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嵌入式应用渐趋多元 浮点运算MCU满足市场不同需求
 

【作者: 王明德】2020年02月25日 星期二

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随着智慧化概念的落实多数系统对终端设备的控制运算能力需求快速提升,各MCU大厂也积极布局此一产品线,至於在应用端,嵌入式设备厂商也可透过浮点MCU创造产品差异性,达到市场区隔效果,进一步扩大企业竞争力。


过去MCU与DSP在系统设计上各自扮演不同的角色,视系统设计需求,两者可独立运作,也可互相支援,彼此井水不犯河水,後来MCU出现浮点运算的功能後,MCU与DSP彼此之间就有了糊模的空间,然而,回归到系统设计层面,仍端视需求,决定用何种主动元件来进行设计。


嵌入式系统的涵盖范围极广,是众所皆知的事,若将消费性电子拉出来加以比较,消费性电子的快速变动、生命周期短、加上价格敏感等产业特性,嵌入式系统相对变动不易、生命周期较长,在价格方面,由於报价相对较高,半导体业者也能有较高的获利,此一产业特性,与工业与基础建设领域几近相同。以台湾而言,相较於手机、笔电等代工厂大厂,工业电脑的营业额虽然相对较低,但毛利率却凌驾其上。此外其产业特性也相对封闭,只要能打进供应链,系统业者要更动元件供应业者的机会其实并不高。


细看工业领域,其包涵的应用领域也相当多,像是伺服马达、机器视觉、可程式逻辑控制、工业自动化与工业电脑。基础建设则有智慧电网、交通运输、公共安全监控与再生能源等类别,就系统设计的角度而言,MCU、DSP、FPGA与CPU等主动元件,就是相当重要的关键。



图1 : 马达控制是MCU的主要应用之一,随着业者对制程设备的要求渐趋精准,高阶MCU的重要性也越来越高。(source:NXP Semiconductors)
图1 : 马达控制是MCU的主要应用之一,随着业者对制程设备的要求渐趋精准,高阶MCU的重要性也越来越高。(source:NXP Semiconductors)

嵌入式主动元件 各有特色

因应不同实际环境而产生的系统设计需求,撇开FPGA不谈,不论是MCU、DSP或是CPU等,其运算核心都会有操作时脉等级上的不同,也都会有其发挥的空间。若拿DSP与MCU来比较,前者偏重数位讯号运算,後者则在系统控制领域较为擅长,因此对於架构较为庞大的系统,两者大多会扮演互补的角色,以补足在既有本质的差异。


事实上,即便是DSP与MCU,光是在操作时脉上就会出现相同的情形,在不考虑价格的情况下,纯粹以系统设计的角度来思考,MCU毕竟也内建了记忆体、ADC与DAC等混合讯号元件,再加上丰富的I/O介面,MCU相对有较高的设计弹性。但反过来说,DSP相对聚焦在数位讯号运算,对於诸多演算法的支援也就远高於MCU。


加入浮点运算 MCU提升嵌入式领域能见度

2012年Arm推出具备浮点运算能力的Cortex-M4控制核心,使得MCU具备了浮点运算功能,使得MCU与DSP之间的分野更加模糊难辨,这也意味着,诸多嵌入式系统对於性能要求的不满足,已显而易见。


在过去,即便是32位元的MCU,若面临较为复杂庞大的系统架构或需要进行资料庞大的运算工作,MCU便无法以一己之力,担纲重责大任,DSP或是FPGA就必须扮演协同处理的角色,来满足设计需求。MCU加入浮点运算功能,某种程度上,多少减轻了DSP与FPGA在系统设计上的比重,直接大幅提升了自身在嵌入式领域的能见度。换言之,MCU能够主导的应用范围会有相当程度的提升。



图2 : 物联网系统多应用於垂直领域,其多元需求也带动了MCU市场的另一波成长。(source:CIO East Africa)
图2 : 物联网系统多应用於垂直领域,其多元需求也带动了MCU市场的另一波成长。(source:CIO East Africa)

不过,就算是工业或基础建设领域,其产业特性与消费性电子有相当大的不同,但事实上,工业或是基础建设等领域,仍然会有成本控制、上市时程、系统面积与效能提升等诸多考量,以近年所兴起的太阳能逆变器为例,中央型逆变器要同时取得市电的电力相位的状况与太阳能发电模组的供电情形,如此才有可能达到输配电的最隹化,避免无谓的电力损耗。


同样的情况,若不搭载中央型逆变器,改采微逆变器架构,其系统本身也是有极大的可能进行双边电力相位的侦测工作,除了要同时侦测,也必须达到「即时性」,因此浮点运算便可在此时发挥极大的效果,再利用周边丰富的I/O介面以控制整体系统运作,尽可能将系统功耗的损失压至最低。而在成本上,由於MCU导入浮点运算功能,DSP的存在便显得没有意义,就元件采购成本与系统面积的降低等面向,都会有一定程度的帮助。


不同操作时脉 满足多元应用需求

Arm的Cortex-M4核心,使得一线MCU业者开始往高阶应用移动,当然,随着制程的不断演进,加上操作时脉的范围不断扩大,当时脉来到了180MHz甚至是200MHz以上时,相关的周边介面与混合讯号元件的性能势必也会水涨船高。


但整体说来,若以Arm阵营所采用的Cortex-M4,即便是相同的控制核心,MCU业者也会就自家所长,开发出与其他竞争对手有所差异的产品。能够形成差异的地方,不外??上述所提到的操作时脉的不同、记忆体容量、ADC与DAC的数量、成本、大小与I/O介面的搭载等各方面进行调整,使其最隹化。此外,再加上开发工具与函式库的支援程度的不同,自然就会形成MCU之间的差异。


操作时脉的不同也会形成不同的系统应用,时脉较高者,就可应用在多点触控、工业自动化与高阶马达控制等应用领域,时脉偏低的MCU,则是偏重於动作感测或无线感测等应用领域,因此,不同的操作时脉所对应的,就是不同的应用情境。更进一步的说,只要是需要相对即时性的资料处理,浮点运算就有发挥的空间。


随着智慧化概念落实在各垂直领域,多数系统对终端设备的控制运算能力需求快速提升,各MCU大厂也积极布局此一产品线,至於在应用端,嵌入式设备厂商也可透过浮点MCU创造产品差异性,达到市场区隔效果,进一步扩大企业竞争力。


**刊头图(source:ARM Community)


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