可编程逻辑设备用于嵌入式计算和物联网

已创建：August 30, 2019
已更新：June 25, 2023

最初在1960年代为航空航天和军事领域开发的嵌入式计算系统，通过微控制器和可编程逻辑设备的众多功能增强和性价比改进，继续支持新的应用。如今，嵌入式计算系统控制着我们通常不会将其视为“计算机”的日常设备：数码相机、汽车、智能手表、家用电器，甚至智能服装。这些嵌入式计算系统普遍应用于消费者、工业、汽车、医疗、商业和军事领域。

与通用计算机不同，嵌入式控制系统通常被设计来执行特定任务。嵌入式计算系统设计师的任务是确定一套组件，这些组件将实现系统的功能、性能、可用性和可靠性要求，通常在严格的成本和开发时间限制内。因此，选择微控制器及其特性，包括数据处理能力、速度、外设和功耗，是系统设计中最早也是最关键的方面之一。

设计师的部分责任涉及了解其特定行业的趋势，并利用相关的组件和技术。让我们在微控制器应用的顶级行业中寻找例子，即物联网。

什么是物联网？

物联网（IoT）通常被定义为“将互联网连接扩展到物理对象和设备”。IoT设备可以通过互联网或直接通过无线协议相互通信和交互，并且可以远程监控和控制。消费市场上的IoT设备通常涉及到使智能家居成为可能的产品，例如，家用电器、照明设备、恒温器、家庭安全系统和摄像头。最新一代的产品可以通过智能手机或其他云连接设备进行控制。

物联网智能锁控制器示例。用户的身份通过智能手机传输到云端进行验证，然后处理命令。智能手机通过蓝牙控制智能锁的操作（开/关）。

IoT设备有许多关键组件共通。除了微控制器、嵌入式内存和电源管理外，这些设备通常包括多个传感器和执行器以及信号调节组件在一个封装中。设备传输数据到本地网络处理器和/或云计算资源所需的通信电路通常包含在为IoT应用设计的微控制器中。

下一代IoT设备的设计挑战

物联网(IoT)设备在工业、消费品、医疗和农业应用中变得无处不在。随着它们变得更加众多和功能丰富，嵌入式系统开发者将继续遇到以下设计挑战：

安全性：这是采用物联网技术最大的担忧。特别是，随着物联网设备的使用变得更加普遍，网络攻击可能会成为越来越常见的威胁。
电池寿命和运行时间：大部分物联网设备都是电池操作的。随着这些设备变得更加功能丰富，它们的功耗增加，需要更大的电池或更好的电源管理方案。
去中心化：传统的云架构为基于云的数据中心中的应用程序提供集中处理。数据中心与物联网设备之间的距离可以增加延迟，这对实时工作流来说太慢了。相比之下，边缘计算使物联网设备能够做出智能决策并实时响应外部刺激。这还提供了用户数据主权优势，因为个人数据被预先分析并以更高级别的解释提供给服务提供商。

物联网设备嵌入式计算的微控制器

物联网设备旨在价格低廉，因此需要选择微控制器，以便其功能不会被应用程序低估。决定应用程序最佳部件的微控制器规格包括：

位深度：寄存器和数据路径宽度影响微控制器执行非平凡计算的速度和准确性。
内存：微控制器中的RAM和Flash数量决定了组件可以全速支持的代码大小和复杂性。大内存具有更大的芯片面积和组件成本。
GPIO：这些是用于连接系统中的传感器和执行器的微控制器引脚。这些通常与微控制器的其他外设共享功能，例如串行通信、A/D和D/A转换器。
功耗：对于电池操作的设备来说，功耗至关重要，它通常随着微控制器速度和内存大小的增加而增加。

Cypress Semiconductor, CY8C6246BZI-D04

CY8C6246BZI-D04 可编程系统级芯片（PSoC）6 MCU架构专为物联网设计，针对增强安全性。填补了昂贵、功耗高的应用处理器和低性能MCU之间的空白。超低功耗PSoC 6 MCU架构为新的物联网产品提供了所需的处理性能。安全性通过集成的、基于硬件的可信执行环境（TTE）与安全数据存储内置于其中。

PSoC 6 MCU架构基于尖端的超低功耗40纳米工艺技术，采用双Arm^® Cortex^®-M核心架构。M4核心的主动功耗低至22-μA/MHz，M0+核心为15-μA/MHz。Cypress还提供了一个开发套件，用于编程CY8C6246BZI-D04：

PSoC Programmer 3.26.0 为Cypress最新的PSoC 6设备系列通过PSoC Programmer和PSoC Creator提供编程和调试支持。它支持通过SWD和JTAG接口对PSoC 6设备进行编程和调试。

Cypress PSoC 6 MCU架构，来自Cypress Semiconductor

德州仪器，MPS430FR2676 CapTIvate^™

MPS430FR2676 是一款超低功耗的MSP430^™电容触摸感应微控制器，具有64KB FRAM、8KB SRAM、43 IO和一个12位ADC。CapTIvate技术系列非常适合具有按钮、滑动、滚轮和接近功能的IoT设备。FRAM，或铁电随机存取存储器，是一种将Flash的非易失性和SRAM的灵活性及低功耗结合在一起的存储技术。这种经过验证的存储技术被集成在MSP430超低功耗微控制器（MCU）中，将其独特优势带入现实世界的应用中。

*具有CapTIvate技术的MSP430 MCU提供市场上最集成和最自主的电容触摸解决方案，具有高可靠性和抗干扰能力，同时功耗最低。TI的电容触摸技术支持在同一设计上同时使用自电容和互电容电极，以获得最大的灵活性。*

来自德州仪器的功能块图

意法半导体 STM32H753BIT6

STM32H753BIT6 微控制器专为边缘计算设计，基于32位ARM Cortex M7 480 MHz核心，配备2M x 8 Flash存储器。这款MCU甚至包括一个嵌入式温度传感器，使其在智能家居或工业应用中非常有用。Cortex-M7核心具有浮点单元（FPU），支持IEEE 754兼容的双精度和单精度数据处理指令和数据类型。这些设备支持一整套DSP指令，并包含一个内存保护单元（MPU），以提高安全性。这款微控制器也非常适合设计用于运行机器学习算法以分析数据的IoT设备：

STM32Cube.AI 是广泛使用的STM32CubeMX配置和代码生成工具的扩展包，使得能够在基于STM32 Arm^® Cortex^®-M的微控制器上映射和运行预训练的人工神经网络（ANN）。