想要在物联网(IoT)商场占有一席之地，原始设备制作商(OEM)有必要加快立异的脚步。物联网的运用让全部变得无限或许，成功的企业会敦促其开发人员不断拓宽和采纳新的、更有用的办法来发挥传感器的功用，监测不同类型的数据，掌控整个设备的生态体系。
物联网运用掩盖广泛，包括可穿戴设备、轿车、住所、工业、乃至城市等很多范畴。这些运用需求愈加高效节能的、立异的、安全的体系作为支撑。运用程序十分重要，旨在完成软件开发的直观性和易用性。
微操控器(MCU)作为物联网产品的中心，挑选适宜的 MCU 是满意客户当时和未来需求的要害。本文将讨论当今不断增强的嵌入式 MCU 的丰厚功用，MCU 在加快规划的一起还可完成立异运用。在榜首部分，咱们会介绍到先进的工艺技能、低功耗规划技能、多核体系的功耗问题、多核间的通讯、串行存储器接口以及体系安全性。
物联网商场(添加最快的引擎)：
物联网技能不断改动咱们的日常作业和日子方式，使咱们的日子愈加经济、快捷、舒适和智能化。物联网商场能够大致分为两大类：消费型物联网和企业物联网。
消费型物联网包括住所、日子方式、健康和出行。个人用户能够经过这些物联网设备产品进步其出产力、安全性和日子质量。从智能住所到联网轿车，顾客商场正在为下一波浪潮做好预备。
图1：消费型物联网商场细分
企业物联网的掩盖规模巨大，包括零售、医疗、动力、出行、城市、制作业和公共服务。企业物联网细分商场会改动组织和社区，然后发明一个完成经济添加的新时代。物联网经过衔接数据、人员和机器来进步出产力、出产功率以及日常运营水平。企业物联网也能够作为协助企业辨认未开发范畴新添加时机的东西。
图2：企业物联网商场细分
工艺技能(尺度 — 十分重要)：制作 MCU 的工艺技能关于其本身的功用、低功耗和本钱而言至关重要。物联网运用需求高效的有源功耗和低功耗形式耗费来进步体系的全体成效。跟着制作技能的不断进步，促进硅中心面积不断缩小。同一块硅片上能够制作出更多的 MCU，然后下降了芯片的全体本钱，功用和功耗也因而直接遭到影响。尺度的缩小削减了敞开/封闭每个晶体管所需的电流，一起保证了时钟频率不变。因而，更小的芯片意味着具有更高的的最大时钟频率，能够在较低的功耗下完成更高的功用。
例如，用于制作赛普拉斯半导体 PSoC 6 BLE 系列 MCU 的 40 纳米工艺技能，为各种物联网运用供给了高功用，且高效节能的解决计划。深度睡觉时的电流仅为几微安，且能够彻底保存RAM数据。运转、睡觉、低功耗运转和低功耗睡觉等其他功耗形式，助力开发人员能够在灵敏地优化体系功耗的一起依据需求坚持运用的高功用。
图3：用于物联网运用的低功耗 MCU 框图
功率(至关重要)：规划物联网设备时所面对的一大应战是高能耗。大多数物联网设备处于实时在线、小体积，这意味着本身电池容量十分有限。MCU 供货商在优化其在物联网运用时需求考虑许多要素，比方：
· 改善工艺技能
· 供给高度灵敏的功耗形式
· 完成功耗优化过的硬件 IP 模块
· 更高的集成度以削减组件数量
· 优化闪存频率
· 启用高速缓存
· 支撑更大规模的作业电压
可是，在工艺技能缩小体积、进步功用、改善功耗和集成度的一起，也呈现了电流走漏的办理问题，尤其是在低功耗形式下。为了应对电流走漏问题的应战，MCU 供货商选用了特别的晶体管工艺技能，如多栅器材、高压晶体管/逻辑/电路、专门规划的存储单元以及其多方面的技能。
灵敏的功耗形式能够促进开发人员组织独立体系活动，然后优化全体功耗。供给多种能够在低功耗形式下运转且能够在不唤醒 CPU 的情况下被唤醒履行其功用的外设，是这方面的要害技能。一些 MCU 还供给外围设备，只能履行有限功用的特别低功耗作业形式(例如较低的作业频率和电压)以进一步优化运用功耗，乃至能够规划优化功耗的特定外设，即BLE 无线电能够选用支撑低功率无线通讯的规划。
影响功耗的另一个要素对错易失性(NV)内存拜访，尤其是运用闪存(NV存储器)存储固件代码的 MCU。闪存拜访的任何优化都会大大下降功耗，其方针是尽量削减闪存拜访的频率。这儿运用了两种常用的技能，其间一种是供给一个高速缓冲存储器。这样，实践的代码存储器(闪存)就无需在每个履行周期都被拜访。另一种办法是添加一个周期内获取的数据量，经过运用规模更广的闪存拜访下降闪存的拜访频率。
依据物联网的 MCU 也能够供给灵敏的电源体系。在支撑宽电源电压规模的情况下，MCU 能够由多个电源供电。例如像健身跟踪器这类简略的物联网运用，能够由扣子电池来供电，而智能手表这类杂乱的物联网运用则需求由 PMIC (电源办理集成电路)供电。别的，一些 MCU 经过其内部的降压转化器来有效地调理本身电源。
