IC Insights最新的研究数据显示,全球MCU市场保持着持续稳定的增长,MCU的出货量从2015年的220亿颗增长至2020年的360亿颗,市场规模也从159亿美元增长至207亿美元,2021年全球MCU市场规模将达到223亿美元。同比增长超7%,其中与物联网相关的工控、医疗和消费电子领域的贡献约为36%,可见物联网已经成了MCU市场的一个重要支点。

 

面对如此诱人的市场蛋糕,MCU厂商自然不敢怠慢,过去十多年间伴随着物联网行业的兴起,一直在研发满足物联网市场所需的MCU产品。

 

物联网MCU应该什么样?

 

经过多年的技术探索,目前人们对于这类MCU应该具备什么样的特征,已经了然于心了。具体来讲,打造一颗物联网所需的MCU,应该从以下几个方面进行考量:

 

1

足够的算力

虽然在物联网MCU的选型时,高性能的算力不是“万能的”,但是没有足够的算力则是“万万不能的”。随着物联网产品的功能日益复杂,特别是边缘计算概念的兴起,主控、通信协议、HMI……需要算力的地方越来越多,有些应用还需要有专门的内部DSP和浮点单元(FPU),再有开发者还要考虑为安全功能留有算力裕量,因此水涨船高,算力也就成了一道越来越高的“门槛”。为了获得更高的性能,除了在自身的设计和工艺上挖潜,采用最新的处理器内核,也是MCU厂家普遍的技术升级路径,所以我们看到今天越来越多的主流物联网MCU正在从以前的Arm-Cortex M0 / M0+ / M3 / M4架构转向更新的Cortex M23 / M33架构。

 

2

低功耗

由于相当多的物联网设备是电池供电的,因此如何降低功耗、延长电池续航时间也就成了MCU这个能耗大户需要认真面对的问题。为此,一种普遍的做法是为MCU设置多种能耗模式,对应MCU中不同功能模块的工作和休眠状态,按需切换,只让必须激活的功能电路开启,最大限度地实现节能。其次,集成和采用各类高性能和低功耗的外围电路、片上非易失性存储器等,也是降低系统能耗的好方法。再有,新的Cortex M23 / M33处理器内核,也具有更为出色的能效表现,可以为MCU实现整体的低能耗加分。

 

3

安全性

物联网的安全性如何强调都不过分,安全性的保障来源于物理性安全(硬件安全,例如防止黑客侵入保护数据安全)以及软件安全(用户认证、身份管理、安全网络接入等)。可以看到,越来越多的物联网MCU将硬件加密、真随机数生成、身份认证等安全功能作为自身的标配,成为一个“安全”MCU。同时,Cortex M23 / M33通过引入TrustZone的安全机制,也从底层架构对安全的和不安全的代码进行隔离,尽可能打造一个缜密的安全防线。

 

4

高集成度

除了处理器内核和片上存储器,物联网MCU也要考虑将越来越丰富的外设功能集成进来,包括模拟、接口、安全单元、时钟管理、定时器、电源管理等。通过集成度的提升,无论是从芯片层面还是系统层面,对于成本和小型化方面的优化都是显著的。

 

5

可扩展性

由于物联网市场具有“碎片化”的特性,MCU产品在设计时除了要满足当下的应用场景,还要考虑更长远的可扩展性要求,以满足不断发展的应用需求。一方面,MCU要基于一个统一的产品平台开发出丰富的硬件产品组合;另一方面,也需要在软件工具链以及整个生态系统和开发社区的营建上下功夫,以便可以为不断变化的市场需求提供针对性的系统化解决方案。

 

达到了上面这五方面的要求,MCU产品就算是拿到进入物联网市场的“入场券”了。但最终是否能够在这个市场中安身立命、扬名立万,还要看MCU厂商能否依托自己的实力和经验,打磨出经得住市场考验的产品。

 

一颗为物联网而生的MCU

 

Silicon Labs最新推出的EFM32PG22 32位 MCU可以说就是一款符合上述标准,“为物联网而生”的精品。这款低成本、高性能的解决方案,拥有业界领先的低功耗、性能及安全性,同时基于易于使用且高精度的模拟功能。EFM32PG22非常适合于那些尺寸受限、对低功耗运行有严苛要求的消费和工业应用。

 

图1:EFM32PG22系统框图

(图源:Silicon Labs)

 

在性能方面,EFM32PG22基于主频76.8MHz的高性能32位 Arm Cortex-M33处理器内核,自带DSP指令和浮点单元,可实现高效的信号处理,同时集成有高达512kB的闪存程序存储器和高达32kB RAM数据存储器,对于常见的物联网应用应该是游刃有余。

