嵌入式系统开发(嵌入式系统开发中,如何选择适合的MCU平台?)

2021-07-04 06:05 

嵌入式系统开发

如今,嵌入式系统开发往往基于平台模式。MCU平台包括MCU及其相关器件(外延器件、配套器件等),集成开发环境(开发板、开发工具、中间件等),以及操作系统等。半导体厂商在推出一款MCU新产品时,一般都有相应的周边器件、集成开发环境与操作系统来辅助支持。

因此,工程师在选择一款MCU平台进行嵌入式系统开发时,不仅要考虑MCU芯片自身的性能,还要考虑该MCU平台是否能方便地实现代码的移植和软件的兼容,硬件设计是否可以进一步优化,从而节省开发时间、缩短产品上市周期。如果MCU平台选择得合适,产品的设计也就成功了一半。

随着物联网产业的蓬勃发展,出现的问题也越来越多:MCU平台怎样能让开发的产品更好地做到安全的互联互通?物联网产业存在很多不同的协议标准,如何实现不同协议标准间的兼容,使产品的通用性更强?便携设备对低功耗的需求越来越高,如何通过选择适合的MCU平台来应对这一挑战?

业界声音

多协议无线SoC助力物联网应用加速部署、更新
Silicon Labs微控制器和传感器产品高级营销经理 ?ivind Loe 

在物联网领域内的主流无线技术包括:Wi-Fi (802.11)、采用网状网络的ZigBee 和Thread (802.15.4),以及低功耗蓝牙 (LE)。许多私有协议也被广泛应用于工业物联网应用,特别是在Sub-GHz频段。每种协议都针对特定的应用需求,但是没有一种协议能够提供通用的、万能的解决方案。Wi-Fi接入点无处不在,为流媒体和安防摄像头等应用提供高带宽。我们看到在家庭联网市场中,802.15.4平台上的ZigBee和Thread的出货量稳步增长,尤其是在电源受限、电池供电的应用领域内。虽然现在已有了一个很大的ZigBee生态系统,但越来越多的开发人员正在将支持Thread的设备转移到这些生态系统中,以便为未来的变化做好准备。

ZigBee已经建立了一套现在被称为dotdot的、丰富的“集群库”或应用层,它可以在Thread之上运行,以支持设备之间和网络的互操作性。低功耗蓝牙继续快速增长,这得益于点对点连接的简易性,以及与智能手机等移动设备连接的能力。蓝牙网状网络规范目前还处于早期采用阶段,这种新的网络协议将如何在市场上发挥作用还有待观察。

物联网的一个重要新趋势是多协议无线SoC的兴起,它可以支持在单一SoC上进行多个协议之间的动态切换,如ZigBee和低功耗蓝牙。这种多协议解决方案可实现物联网应用的高级功能和互操作性,且不会带来双芯片架构的额外复杂性和硬件成本,从而将无线子系统物料清单(BOM)成本和尺寸降低达40%。动态多协议软件允许用户使用智能手机APP通过蓝牙直接对ZigBee网状网络进行部署、更新、控制和监控。

多协议技术还可以通过蓝牙信标扩展基于ZigBee的可连接照明和楼宇自动化系统,更轻松地在室内部署可扩展的、基于位置的服务基础设施。通过向ZigBee网状网络添加低功耗蓝牙功能,开发人员可以创建更易部署、使用和更新的下一代物联网应用。我们相信,这种多协议的能力将是明年增长最快的趋势之一。

为了满足这一市场需求,Silicon Labs提供了一个无线Gecko多协议SoC的组合,支持ZigBee、Thread、低功耗蓝牙和私有的无线连接。除了提供广泛的连接选项之外,无线Gecko平台还允许开发人员利用相同的工程专有技术和重用硬件和软件,跨越多种应用来应对不同的需求。这种多协议方法在开发新产品时带来了敏捷性和效率。

减少电流消耗仍然是便携式物联网设备市场的主要焦点。超低功率的MCU和无线SoC现在可以极大地减少芯片运行和深度休眠时的功耗,从而延长联网设备的电池续航时间。为了充分发挥当今MCU和SoC的电流功耗规范,开发人员必须考虑许多因素。显著提高电能效率的方法是,在执行代码以及在发送或接收无线信号包时减少电流的消耗。这些电流应该尽可能低,这将有利于大多数时间都在工作的应用。然而在那些场景中,对许多仅靠很小电池运转的联网设备应用来说,很重要的是使其MCU尽可能多地处于休眠状态。

休眠电流很重要,但是更重要的是MCU在休眠状态下完成工作的能力。以Silicon Labs的Gecko MCU和 Wireless Gecko SoC为例,即使在深度休眠模式下,其绝大多数周边功能还能继续工作。这些功能包括多个模拟外设,如ADC、运算放大器、DAC、分段LCD驱动器、电容式触摸传感器、通信接口、多个定时器等;以及低功耗传感器接口(LESENSE)等低功耗外设,它能自主精密地完成传感器监控;还有外设反射系统(PRS),它自主地将不同的外设交互联系在一起,并支持它们在深度休眠模式下互动。为了使低功耗平台的效益最大化,关键是使其能够应对广泛的应用场景,从CPU和射频部分经常工作的高占空比型应用,到其大部分时间都处于休眠模式、但同时仍然在监测其环境的休眠型应用。

