32位元MCU于嵌入式联网应用设计趋势

面对嵌入式系统在效能、功耗效率与联网等需求下，微控制器大厂Microchip以授权的MIPS32 microAptiv微核心架构，提供每MHz高运算效能标竿、更大容量记忆体与多元连接周边的支援性;配合内建或第三方多样化的驱动程式、函式库、即时操作系统与中介软体元件的整合型开发框架，大幅缩短了32位元MCU程式码开发与整合验证时间…

瞄准联网应用(EC)的PIC32MZ系列介绍

PIC32MZ Embedded Connectivity(EC)微控制器系列，是Microchip针对嵌入式联网应用所开发的32位元微控制器。「PIC32MZ提供突破性效能、高记忆体容量与周边整合性。200MHz操作频率下，提供领先MCU业界的 330 DMIPS，及3.28 CoreMarks/MHz的单位执行效能，比上一代PIC32MX MCU效能提升三倍以上，也比其它竞争对手32位元MCU，程式码储存空间╱密度缩减30%。」Microchip技术经理林建益指出：「PIC32MZ也创下业界之先，采用每秒取样频率达28M的12bit类比数位转换电路(ADC)设计，较坊间ADC仅数十KHz最多数MHz取样频率的MCU设计，可以创造许多过去无法想像的应用。」

Microchip技术经理林建益

PIC32MZ提供了最大2MB Flash快闪记忆体与512KB SRAM高速静态记忆体容量设计，并采取双Flash烧录切换电路与即时更新(Dual-Panel Flash with Live Update)的设计，可以透过间隔不同Flash区块下，使MCU在载入韧体升级做内部烧录的过程中，仍然继续执行原先的工作而无须关机停止，SRAM容量也是上一代MX系列的四倍以上。

「PIC32MZ提供高整合度的周边，像Hi-Speed USB 2.0、10/100Mbps乙太网路控制器，两组CAN 2.0b控制模组，提供6组UART、6组SPI/I2S串列介面，5组I2C通讯介面，4bit的Serial Quad Interface(SQI)。」林建益特别提到：「PIC32MZ内建硬体加密引擎(Crypto)，可作AES/3DES/HA, MD5与HMAC等资料加密编码的防护，强化网页浏览购物等电子交易的安全性。」

PIC32MZ EC系列提供了一系列应用的入门开发套件(Starter Kit)、周边插入套件(Plug-In Module, PIM)，以及完整开发工具板(Developer Board套件。像PIC32MZ EC Starter Kit约119美元，PIM模组25美元，Starter Kit连接多媒体功能扩充板(Multimedia Expansion Board II)仅299美元，已整合一切周边应用可直接组装做嵌入式应用工程机雏型出货。168转132pin转接卡为59美元。

PIC32产品家族与蓝图规划

林建益列举Microchip PIC32 MCU家族与蓝图规划。以DMIPS效能为横轴，规格╱功能为综轴，最左边66/83DMIPS级别的PIC32MX1/2，全系列提供脚位数28-44 pins。有16～32KB Flash/4～8KB SRAM容量，与64～128KB Flash/16～32KB SRAM容量的差别，周边部份则提供了USB、I2S、CTMU(Charge Time Measurement Unit)与PPS(Peripheral Pin Select)等设计。

在105 /131 DMIPS级别，有PIC32MX3/4/5/6/7 MCU，全系列均为64-100 pins脚位数设计。入门款PIC32MX3/4 MCU具备32～512KB Flash/4～32KB SRAM容量，与内建USB控制器设计;中间款PIC32MX3/4 MCU则加大到64～512KB Flash/16～128KB SRAM容量设计，提供USB、I2S、CTMU、PPS等周边设计。高阶款PIC32MX5/6/7 MCU，同样采64～512KB Flash/16～128KB SRAM容量设计，提供USB、Ethernet、两组CAN控制器等功能。

而新介绍的PIC32MZ EC系列，列在330DMIPS级别，提供1~2MB Flash/512KB SRAM容量设计，提供HS USB、Ethernet、两组CAN控制器、Crypto加密引擎、PPS等功能。其市场瞄准消费性电子音响、工厂╱建筑、居家自动化、环境监控、电表、再生能源(Renewable Energy)控制模组、汽车电子、家电与交通运输设施仪表板等应用。

PIC32MZ EC核心架构、功能区块与开发套件

PICMZ EC功能区块上，主要采用Imagination公司的MIPS32 microAptiv微核心(代号M4K)，采5阶管线设计，工作时脉为200MHz。microAptiv核心具备1.65DMIPS/MHz的单位时脉运算效能，内建DSP数位讯号处理器，以及159道DSP加速指令;可针对16bit MIPS16、32bit MIPS32等指令集混用切换，以缩减程式码储存空间。中断控制器也大幅缩减进行中断处理时的作业延迟，以及提供更好的功耗表现。

