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嵌入式應用漸趨多元 浮點運算MCU滿足市場不同需求
 

【作者: 王明德】   2020年02月25日 星期二

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隨著智慧化概念的落實多數系統對終端設備的控制運算能力需求快速提升,各MCU大廠也積極布局此一產品線,至於在應用端,嵌入式設備廠商也可透過浮點MCU創造產品差異性,達到市場區隔效果,進一步擴大企業競爭力。


過去MCU與DSP在系統設計上各自扮演不同的角色,視系統設計需求,兩者可獨立運作,也可互相支援,彼此井水不犯河水,後來MCU出現浮點運算的功能後,MCU與DSP彼此之間就有了糊模的空間,然而,回歸到系統設計層面,仍端視需求,決定用何種主動元件來進行設計。


嵌入式系統的涵蓋範圍極廣,是眾所皆知的事,若將消費性電子拉出來加以比較,消費性電子的快速變動、生命週期短、加上價格敏感等產業特性,嵌入式系統相對變動不易、生命週期較長,在價格方面,由於報價相對較高,半導體業者也能有較高的獲利,此一產業特性,與工業與基礎建設領域幾近相同。以台灣而言,相較於手機、筆電等代工廠大廠,工業電腦的營業額雖然相對較低,但毛利率卻凌駕其上。此外其產業特性也相對封閉,只要能打進供應鏈,系統業者要更動元件供應業者的機會其實並不高。


細看工業領域,其包涵的應用領域也相當多,像是伺服馬達、機器視覺、可程式邏輯控制、工業自動化與工業電腦。基礎建設則有智慧電網、交通運輸、公共安全監控與再生能源等類別,就系統設計的角度而言,MCU、DSP、FPGA與CPU等主動元件,就是相當重要的關鍵。



圖1 : 馬達控制是MCU的主要應用之一,隨著業者對製程設備的要求漸趨精準,高階MCU的重要性也越來越高。(source:NXP Semiconductors)
圖1 : 馬達控制是MCU的主要應用之一,隨著業者對製程設備的要求漸趨精準,高階MCU的重要性也越來越高。(source:NXP Semiconductors)

嵌入式主動元件 各有特色

因應不同實際環境而產生的系統設計需求,撇開FPGA不談,不論是MCU、DSP或是CPU等,其運算核心都會有操作時脈等級上的不同,也都會有其發揮的空間。若拿DSP與MCU來比較,前者偏重數位訊號運算,後者則在系統控制領域較為擅長,因此對於架構較為龐大的系統,兩者大多會扮演互補的角色,以補足在既有本質的差異。


事實上,即便是DSP與MCU,光是在操作時脈上就會出現相同的情形,在不考慮價格的情況下,純粹以系統設計的角度來思考,MCU畢竟也內建了記憶體、ADC與DAC等混合訊號元件,再加上豐富的I/O介面,MCU相對有較高的設計彈性。但反過來說,DSP相對聚焦在數位訊號運算,對於諸多演算法的支援也就遠高於MCU。


加入浮點運算 MCU提升嵌入式領域能見度

2012年Arm推出具備浮點運算能力的Cortex-M4控制核心,使得MCU具備了浮點運算功能,使得MCU與DSP之間的分野更加模糊難辨,這也意味著,諸多嵌入式系統對於性能要求的不滿足,已顯而易見。


在過去,即便是32位元的MCU,若面臨較為複雜龐大的系統架構或需要進行資料龐大的運算工作,MCU便無法以一己之力,擔綱重責大任,DSP或是FPGA就必須扮演協同處理的角色,來滿足設計需求。MCU加入浮點運算功能,某種程度上,多少減輕了DSP與FPGA在系統設計上的比重,直接大幅提升了自身在嵌入式領域的能見度。換言之,MCU能夠主導的應用範圍會有相當程度的提升。



圖2 : 物聯網系統多應用於垂直領域,其多元需求也帶動了MCU市場的另一波成長。(source:CIO East Africa)
圖2 : 物聯網系統多應用於垂直領域,其多元需求也帶動了MCU市場的另一波成長。(source:CIO East Africa)

不過,就算是工業或基礎建設領域,其產業特性與消費性電子有相當大的不同,但事實上,工業或是基礎建設等領域,仍然會有成本控制、上市時程、系統面積與效能提升等諸多考量,以近年所興起的太陽能逆變器為例,中央型逆變器要同時取得市電的電力相位的狀況與太陽能發電模組的供電情形,如此才有可能達到輸配電的最佳化,避免無謂的電力損耗。


同樣的情況,若不搭載中央型逆變器,改採微逆變器架構,其系統本身也是有極大的可能進行雙邊電力相位的偵測工作,除了要同時偵測,也必須達到「即時性」,因此浮點運算便可在此時發揮極大的效果,再利用週邊豐富的I/O介面以控制整體系統運作,盡可能將系統功耗的損失壓至最低。而在成本上,由於MCU導入浮點運算功能,DSP的存在便顯得沒有意義,就元件採購成本與系統面積的降低等面向,都會有一定程度的幫助。


不同操作時脈 滿足多元應用需求

Arm的Cortex-M4核心,使得一線MCU業者開始往高階應用移動,當然,隨著製程的不斷演進,加上操作時脈的範圍不斷擴大,當時脈來到了180MHz甚至是200MHz以上時,相關的週邊介面與混合訊號元件的性能勢必也會水漲船高。


但整體說來,若以Arm陣營所採用的Cortex-M4,即便是相同的控制核心,MCU業者也會就自家所長,開發出與其他競爭對手有所差異的產品。能夠形成差異的地方,不外乎上述所提到的操作時脈的不同、記憶體容量、ADC與DAC的數量、成本、大小與I/O介面的搭載等各方面進行調整,使其最佳化。此外,再加上開發工具與函式庫的支援程度的不同,自然就會形成MCU之間的差異。


操作時脈的不同也會形成不同的系統應用,時脈較高者,就可應用在多點觸控、工業自動化與高階馬達控制等應用領域,時脈偏低的MCU,則是偏重於動作感測或無線感測等應用領域,因此,不同的操作時脈所對應的,就是不同的應用情境。更進一步的說,只要是需要相對即時性的資料處理,浮點運算就有發揮的空間。


隨著智慧化概念落實在各垂直領域,多數系統對終端設備的控制運算能力需求快速提升,各MCU大廠也積極布局此一產品線,至於在應用端,嵌入式設備廠商也可透過浮點MCU創造產品差異性,達到市場區隔效果,進一步擴大企業競爭力。


**刊頭圖(source:ARM Community)


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