 

在低功耗方面,这一直是EFM32系列32位 MCU的强项,EFM32PG22也不例外。从图1中可以看出,EFM32PG22具有细分的五个功率模式,分别对应着不同功能模块的开启和关闭,由此开发者可以灵活地控制MCU的功率水平,最大限度地降低功耗。

 

在EM0活动模式下(38.4MHz活动模式),运行功耗为26μA/MHz;

在EM2深度睡眠模式下(保留8kB RAM,RTC从LFRCO中运行),电流为1.10μA;

在EM3深度睡眠模式下(保留8kB RAM,RTC从ULFRCO中运行),电流为0.95μA;

在EM4完全关断的模式下,电流仅有0.17μA。

 

在安全性方面,采用Arm Cortex-M33处理器内核的EFM32PG22,也同时获得了Arm TrustZone的安全特性,这与上一代的MCU相比,是安全性上的一大进步。同时,EFM32PG22可通过信任根和安全加载程序 (RTSL) 进行的安全启动,集成了硬件加密加速(适用于AES128/256、SHA-1、SHA-2(高达256位)、ECC(高达256位)、ECDSA和 ECDH)和真随机数生成器 (TRNG)功能,还支持使用锁定/解锁功能进行安全调试,与其他同一级别的MCU相比,在安全功能的配置上是相当全面了。

 

在集成度上,EFM32PG22的表现也不俗。在QFN40或QFN32小巧的封装中,集成了丰富的MCU外围设备,从下面这个外围资源清单中可以看出,主流物联网应用所需基本都可满足。高集成度也进一步带来了成本上的优化——批量价格可以低于1美元,这已经非常接近8位MCU的价格。

 

EFM32PG22外围资源

模数转换器 (ADC):12位,1Msps或16位,76.9ksps

高达26个带有输出状态保持和异步中断功能的GPIO引脚

8信道DMA控制器

12信道外围设备反射系统 (PRS)

4个16位定时器/计数器(3个比较/捕获/PWM通道)

1个32位定时器/计数器(3个比较/捕获/PWM 通道)

32位实时计数器

24位低能耗定时器,用于波形生成

1个监视器定时器

2个通用同步/异步接收器/传输器 (UART / SPI / SmartCard (ISO 7816) /IrDA / I2S)

1个增强型通用异步接收器/传输器(EUART)

2个I2C接口,带SMBus支持

数字麦克风接口 (PDM)

单点校准后具有+/-1.5˚C精度的芯片温度传感器

 

在可扩展性上,EFM32PG22依托屡获殊荣的xG22平台,与同一平台的EFR32xG22无线 SoC(如BG22、MG22和FG22)保持引脚及软件兼容,使设计人员可以利用可扩展的嵌入式平台来简化产品开发,提高成本效益。凭借与xG22 SoC完全一致的外形尺寸和代码,以及应用程序共享,EFM32PG22的开发人员可以即插即用的方式升级产品来支持低功耗蓝牙(BLE)、Zigbee或专有2.4GHz无线连接。

 

正是由于上述这些优异的特性,EFM32PG22一经推出,Silicon Labs就将其放在了同类MCU列表中的“C位”,加以特别推荐。

 

图2:EFM32PG22作为特别推荐的物联网MCU产品(图源:Silicon Labs)

 

高性价比的开发套件

 

为了让开发者能够快速探索和体验EFM32PG22这款新品,Silicon Labs还配套推出了一款基于EFM32PG22的小型化、高性价比、功能丰富的原型设计和开发套件。

图3:EFM32PG22 MCU开发套件

(图源:Silicon Labs)

 

该开发板中包括四种不同的环境传感器(相对湿度和温度传感器、环境光传感器、霍尔效应传感器、6轴惯性传感器),以及立体声PDM麦克风。此外,该开发板还嵌入了一个8Mb串行闪存、用户LED和按键、SEGGER J-Link板载调试器、20引脚2.54mm分支焊盘、Mini Simplicity连接器等,为调试和功能扩展提供了便利。该开发套件的推出,也进一步完善了EFM32PG22的设计生态,让开发者上手更便捷。

 

图4:EFM32PG22 MCU开发套件板载资源

(图源:Silicon Labs)

 

总之,物联网应用的不断扩展,也为MCU产品的发展提供了新赛道。一个能够在这一赛道中领跑的MCU,必须在算力、功耗、安全性、集成度、可扩展性等方面都有全面而均衡的实力。EFM32PG22就是在这场竞逐中脱颖而出的一员新秀,如果你正准备向大批量、低功耗的消费和工业物联网领域进军,不妨来认识一下它。