把32位微控制器性能带入工业和汽车应用

分享到:

现今的嵌入式工业及汽车系统中,有许多是基于8位或16位微控制器架构来设计的。随着新的低功耗32位架构的面市,这些应用有可能获得更高的性能、准确度和功效。此外,处理能力的提高也有助于实现新产品的差异性功能,包括先进的控制算法,GUI显示器、语音控制,以及电容式触摸感测等下一代接口。

例如,在许多工业应用中,马达效率是影响功耗的主要因素之一。利用先进的控制算法可以提高马达效率,但这些算法又需要更高性能的微控制器来实现。另一方面,通信速度也同样会影响效率,因为通信速度越高,系统就能够从传感器收集到更多的信息,同时更快速地识别事件并采取相应的行动。

过去32位架构转换一直受拖延的原因很多,比如微控制器的成本较高,不支持5V I/O等等。而现在,随着爱特梅尔推出带有全浮点单元(floating-point unit,FPU)的工业级微控制器——AVR® UC3C 32位微控制器,这些问题甚至其他一些设计问题都已迎刃而解。AVR UC3C整合了外设事件系统、高精度时钟方案和高性能外设,可提高系统的性能、可靠性和功效。此外,安全Flash、硬件式安全机制、直接连接模拟传感器的能力,以及可配置软件框架等多项功能的集成,可大大加快应用的开发进程。最后,AVR UC3C专门针对工业及汽车应用的特殊要求进行了优化,不仅能提供32位处理能力,而且其功耗仅相当于8位或16位微控制器的水平。

32位处理性能

32位与8/16位系统的效率差异相当大,在16位处理器上,一次普通的32位乘/累加操作需要4次乘法与4次加法运算。由于需要访问存储器以存储中间结果或释放多个寄存器,执行效率会进一步降低,并可能减慢其他操作的速度。因此,在16处理器上,一次32位乘法可能需要20~40个周期。而32位UC3C处理器只需要单个周期即可。此外,32位管线较宽,故从存储器检索数据及指令的速度更快。

集成式FPU的推出也使应用开发得以进一步简化。当一种算法过于周期密集或需采用定点格式来实现时,必须花费产品开发周期的很大一部分时间来寻找能够简化算法、加速计算的方法。这类简化常常是以准确度为代价的。而利用FPU实现复杂算法所需要的工作量较小,动态范围更宽,并可保持最高的精度。利用32位浮点指令来实现复杂算法,不仅可以提高系统的准确度和效率,还能够大幅度加快开发进程。浮点技术对广大范围内的多种应用都很有用,包括机器人技术、运动控制、马达控制和音频应用。

爱特梅尔AVR® UC3C 32位微控制器指令集是结合了16位和32位指令的丰富指令集,可以利用C语言编译器平衡性能与代码密度。不过,UC3C微控制器的最大优势在于它的架构针对嵌入式系统中常见的实时事件管理进行了优化。UC3C微控制器支持广大范围的各种高精度外设和接口,比如嵌入式系统需要的CAN和LIN,并支持整个工业温度范围的可靠运作。AVR UC3C架构设计是针对较小化处理延时以确保实时事件处理的,如图1所示,系统可靠性和操作人员安全性的微控制器。

图1表示的是爱特梅尔AVR UC3C 32位微控制器是一款高性能微控制器,设计具有较小处理延时以确保实时事件处理,从而确保系统可靠性和操作人员安全性。


图1 爱特梅尔AVR UC3C 32位微控制器设计框图

增强的处理能力可通过多种不同的方式来提升应用的性能:

更高的准确度和精度:更大的处理能力让微控制器能够以更高的采样率支持更精确的ADC和DAC。

模拟传感器的直接使用:AVR UC3C具有基于DMA的ADC、先进的处理能力,以及可正确管理模拟传感器的精确时序的集成技术,故相比传统的微控制器架构,可以支持更多的模拟传感器。

更先进的算法:实现更先进的算法,如三相马达控制和死区插入技术(dead-band insertion techniques),可以提高系统效率,降低系统的功耗和成本。

