不藏私分享！物联网MCU设计趋势关键十答！

MCU在物联网应用的领域越来越广，举凡智能家居、智能汽车、智慧医疗、智能制造……几乎都有MCU的应用。同时，MCU技术也不断更新，如更低功耗、安全诉求、多核化发展、与通信模块整合等。针对物联网时代MCU产品展现出的新特点，以及这些产品应如何去适应新的市场需求？《中国电子报》邀请了包括芯科科技（SILICON LABS）等行业主流企业就MCU的新动向和新技术展开了精彩讨论。
 

Silicon Labs公司32位微控制器产品高级营销经理Øivind Loe 先生和Silicon Labs亚太地区MCU和无线产品资深营销经理彭志昌先生（Alan Pang）作为本次采访的发言人，针对《中国电子报》提出的MCU关键“十问”，一一进行了细致的解答。

图1：Øivind Loe，Silicon Labs 32位微控制器产品高级营销经理

1）记者：MCU在物联网时代，仍将有着极为广泛的应用。但是产品必将有新的特性，以适应物联网市场的需求。您认为MCU产品将包括哪些特性？

Øivind Loe：针对物联网应用，MCU市场出现的一个重要趋势就是集成更多的相关技术，包括无线通信能力和各种混合信号外设等。
 
现在和未来，连接能力都是用于物联网（IoT）连接设备中的微控制器的关键特性之一。强大的无线连接能力不仅对许多物联网应用而言是必需的，而且这些应用也需要更先进的特性，例如对多协议无线的支持，可用来处理诸如多种网络的调试和共存这样的问题。能够使通信信道安全对于保护物联网系统免受入侵也是至关重要的。安全性应该通过硬件加速来最大化效率、响应时间和电池续航能力，因为数量众多的物联网设备都是由电池供电的，或者拥有有限的能源。
 
高效的传感器接口、灵活计时外设和高集成度通信外设也是关键的构件，这些外设必须都能够在深能级模式中自主工作，以最小化能量损耗。
 
虽然这些特性对应用于物联网中的MCU来说都是非常重要的因素，但是物联网开发人员最需要的还是简便性。开发人员必须使自己的产品快速上市，为了实现该目标，他们需要能帮助自己去实现能效最大化、调试问题和优化网络的开发工具。强大的软件构件也是非常关键的，它可以使开发人员致力于实现产品的差异化，同时无须为每个设计项目进行重复性的工作。
 
2）记者：您认为未来几年市场对MCU的需求状况有何变化？总规模增长，还是持平？对什么类型的MCU需求较为旺盛？

Øivind Loe：在接下来的两三年内，对基于ARM Cortex-M处理器的MCU的总需求将持续增长，我们也会看到对集成安全功能的节能型无线MCU的需求将显著增长。对8位MCU的需求将依然强劲，因为它们非常适合于成本敏感型应用，这些应用并不需要很大的处理带宽。
 
3）记者：现在国际上主要MCU厂商都在加强生态系统的建设。贵公司在推进软件工具以及生态上，做了哪些工作？采取何种策略？

Øivind Loe：Silicon Labs持续地对开发工具和软件进行投资，以帮助我们的客户更快地创建出自己的产品，并有助于他们将精力集中于自身的创新。这种方法的核心就是Simplicity StudioTM，它是一套旨在帮助开发人员简化MCU和无线并行应用开发的工具。Simplicity Studio包括一个可选的、成熟的集成开发环境（IDE），可帮助开发人员创建和配置其应用的工具（例如，Simplicity Application Builder和Simplicity Configurator），以及可帮助调试和优化应用的工具（例如，用于能耗优化和调试的Energy Profiler，用于网络优化和调试的Network Analyzer）。SimplicityStudio也提供对文档、案例和客户支持的轻松访问。

SiliconLabs以出色的无线协议栈闻名，也可提供品类丰富的其它协议栈和软件构件。只要可能，我们会为我们的客户免费提供这些软件协议栈，支持他们自由地使用这些协议栈来创建自己的应用。
 