在考虑 MCU 的功耗形式时，逾越其根本架构十分重要。例如，规范 ARM CPU 内核支撑运转、睡觉和深度睡觉。附加功耗形式一般由特定的 MCU 供货商添加。例如，赛普拉斯的 PSoC 6 BLE MCU可履行包括，低功耗运转、低功耗睡觉和休眠状况在内的六种作业功耗形式。
图4：PSoC 6 BLE MCU 的功耗形式转化示例
多处理器 MCU(加快并行运用程序使命的运转速度)：依据物联网体系功用特性的添加，其杂乱性也随之添加，而实践尺度则越来越小。MCU 制作商的方针是进步体系的功用，一起尽或许下降尺度和削减功耗。多核 MCU 和片上体系(SoC)经过在单个芯片中集成更多功用和最大极限地削减芯片面积供给更高的功用。多核处理器是包括两个或更多个独立中心(或 CPU)的 MCU 或 SoC。这些内核一般集成在单个芯片上，它们也能够作为一个封装中的多个芯片。
多核 MCU 有助于供给高功用并坚持小尺度。可穿戴设备等典型的物联网规划需求多个MCU，包括：一个用于无线通讯的 BLE 操控器、用于履行用户界面的 Touch MCU 和一个用来完成该运用程序运转的首要的 MCU。这三种 MCU 的功用能够由一个高度集成的多核 MCU 供给。
多核 MCU 可带来许多其他好处。例如，它能够集成满足的资源使 CPU 能够并行处理密集型使命，然后充分发挥多使命处理的功率。这也使开发人员能够有效地将体系事情分配给特定的内核，然后到达功耗和功用方针。再比方，在双核可穿戴规划中，能够将需求较少 CPU 干涉的周期性功用(例如无线播送和接触感应)分配给一个内核。其他“频频接触”的功用，如需求 CPU 频频干涉的传感器交融等，能够分配给另一个内核。当在体系中运转多个运用程序时，这种分区缩短了延迟时刻。经过整合协议栈和程序存储器的集成还能够进步功率。
图5：物联网多核 MCU 示例
图6表明的是一个多核 MCU — 赛普拉斯 MCU PSoC 6 BLE。该双核 MCU 具有两个32位 ARM Cortex CPU — Cortex-M4 和 Cortex-M0+。这两个 CPU 都是具有一个32位的数据途径、寄存器和存储器接口的32位处理器。Cortex-M4是专为完成短中止呼应时刻、高代码密度和高32位吞吐量一起保证严厉的本钱和功耗预算而规划的主 CPU。Cortex-M0+ 作为辅佐 CPU，用于供给网络安全、物理安全和维护功用。Cortex CPU 履行 Thumb指令集的一个子集，并具有两种被称为线程形式和处理者形式的操作形式。这些 CPU 在退出复位并履行运用程序软件时会进入线程形式。为了处理反常情况，CPU 会进入处理者形式。当一切反常处理完成后，CPU 返回到线程形式。
图6：多核嵌入式 MCU 示例(PSoC 6 BLE)
处理器间通讯(完成外设同享和信息交流)：
多核 MCU 经过需求处理器间通讯(IPC)来和谐内核之间的运转。IPC 充任分配处理器间音讯的通讯办理器。现代 CPU 架构(如 ARM Cortex)支撑硬件和固件中的多核通讯，比方 SEV(发送事情)指令在履行时会提示设备中的一切中心。MCU 供货商选用多种办法来完成 IPC：
中止法：这种办法让一个内核向另一个内核发送一个中止来指示一个运用程序事情。一般中止程序十分紧凑，不会占用太多的代码存储空间。与任何中止机制相同，每个中止都有自己的 ISR(中止服务程序)，经过它能够让相应的内核履行特定的使命。在实践的数据传递中，有一个能够被多个内核拜访的同享内存。除了同享数据之外，它还供给了请求和承认音讯的机制。
邮箱：邮箱是 RAM 中的专用存储空间，用于让每个 CPU 彼此发送和接纳音讯。每个内核都要维护自己的 RAM 内存(邮箱)并将音讯发送到其他内核的邮箱。
音讯行列：音讯行列运用同享内存的两个区域来存储每个中心发送给另一个中心的音讯。榜首个区域是被称为指令缓冲器的专用存储器，用于存储从主机发送到从机的指令。另一个专用存储器被称为音讯缓冲器，它使从机能够呼应主机。
图7：处理器间通讯(IPC)的各种形式
信号量：信号量是一种避免多个源一起拜访同享资源的机制。在多核处理器中，同享硬件方位作为信号量指示特定内核是否正在运用特定的同享外设等。在拜访外设之前，体系中的其他内核会读取信号量状况以检查是否可用。
串行存储器接口(IoT 内存的挑选)：
