企业需重新思考对MCU技术采用方案

作者：Pin Tsalin, Bridgetek

微控制器单元（MCUs）有效地构成绝大多数现代嵌入式系统设计基础，为工程师提供灵活性与符合成本效益的适当强大性能。由于这些特性，它们已经达成惊人的销售数量（根据IC Insights的数据，去年有近230亿件装置出货）。随着MCU市场成熟，已经越来越集中于少数且广泛使用通用架构。 然而，这几乎完全与某些嵌入式市场的需求背道而驰。 以下的文章，我们将探讨在某些工程师想要的内容与他们实际期望的差距。

虽然MCU系列与其核心平台的通用性明显是这些装置取得非凡的成功主要因素，但也限制其使用范围。这可能会在将来留下越来越少的差异化空间。业界关注的应用焦点，例如物联网等让大量的MCU被引入市场，其中首要的目标是保持功率消耗尽可能小，并保持高水平的安全性，只支持连接选项为无线传输。尽管这样做可以确保在此领域的机会，同时其他必要的完全不同功能应用程序，处于被忽视的风险。

一个恰当的例子在系统设计中，有大量的多媒体数据需要处理。现代通用MCU对于这样的工作因装备不足，往往难以应付。 他们的处理资源一度处于不同的方向，试图处理进来的数据，在同一时间还必须参加其他标准的操作功能。 因此，可能会出现延迟问题。 这直接与其强制执行确定性操作的应用场景冲突。例如，复杂的机器视觉系统检查PCB上的焊料，不能被缓冲所中断。

在MCU提供足够的I/O通常是无法充分考虑的另一个领域，尽管现在存在于嵌入式设计中，有各种不同的接口技术。 例如，在MCU实现USB通常不容易做到，因为软件开发方面往往没有充分地被覆盖。 因此，嵌入式工程师通常没有拥有所需要的软件支持。 此外，MCU通常只具有USB从端（不是USB主端）功能。

应当体会到，一般来说，目前市场上大多数MCU的I/O支持远远不够。 提供广泛的连接功能，将在未来变得越来越重要。特别是可能需要对I/O进行分组，这将使得MCU更适合处理具体的应用程序类型。

MCU往往是工程师常采用的途径 - 当然系统单芯片（SoC）选项也可供考虑。 与MCU相比，提供更优化的解决方案、具更高的性能参数、与更小的占用面积和长期的成本优势。 然而，还有许多问题对他们的吸引力产生重大影响。 前期的财务投资，工程成本和SoC开发所涉及的时间都需要考虑。为了判断采取行动的理由，前提是未来对高单位需求的绝对信心，或者长时间不需要改变设计。 即使这样，也有相关的风险。 如果发现一个错误，那么可能需要时间来纠正这个问题，导致最终产品的发布延迟。 由于这样的原因，去购买现成的装备仍然可能是有利的。

然而绝大多数MCU供应商都集中在软件实现的特性和功能，Bridgetek的策略是更多功能通过硬件执行。 因此，本公司的FT900和FT930系列可以提供通用MCU缺乏的性能优化操作。 先进的桥接技术是关键。 通过使用它，这些MCU可以在快速 I/O 之间提供专用桥接，允许分立设计元件访问最适合的可用硬件。 这意味着MCU上不同程序处理和 I/O 元件的接口可以被完全确定性方式完成（毫无延迟发生的威胁）。

图1描述一个相关的应用实例。 这里存在触摸控制的多显示系统，其适合于部署在销售点（PoS）或数字广告系统环境。图像内容可以运用系统，呈现在4个显示屏幕上滚动。 触摸操纵可以被单独地于每个显示器运作或者同时于所有显示器中运作-从而提供更引人注目的用户体验，吸引人们的注意（零售店购物者，火车站乘客等）。 本示例强调Bridgetek FT930 MCU创建USB桥接的能力，然后通过专有的 D2xx USB 引擎控制4个独立的SPI外设。 在这种特殊情况下，外设是图形控制器芯片内置触摸功能。

通过在USB 2.0 D2XX通道的通信，MCU接收由主机PC提供的内容数据，并将其应用于不同的显示器。大型全景图像被分割成图像片断，并作为JPEG图像存储在主机PC上。 MCU向PC发送命令以获取所需的图像片断，并将其传送到相应的图形控制器，使得它们可以被解码和显示。它能够通过集成的四线式SPI（QSPI）接口资源控制4个连接的FT813 EVE图形控制器。这意味着能有效地作为控制中心 - 将数据分送到多个显示器（而不仅局限于单个点对点布局）。同时，MCU扫描4个触摸启用面板以进行任何用户输入，並记录加速，减慢或冻结图像内容的触摸和滑动。根据应用程序的性质，可以水平或垂直滚动图像。在任何给定时刻，获取、下载、解码和显示4个图像片段，以便实现平滑的滚动外观。如果尝试使用通用MCU来进行这种复杂的设置，则需要克服许多挑战。这些将首先涉及USB从端的开发代码（将会花费相当多的时间和精力）。此外，可能还需要菊花链连接几个MCU（提高材料清单成本，占用更多的PCB空间，增加系统功耗预算，增加总体复杂性）。此外，由于缺少QSPI功能，该菊花链可能对系统的速度造成严重的限制。

图2显示另一个应用程序实例 - 此实例与数据流相关。例如，这种设置可能有利于家庭的安全目的。“智能门铃”此类产品已经拥有越来越吸引众多广大民众关注。由远程相机捕获的视觉通过CAN总线（或者可能在一些情况下经由以太网）桥接到支持触控功能的显示器，使得设备可以被控制。在其他情况下，例如监视或工厂视察，用户将需要确保实时观看内容，而不会发生缓冲的威胁。通过触摸控制，他们可以冻结显示（如果他们看到潜在的问题），然后放大感兴趣的特定区域进行仔细检查。 MCU能够利用附随的EVE图形控制器的触控和音频特征来呈现来自摄影机的视频数据（加上屏幕显示的用户手册），同时还捕捉触控屏输入和播放合成的声音。数据流的速率适用于特定摄像机的分辨率和帧速率。 Bridgetek 的MCU具有CAN，摄像机连接和以太网端口功能有助于实现这类设置，而大多数通用MCU不具有所需的广泛接口，因此（再次）使得系统更难以实现。

最后一个实例是音频分配。 会议厅可以具有多个麦克风网络连接到不同扬声器的复杂布置。 这很可能要求以太网基础设施安装。 数据吞吐量和避免延迟问题的需要，此意味着MCU桥接将再次成为最好的方法。

简而言之，性能增强的MCU采用快速桥接显示其有效性在嵌入式系统的实现，如刚才所述。 他们能够提供一种更有效的方式来满足现代多媒体 /人机界面 /音频 / 数据通信系统设计所设定的要求，而不是当前过多功能的“一体适用”解决方案。 这将意味着工程师将不需被迫做出不必要的取舍。