SiliconLabs不仅提供高度差异化的自创工具，也与大量的合作伙伴携手为所有客户提供工具和软件。这些差异化的产品包括支持安全关键型系统的软件，和可加速大型软件项目开发的可扩展开发框架。软件方面的案例包括：ARM mbed、FrssRTOS、SafeRTOS、Segger的软件套件、Micrium和Express Logic。在工具方面，我们确保我们的IC产品在诸如IAR、Keil和GCC等主要IDE中可以被支持，从而使我们的客户能够以最适合他们的方式继续工作。
 
我们的策略是，通过提供基础的软件构件和差异化工具，来确保我们可以为大多数开发人员提供一个良好的出发点和解决方案。对于有更多特殊需要的客户，我们通过我们的生态体系合作伙伴提供综合支持。我们相信我们所提供的实现方案对我们的客户至关重要，并且为了支持开发人员，我们将继续致力于使我们的产品非常易用和高效。
 
4）记者：谈到MCU必谈功耗，低功耗是MCU开发的一个发展方向，贵公司在低功耗MCU产品开发上有哪些新的进展？在低功耗设计上有何优势？

Øivind Loe：在Silicon Labs，我们相信能效是应用在物联网中的元器件的一项至关重要的特性，并且我们也相应地创建我们的产品。为了实现最低功耗，您不仅需要让MCU、无线芯片和外设拥有极好的休眠电流和工作电流，也需要尽可能多地使用休眠模式。Silicon Labs的MCU和无线MCU拥有非常高的自主性，使它们在深度睡眠模式时依然可以运行。这种自主架构使一项应用能够优化其电池续航时间。

5）记者：物联网设备中对低功耗MCU有何需求？如何平衡功耗、性能、尺寸、成本，以满足物联网设备的需求？

Øivind Loe：一些物联网应用，如智能抄表和智能信用卡，可能会有极低功耗的要求；而诸如智能手表等其它应用，可能对MCU本身的低功耗要求并没有那么严格，因为手表中其它的元器件可能占据了电流消耗的主要部分。

为了适合各种不同的应用，MCU必须拥有精心设计的能量模式，支持MCU去实现电流消耗与响应时间和功能之间的平衡。这种优化的权衡方法使MCU能够为许多应用提供电流消耗、性能、尺寸和成本的正确组合。

举例来说，诸如智能信用卡这种需要睡眠模式下电流消耗低于50nA的应用，可以使用Silicon Labs的EFM32 Gecko MCU和Wireless Gecko SoC的EM4模式。EM4模式拥有最低的电流消耗，但同时只提供少量的外设且唤醒时间更长。而智能水表应用则宁愿使用Gecko MCU和无线MCU的EM2模式，因为EM2模式允许低于1μA的电流消耗，同时允许复杂的传感器接口自主运行，以便水表处于休眠模式时仍可测量水流量。

另一方面，当可穿戴设备在处理用户输入或生成图像时，将利用Gecko MCU和无线MCU的超低工作电流消耗；当等待下一事件时，可以利用EM2模式。

6）记者：8位或16位MCU是否适合物联网设备的需要？

Øivind Loe：8位MCU和32位MCU在物联网应用中都占有一席之地。尺寸更小、性价比更高的8位MCU对较简单的物联网设备，或较复杂系统中的外设处理器来说是极佳的选择。Silicon Labs的EFM8系列8位MCU提供了高功能和低成本的独特结合，从而备受成本敏感型物联网设备的关注。目标应用也包括经常运行私有无线协议的简单无线设备。

具有一定复杂度的物联网连接设备，或者运行Bluetooth低功耗、ZigBee或Thread协议的设备通常需要更高性能的32位MCU或无线MCU。32位MCU对于更多性能增强型应用来说是必要的，而且就信号处理而论，它们也拥有超越8位MCU的关键性优势。

我们认为16位MCU将不再流行，因为它们不像8位MCU那样拥有高性价比，也不像32位MCU那样能够处理复杂的应用。

7）记者：MCU与传感器、通信模块整合也成为业界关注的一大方向，对于这种整合，技术上是否存在挑战？对其市场应用前景有何看法？很多企业推出MCU＋蓝牙或MCU＋Wi-Fi的方案，也有推出MCU＋传感器的方案，市场需求如何？