MCU采用灵活安全的解决方案是物联网产品开发的重中之重
Microchip Technology Inc.计算机产品部市场营销经理 Jeannette Wilson

单片机(MCU)为客户提供充分的灵活性,可通过软件算法、密钥和证书存储以及数据的加密/解密提高其平台的安全性。在最基本的层面上,MCU可以使用软件算法来执行对称加密,从而实现安全通信。随着用户变得越来越复杂,并且希望使其连接的系统更安全,他们可以使用Microchip的CEC1702或SAM D51/E54等MCU,这些MCU现已包括用于公钥加密的非对称硬件加速器、用于认证和反克隆的哈希算法以及用于加密和解密数据的椭圆曲线。集成到MCU中的硬件加密加速器的运行速度远快于软件中运行的算法,有助于减小总体代码长度。

除了对系统进行验证外,确保MCU仅执行可信代码,并提供安全固件更新的机制至关重要。这通过硬件验证的启动过程完成,以确保系统只能使用来自不可变源的代码启动。在MCU中的不可写存储器中,不可变源通常是非易失性的。

从运行在MCU上的SSL(安全套接字层)和TLS(传输层安全)等软件解决方案到集成有高级硬件加密功能的MCU和MPU,Microchip可为客户提供灵活、可扩展的MCU解决方案,从而实现安全连接并避免中间人、拒绝服务和后门攻击。Microchip的解决方案还为安全固件更新提供了途径,可保护系统免受恶意软件或存储器损坏的影响。

互操作性不是物联网行业的新问题。目前,计算机、智能手机和“物体”使用不同的机制连接到互联网。这就是采用灵活的安全解决方案来满足这种不断变化的趋势至关重要的主要原因之一。

与各种各样的物联网标准类似,安全解决方案也不是一成不变的。重要的是,能够创建一个可以安全认证并受到保护的唯一可信身份。有不同的方法来实现这种信任,并且可以根据特定系统所需的安全级别增加额外的措施。

本质上,开发人员可以使用我们的可扩展、模块化解决方案,帮助其将Microchip的硬件和开发生态系统接入他们的应用中,而几乎无需开销。

选择适合设计的MCU非常重要。过去,应用复杂性与功耗之间呈线性关系,但现在,Microchip可提供采用8位、16位和32位单片机的多种超低功耗产品解决方案。这使客户能够选择合适的MCU来应对应用复杂性,同时仍然保持较低的功耗。也许应用只需将一个8位或16位单片机连接到互联网。

为了增强这些低功耗设计的安全性,一种选择是使用ATECC608A等配套芯片,此芯片提供基于硬件的安全密钥存储,可确保产品、产品运行的固件、支持产品的配件及产品连接的网络节点不会遭到克隆、伪造或篡改。Microchip提供业内极其丰富的验证器件,这些器件采用基于硬件的可信根存储和加密对策,即使是最强大的攻击也能轻松应对。要获得更高的单片机性能,请考虑使用带集成加密硬件加速器的单片机或微处理器。由于安全算法在硬件上的执行速度是固件的5到20倍,因此所需的处理能力更少,系统功耗也更低。

编辑视角

可以看到,工程师在选择MCU平台做嵌入式开发时有几类问题要特别注意:①物联网产品互联互通时的安全性;②物联网行业有很多不同的标准,如何能做到标准兼容、协议共通,是设计师要关注的重点;③还需要从技术角度更深入地了解不同的标准,才能把一些深入的产品问题解决掉,对工程师的专业知识要求比较高;④是低功耗,现在越来越多的产品对功耗有着极高的要求。上边提到的公司的平台和产品都是围绕这4个主题打造的,目的是方便工程设计。

各大半导体厂商都在根据自己产品的特点,打造嵌入式开发平台,包括硬件、软件以及外围设备,从而更好地加速物联网产品落地,以及后续的更新换代工作。比如,TI公司在2017年发布了SimpleLink平台,它集成了TI现有的产品,包括:MSP432 MCU,主要用作主机控制;不同无线SoC产品,包括蓝牙SoC,MCU CC2640,支持2.4GHz、双频段的CC1350以及Sub 1 GHz的CC1310 MCU,还有WiFi的SoC产品CC3220。这样打造平台,有线连接、无线连接、云端全部可以互联互通。

未来的趋势是,嵌入式开发平台不仅能够充分地进行有线和无线的融合,还能够集成以太网功能进行网络连接,可以作为传感的枢纽,连接到云端去传输数据,更可为产品提供低功耗设计选项。工程师们在设计时的可选功能越来越多,适合的嵌入式开发平台定能让产品设计事半功倍。

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