差异性:更大的处理能力还能够实现更先进的用户接口图形。例如,许多微控制器都需要4或5个芯片才能实现系统的电容式触摸功能。而利用灵活、高性能的AVR UC3C,电容式就能够采用软件实现触摸功能,并可通过任何I/O引脚工作,无需外部元件。

更大的通信带宽:系统可以共享更多的数据,控制多个节点,并捕捉分辨率更高的数据。目前的16位系统往往无法支持单个CAN或以太网堆栈。而利用带DMA的32位架构,单个器件就可以作为多接口网关。

5V I/O标准

随着制造工艺尺寸的缩小,微控制器供应商也顺应形势,致力于减小I/O电压以降低功耗和提高稳定性。虽然这种电压减小对消费电子产品等众多应用是很有利的,但由于工业市场中的系统要求更长的使用寿命,故不适合于采用3.3V I/O。因此,工业应用中的大多数元件仍然是基于5V I/O的。

一直以来,32位处理器只提供3.3V I/O,因为它们的晶体管数目较多,导致其制造工艺的几何尺寸更小。为了支持市面上大量的基于5V的工业元件,这些处理器需要附加的电路,包括成本高昂的电平转换器和电源,把5V I/O降至3.3V电平,以便于连接。当然,更高的处理能力总是受欢迎的,但更高的成本却不为市场所接受。至于转换到3.3V I/O及元件这一替代方案也是不切实际的。大多数传感器及其他工业元件都基于5V,故与其把系统需要的所有传感器都来个大调换,继续采用8位和16位微控制器则更方便、更具成本效益。

独特的爱特梅尔AVR® UC3C 32位微控制器是首个支持5V I/O的工业级微控制器。这一成果通过更先进的0.18µm工艺技术而得以实现,因为其以一种可靠且具成本效益的方法支持更高的I/O电压水平。这种本征5V I/O让基于AVR UC3C的设计能够充分利用32位微控制器新增加的CPU性能,无需任何复杂昂贵的电压转换器件。

除了支持5V I/O之外,AVR UC3C还附带有广大范围的高性能外设,可满足工业和汽车应用的需求:

ADC:16通道,12位,采样速率高达1.5Msps;双采样及保持能力;内置校准;内部与外部参考电压。

DAC:4路输出(2×2通道),12位分辨率;转换速率达1Msps,1us建立时间(settling time);灵活的转换范围;每通道1个连续输出或2个采样/保持输出。

模拟比较器:4通道并带有可选功率与速度;可选磁滞(0V、20mV和50mV);灵活的输入选择和中断;结合两个比较器的窗口比较功能。

定时器/计数器:多个时钟源(5个内部的,3个外部的);丰富的功能集(计数器、捕获、上/下,PWM);每通道2个输入/输出信号;全局启动控制,实现同步运作。

正交解码器:集成式解码器,支持直接马达旋转检测。

多个接口:包括一个双通道双线接口(TWI)、主/从SPI,以及可用作SPI或LIN的全功能USART。

全集成USB:内置USB2.0收发器,支持低(1.5Mbps)、全(12Mbps)和On-The-Go模式。此外,AVR软件框架为各种USB设备(海量存储、HID、CDC、音频)、主设备(大容量存储、HID、CDC)和组合功能设备提供生产就绪(production-ready)的驱动程序。

更高的系统吞吐量

外设管理可能已经成为一个主要的系统瓶颈问题,情况在外设数目与其工作频率不断提高的情况下则更严重。在一个传统的中断式系统中,数据到达一个接口或传感器端口,在被下一个数据值覆写之前,CPU必须读取和存储结果。由于多通道高采样速率,中断开销和数据处理会消耗很大比例的处理器可用时钟周期。随着被管理的外设数目增加,中断延时也增加,从而引入抖动,降低准确度。另外,其他设计问题也随之产生,比如致使任务调度复杂化的优先级中断处理。

