等。

  第三类是人工智能MCU,实际上脱胎于低功耗MCU,但具备AI能力,可以将AI推理从云端推向边缘端,非常适合电池供电的AIoT设备和场景,比如说智能家居、人脸打卡、语音控制等。

  

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  以下是ADI MCU的一些典型产品,以及关键规格,包括核心架构与频率、内存与存储容量。

  可以看到,频率基本都在100MHz上下,内存都不超过1MB,存储不超过3MB,毕竟是“微”控制器,不需要太多算力,更关键是功耗得超级超级低。

  

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  ADI表示,其MCU产品具备功耗低、接口优、通讯新、评估全、开发易、安全强等六大特色。

  具体来说,功耗方面,支持灵活的操作模式和超低功耗,可以延长系统续航时间;

  接口方面,具备高速、安全的多时钟选项,可以优化程序性能;

  通讯方面,集成最新的BLE低功耗蓝牙,支持远程模式、BLE音频等,允许设备在更远的范围内通信;

  评估方面,针对大多数产品提供完备的评估方案和开发示例,硬件包括评估板、演示套件等;

  开发方面,提供SDK、库文件、驱动代码等,从而简化难度、加快速度;

  安全方面,具备30余年的IP保护和信任根研发经验,可极大增强系统安全性,可快速、高效地为产品增加安全加密、密钥存储、防篡改等功能。

  

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  ADI MCU有着丰富的开发资源支持,包括多种评估套件、开发板与参考设计,包括丰富的软件库和设计文档,包括编程与调试IDE,以及线上线下技术支持。

  ADI中国技术支持中心高级工程师辛毅打了个形象的比方,就像做饭的时候,不但有全套的食材、菜谱、厨具,还有料理包,只需加热就能上桌。

  

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  三、ADI边缘AI MCU

  AI已经无处不在,IoT也无处不在,二者融合就是AIoT。

  问题在于,海量的设备和数据必然需要大量的矩阵据算,意味着大量的存储空间、强大的计算能力、高速的数据交互,成本很高,而以往必须以来云端大型服务器才能满足,IoT又是物与物互连,绝大多数设备都是电池供电,在本地彼此通讯。

  这就催生了边缘AI技术,也叫终端AI,起源于20世纪90年代诞生的边缘计算,是相对于云端AI的概念。

  有了边缘AI技术,就不必再将数据集中在云或数据中心进行处理,而是在靠近用户本地的终端网络边缘即可执行AI运算,本地设备可以自行运算与决策,无需接入互联网。

  边缘AI具备实时性好、带宽资源要求低、隐私性高等特点,特别适合IoT应用,包括森林火灾监测、公路铁路大坝塌方检测、语音识别、人体数据分析等等。

  边缘AI就像《韩非子·说林上》里说的:“失火而取水于海,海水虽多,火必不灭矣,远水不救近火也。”

  

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  ADI的边缘AI MCU解决方案是MAX7800X系列,集成Arm Cortex-M4F、RISC-V架构的两个微控制器内核负责数据加载和启动,还有CNN卷积神经网络加速器负责AI推理。

  该方案在本地即可完成全部工作,无需连接互联网。

  两个内核也有个不同的分工,其中Cortex-M4F负责应用和通信,内部集成Flash、SRAM。

  RISC-V则是一颗小内核,32位精简指令集,主要配合CNN工作,将输入的数据传输至存储空间再交给CNN来处理。

  ADI指出,RISC-V的功耗非常低,尺寸比较小,而且是开放式的,很多用户都喜欢,ADI也有自己研发的知识产权,未来可能会推出更多基于RISC-V的产品。

  值得一提的是,微控制器内核完成加载和启动之后就可以休息了,不再耗电,因此整体功耗非常低。

  

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  该系列方案有两个版本MAX78000、MAX78002,后者规格更高,具备更快的频率、更大的存储空间,处理速度更快,而且除了图像、音频还可以处理视频。

  

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  这一方案相比于纯软件方案数据吞吐量高出100倍,相比于FPGA或GPU方案成本微不足道,相比于微控制器加DSP方案功耗不到百分之一,因此在性能、功耗、成本等方面达到了最优的平衡,而且尺寸小巧。

  如果使用传统微控制器执行AI推理,功耗开支会非常大,而使用单独的卷积神经网络加速器,只需非常少的功耗即可达到同样的效果。

  

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  相比于竞品,性能和能效也是碾压级的存在。

  

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  开发支持方面,ADI边缘AI MCU提供丰富的数据手册、文档、评估套件、视频、笔记、工具、例程等等,还有参考设计相机模组。

  

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  该方案已经应用的实例场景有:打卡考勤与智能门锁人脸识别、语音识别、摄像头物体识别、智能音箱、电动窗帘、智能照明、相机鸡蛋计数、车载冰箱、智能头盔、管道泄露检测、垃圾分类等等。

  

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  四、ADI低功耗MCU

  ADI的低功耗MCU采用单一芯片设计,集成度高,一颗的功能就能替代以往的多颗,甚至还有电源管理模块。

  如此一来,单一系统就可以使用相当数量的MCU,各自负责逻辑与控制、传感器数据收集、蓝牙连接等不同功能,功耗超低的同时,还能满足丰富的功能需求。

  

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  ADI的低功耗MCU也有着广泛应用,比如监测污水、原油、自来水等的工业流量计,传统上需要MCU、高精度ADC、运算放大器、HART模块等多颗芯片,ADI MAX32675单芯片就集成了上述功能,可以大大降低系统的尺寸,并节约物料成本。

  还有使用MAX32672方案的工业光学式气体探测仪、MEMS传感器,等等。

  

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  在消费类设备中,可穿戴智能手表可以使用ADI MAX32650,它集成1MB Flash、3MB RAM,能支持较大规模的数据存储和计算,非常适合需要收集大量数据的智能手表,高安全性也能保证用户隐私数据不会被泄漏。

  还有使用MAX32660的真无线耳机、扫地机器人,使用MAX32666的心电T恤,使用MAX32680的连续式血糖监测仪等等。

  包括最近火爆的血氧仪,ADI也早在新冠疫情前就有专门的血氧检测方案、血氧饱和度检测芯片,以及专用算法,可以方便地构建产品。

  

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  五、ADI安全MCU

  安全是永恒的话题,尤其是随着IoT、AIoT设备的应用日益广泛,数据量日益庞大,还有潜在风险环境,很容易遭到物理攻击。

  多年来,ADI积累了大量实时代码与数据加密专利技术,广泛应用于安全MCU产品,符合EMV、PCI、FIPS等安全标准,可以低于侧信道攻击。

  比如说专门的ChipDNA PUF电路,可产生密钥以实现强大的防物理攻击能力,确保系统密钥不会落入黑客之手。

  还有闪存加密、安全存储功能,可以使敏感数据抵御最先进的物理探测手段,从而实现可靠的IP保护。

  当然,既然是MCU,安全的同时,低功耗、小尺寸也是必需的。

  

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  ADI安全MCU也有着丰富的应用场景。

  比如在电子现金领域,可以对POS机、ATM机进行加密;

  在智能家居领域,可以对访客的身份签名进行验证,并实现各传感器数据的加密传输;

  在信息系统领域,可以实现访问授权和签名检查;

  在远程医疗领域,可以保证患者的健康隐私不被泄露等等。

  

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  怎么样?通过这次介绍,是不是对小小的MCU有了全新的认识?正是有了这些幕后英雄,我们的生活才更加智能、便捷。

  相信在未来,MCU的功能会愈加强大,应用会愈加广泛,期待ADI带来更丰富、更优秀的产品。


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