内存是任何物联网体系不行短少的组成部分。其功用首要是代码和数据存储。现代物联网设备不断添加的智能化需求带动了对更大代码和数据存储器的需求。可是将一切这些内存作为内部存储器集成到设备中会添加 MCU 的芯片尺度和本钱。另一种办法是依据需求供给外部扩展内存。这样开发人员就能够依据终究运用程序的需求添加内存。别的，如果在开发进程中内部存储空间预算缺乏，则能够添加外部存储器而不用从头规划整个体系。
了解外部存储器接口的速度和安全性以及运用办法也很重要。一般情况下，在节约 MCU上有限的 IO 引脚方面，串行存储器比并行存储器更好。依据 SPI 的串行存储器为数据记载供给了抱负的接口速度，而直接履行外部代码则需求更高的速度。这些要求使 MCU 制作商有必要供给 SPI 的代替品。以下是不同计划的数据吞吐量速度比较。
· SPI：支撑1位/循环的吞吐量
· 双路SPI：支撑2位/循环的吞吐量
· 四路SPI：支撑4位/循环的吞吐量
· 双四路SPI：支撑1字节/循环的吞吐量
一般情况下，MCU 一起支撑多种类型的存储器，为开发人员供给了最大的灵敏性。
由于许多物联网体系会处理用户的个人数据，因而保证数据的安全尤为重要。代码存储器也相同需求维护，以避免设备被不合法侵略。外部存储器在安全性方面愈加软弱，因而需求特别的机制来维护外部存储的数据。为此，MCU 运用各种加密技能(例如 AES、DES、RSA)来维护数据和代码免受不合法拜访。例如，赛普拉斯半导体的 PSoC 6 BLE MCU 供给了一个特别的串行存储器接口(SMIF)外设，该外设支撑直接履行外部代码的 XIP(现场履行)形式和记载数据的 MMIO(内存映射 IO)形式。它运用特别指令进行操控，比方闪存的编程/擦除、存储器设备的睡觉形式输入等。
图8：串行存储接口(SMIF)示例
SMIF 答应用户装备多个相同或不同类型和巨细的存储设备。在内存(XIP)形式下，多个内存设备被映射到不同的地址。它们能够是不同类型和用处的存储器，也能够是在接连地址空间中装备以模仿接连大存储器的相同存储器设备。SMIF 外设和 SPI 闪存的组合运用能够代替外部 NAND 和 NOR 闪存，而且能够节约电路板空间。由于串行闪存直接映射到处理器的内存空间数据存储中而且支撑 XIP 的履行，所以其易用性高于 NAND 内存。
体系的网络安全、隐私和设备安全(信赖本源)：
设备一旦连网就存在被黑客侵略的或许性。因而，不管设备是运动手环仍是联网轿车，物联网设备的安全性都是一个不容忽视的要素。一切层面都需求数据维护，包括存储、处理和通讯期间，然后保证体系的可靠性。别的，任何处理数据的软件或固件都应得到维护。能够在两个层面上完成这种安全性。榜首个层面是软件安全，第二个层面是硬件安全，即经过硬件维护软件。
一般，安全软件运用存储在代码空间内的密钥。尽管这在技能上能够完成加密和解密，但这个进程依然简单遭到黑客进犯。这是由于它是一个存储代码，当代码被解码的那一刻，安全性就化为乌有了。
安全硬件则运用集成电路来维护体系，比方代码和数据的加密和解密。安全硬件是独立的，不需求任何额定的软件来操作，这杜绝了恶意代码、感染、污染或其他缝隙损坏体系、客户数据和服务的或许性。因而，在维护敏感数据或代码时，安全硬件是首选办法。所以用于物联网的 MCU 具有杂乱的集成硬件安全特性，如暗码块、代码维护 IP 和其他依据硬件的机制。
与固件比较，安全硬件还具有供给更快功用和更低功耗的优势。比方，赛普拉斯 PSoC 6 BLE MCU 中的专用加密模块可加快加密功用。此外，该模块供给了真随机数生成功用、对称密钥加密和解密、哈希、音讯认证、随机数生成(伪随机和真随机)、循环冗余校验以及比如启用/禁用、中止设置和符号等有用功用。该 MCU 组件还装备了安全发动功用。该功用运用 ROM 程序在闪存中验证用户数据。安全发动是一项包括加密技能的进程，它使物联网设备开端履行已认证的可信软件。因而，体系能够从一个已知、可信的状况敞开。
在榜首部分中，咱们介绍了先进的工艺技能、低功耗规划技能、多核体系的功耗、内核间通讯、串行存储器接口以及体系安全性。第二部分将介绍高档 BLE 无线链路、模仿前端、智能接触界面以及其他重要的物联网规划技能。
图9：物联网 MCU 的安全生态体系
获取以下相关资料信息，敬请点击 www.cypress.com/psoc6：
1. PSoC 6 BLE 系列数据表
2. PSoC 6 BLE 架构技能参考手册(TRM)
3. PSoC 6 BLE 寄存器技能参考手册(TRM)
4. AN210781 – PSoC® 6 BLE 入门
5. AN217527 – PSoC® 6 硬件规划考虑要素
作者： AnbarasuSamiappan and Jaya Kathuria