为了便于多个高性能外设的高效工作,AVR UC3C架构采用了一个外设事件系统,其允许外设自我管理,并彼此通信,无需主处理器干预,如图2所示。外设事件控制器通过一个可实现所有外设互连的内部通信结构来独立处理CPU的外设间信令。取代触发一个中断去通知CPU读取外设或端口数据,外设可以自我管理,把数据直接传送给SRAM存储,所有这些都无需CPU任何干预。从功率角度来看,只有那些转换功能模块是有源的。在整个事件发生期间,设备中最耗电的部件CPU,被释放出来执行应用代码或进入IDIE模式以节能,而不必为了处理高频中断频频处于活跃状态。

图2表示了外设事件系统允许外设自我管理,无需主处理器干预。例如,若无外设事件系统,定时器会在一个ADC上触发一个转换,然后把结果传送给DMA,再存储到存储器里,所有这些都无需CPU的任何干预。若带有外设事件系统,没有抖动,且当爱特梅尔AVR工作在66MHz时,响应延时固定在三个周期仅33ns。

 


图2 外设事件系统允许外设自我管理

相比基于CPU的中断驱动式事件控制器,外设事件控制器的响应还具有更大的确定性。当32位AVR UC3C工作在66MHz时,延时固定在三个周期或仅33ns,从而实现无抖动的精确事件时序,使ADC和DAC上的数据读取和传输更准确。这种延时可预测以及无需CPU开销的特性还可防止事件遗漏或数据丢失。

继续阅读
5G当前发展火热,联发科顶住压力投入7nm工艺5G处理器研发

魅族公司曾经表示他们可能是唯一一家不依赖高通而做大的公司,前几年魅族一直在使用联发科的处理器,而联发科也把魅族当作合作典范,当年为了征战高端市场推出的Helio X30芯片率先使用了10nm工艺,被魅族用在旗舰机Pro 7上。可惜故事的发展没有按照魅族、联发科的脚本走,Helio X30没能撑起联发科的高端梦,反而让联发科业绩大受影响。

三星不敢再次落后于人,争取量产7nm EUV工艺用于自家新处理器芯片

在7nm工艺上,三星没有争取到多少客户,而且三星选择直接进入EUV时代,进度也不如台积电,自家的Exynos 9820处理器都没赶上7nm EUV工艺,好在今年6月份三星真的能够量产7nm EUV工艺了,将推出Exynos 9825处理器,用于下半年的Galaxy Note 10等手机上。

苹果向三星购买5G基带被拒绝,是否会在5G发展上一蹶不振

2019年5G手机上市、5G预商用已经没有悬念了,今年MWC展会上三星、华为、小米、中兴、OPPPO等公司都发布或者展示了5G手机,唯独不见苹果的身影,迄今为止苹果对5G手机都没什么表态。往好的方面说,苹果一向不喜欢追并不成熟的黑科技,但是背后苹果可能有自己的难言之隐,那就是5G时代苹果在基带选择上要面临难题——自研5G基带尚无信息,英特尔5G基带并不顺利,找三星、高通据说被拒了。

英特尔10nm至强处理器正式发布,AI优化性能更高

今天,英特尔推出了一系列以数据为中心产品组合,包括第二代英特尔®至强®可扩展处理器、英特尔®傲腾TM数据中心内存和存储解决方案、软件以及平台技术等,以帮助用户从数据中挖掘更多价值。英特尔最新推出的数据中心解决方案适用广泛的应用场景,包括云计算、网络基础架构及智能边缘应用,并支持多种高成长性的工作负载,例如AI和5G等。

小米芯片研发取得新进展,物联网技术获得巨大机遇

昨夜晚间,据腾讯科技报道,小米集团内部发布了一个邮件,说是为了配合公司AIoT战略加速落地,推动芯片研发业务更快发展,将把公司旗下的全资子公司松果电子团队进行重组:其中一部分松果的团队将会继续专注在手机SoC芯片和AI芯片的研发;而另一部分团队则会归到新成立的半导体公司南京大鱼半导体,专注于半导体领域的AI和IoT芯片与解决方案的技术研发,并开始独立融资。

精彩活动