Øivind Loe：将各种功能集成到MCU中有许多益处，包括更低的解决方案成本、更小的占板面积和更高的功能集成度，进而可产生更高的性能和更低的能耗。我们也看到了对预验证无线模块的高度需求，该无线模块包含一个无线MCU，同时集成了包括天线在内的所有外部无线元件，从而使产品开发人员可以极其容易地将无线功能集成到自己的产品中。高集成度与我们所关注的简便性是一致的，使我们的客户可以将精力集中于最终产品的创新，而且可轻易地集成诸如无线连接等功能。

无线模块的主要益处之一就是简化的应用开发，从而使无线产品能够更快上市。将传感器集成到MCU产品和模块中也非常重要，但是在许多案例中，这种方法通常都用于改善成本、占板面积和性能，同时也以降低灵活性为代价。

8）记者：智能制造是物联网的重要领域，MCU在智能制造中可以发挥哪些作用？贵公司推出了哪些解决方案？

Øivind Loe：在智能制造领域中，部署物联网解决方案的投资回报率（ROI）是非常重要的。通过执行可预见的维护来减少工厂的停工期，通过严格控制生产参数来优化良率，以及通过不断接近制造极限来最大化生产能力，都是具有重要意义的使用案例。这些使用案例的共性是需要通过测量来观察生产过程。Silicon Labs对低功耗和无线连接的专注，使我们的MCU和无线MCU成为传感器节点的理想选择，这些传感器节点可被广泛部署并稳定地将它们的数据传回到中央服务器以进行处理优化。Silicon Labs的无线解决方案覆盖了Bluetooth低功耗、ZigBee、Thread和Wi-Fi等标准，以及包括2.4 GHz和Sub-GHz频段的私有协议。Silicon Labs的MCU和无线MCU也是非常节能的，它们包含自主的传感器接口，支持使用太阳能电池和其它能量捕获技术，或可显著地延长电池的续航时间。这些节能型解决方案为产品开发人员提供了完全的灵活性，从而可以为智能制造开发强大的无线传感器节点。

图2：彭志昌（Alan Pang），Silicon Labs亚太地区MCU和无线产品资深营销经理

9）记者：中国市场在MCU全球市场中占据重要地位，您认为中国MCU市场的需求有何特点？如何适应中国市场的需求？

Alan Pang：中国拥有世界上最大的MCU市场之一，但是与其它区域市场相比也是截然不同的。在宏观层面上，我们可以将中国市场划分为两部分，本地市场和出口市场。就本地市场而言，我们必须满足由我们的客户定义的需求或本地标准，而且价格竞争通常也很激烈。这方面很好的案例就是光收发模块，我们与客户紧密合作来定义规格，然后交付产品。就出口市场而言，我们必须开发适合全球市场的产品，并且为客户提供参考软件或软件库来帮助他们开发自己的产品。这方面很好的案例是ZigBee市场，我们不仅为我们的客户提供无线MCU，还提供经过完全认证的ZigBee协议栈。

10）记者：MCU市场是一个成熟的市场，竞争异常激烈，您认为厂家取得竞争优势的关键因素在哪些方面？（价格？快速？差异化？软件？生态环境？）

Alan Pang：中国市场上的价格竞争一直都很激烈！作为一家为中国市场提供MCU产品的领先供应商，我们倾向于考虑整个解决方案的总成本，而不是一个元件的成本。我们通过提供高度集成的解决方案来帮助客户降低总体物料清单（BOM）成本，这些解决方案中外部元件更少，而且小型化封装也可以减小电路板尺寸、降低电路板成本。为了帮助我们的客户实现其产品的差异化，我们不仅为客户们提供高性能的外围设备，而且提供一流的固件；这方面的案例之一就是我们的高性能电容感应解决方案，我们不仅为我们的客户提供了低功耗、高性能的硬件，还会结合一流的电容软件库。

目前，客户正面临两大难题，产品复杂性和上市时间。在这方面，Silicon Labs正提供一流的工具来帮助我们的客户。我们的Simplicity Studio不仅允许我们的客户支持MCU，也允许他们在同一个开发环境中将Silicon Labs的无线产品和传感器添加到自己的产品中。

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