Microchip提供了PIC32MZ EC嵌入式MCU的入门开发套件(Starter Kit)与插入模组(PIM)。入门开发套件提供整合侦错╱程式开发功能，提供PIC32扩充板与特殊功能子卡的连接扩充设计：具备USB供电设计、10/100Mbps Ethernet、双向USB 2.0 OTG控制器，4 MB SQI Flash记忆体，PIC32MZ EC MCU晶片本体，并提供线上开发工具与软体下载。

过去使用Microchip 16bit的PIC24、dsPIC与32bit PIC32 MCU等Explorer 16开发板的客户，只要选购PIC32MZ PIM处理器插入套件后，直接插入升级，就可以进行PIC32MZ EC MCU的嵌入式应用开发。而多媒体扩充板(Multimedia Expansion Board II)，提供高画质WVGA (800x480)的液晶面板，并具备多点电容式触控功能，前端VGA(640x480) 30万画素摄影镜头、Wi-Fi 与Bluetooth蓝牙的无线射频元件，24bit立体声音效，内建三轴加速感测仪(accelerometer)与温度感测器，可搭配Starter Kit做多媒体嵌入式应用。Microchip提供MP3、AAC音源解压、图形人机介面(Graphical HMI)与联网(Internet Connectivity)等应用的展示软体。

林建益总结全新的PIC32MZ EC MCU家族，具备200MHz、330DMIPS高执行效能与3.28CoreMarks/MHz效能效率，最大2MB Flash与512KB SRAM设计，最多48通道、28Msps取样频率的12bit ADC，硬体加密引擎、媲美64pin QFN/124 VTLA 9x9mm晶片封装的外观，以10K为基本采买单位的单价仅6.68美元，提供非常强大的竞争力。

整合一切嵌入式软硬体开发资源的MPLAB Harmony

MPLAB Harmony是一套针对Microchip PIC32 MCU所开发，基于MPLAB X IDE整合开发环境为操作基础的整合式跨厂商元件开发框架。它能够全面的让内建(In-House)或第三方(Third party)中介软体(Middleware)、驱动程式、周边函式数库和RTOS等软体方案，彼此和谐共存并相互运作;所有涵盖第三方软体方案，均委由Microchip做直接销售，从microchipDIRECT取得，同时不仅能获得Microchip第一线技术支援，也能透过Microchip的入口网站，取得相关授权、转售、技术支援与担保。

当今嵌入式系统开发面临的挑战，有：1.终端复杂化(Complexity)，造成支援项目增加、拉长开发时间，其中软体占总开发时间达60%。2.选择不同的RTOS、软体相容性欠缺所造成的新的错误，使得程式码重工(Re-work)风险增加。3.前后不一致。当需要整合RTOS、中介软体、驱动程式于同一个嵌入式平台下，造成相冲突的机会越大。4.拖垮测试(Test Drag)，60%的软体开发资源用于元件之间的功能互通验证，而错误到验证阶段材发现，花费的时间时从设计阶段就发现多出十倍。5.支援零散(Fragmented)。很难从单一供应商网站取得所有软体组件。6.荒废(Obsolescence)，在不可预知的未来竞争环境下，快速导入某个软体元件，需衡量该未来是否陷入经济危机的疑虑。

Microchip MPLAB Harmony整合开发框架，可以达到：1.降低研发时间与支出。2.所有内部内建与第三方元件软体码，均已过Microchip测试、侦错与互通验证，无须重工;客户所开发的程式码，在Harmony架构下有极高的可重复使用性。3.模组化架构启动有效率的软体元件的堆叠整合。4.预先测试过的软体元件已剔除掉日后验证所可能发生的错误。5.Microchip提供MPLAB Harmony程式码的单一来源，涵盖第三方软体元件。6.改进缩减反应时间以因应市场。

林建益列出MPLAB Harmony的架构图，从最底层Peripheral Libraries (PLIB)层，有PIC32MX与PIC32MZ，往上Device Drivers(驱动程式层)，有Interniche公司的TCP/IP、freeRTOS或Wittenstein的OpenRTOS，到中间Middleware有Interniche公司的TCP/IP、freeRTOS，或Wittenstein的OpenRTOS，Micrium μC-OS/Ⅲ与wolfSSL公司的CyaSSL Embedded SSL等。

到第四层Common System Services，则有MPLAB Harmony内建的USB Device、USB Host、TCP/IP、File System、Wi-Fi 802.11g、Cryto、Graphics GDDX/GRC、MP3/AAC Decoder、Peripheral Lib、Math/DSP Lib等。未来会增加像是Bluetooth Audio Stack、Smart Phone Accessory、Class B Safety与mTouch Sensing等元件。

目前MPLAB Harmony从2013年11月18日开始开放于Microchip网站下载，基本版框架与大多数函式库免费，第三方开发工具与高级版驱动╱函式库则可另外选购。林建益最后总结，MPLAB Harmony是整合绝大多数跨产业界软体元件的开发框架，提供一站式购足(One-Stop Shop)，易于移植且缩短开发时间。