32位元MCU於嵌入式聯網應用設計趨勢
面對嵌入式系統在效能、功耗效率與聯網等需求下,微控制器大廠Microchip以授權的MIPS32 microAptiv微核心架構,提供每MHz高運算效能標竿、更大容量記憶體與多元連接週邊的支援性;配合內建或第三方多樣化的驅動程式、函式庫、即時操作系統與中介軟體元件的整合型開發框架,大幅縮短了32位元MCU程式碼開發與整合驗證時間…
PIC32MZ Embedded Connectivity(EC)微控制器系列,是Microchip針對嵌入式聯網應用所開發的32位元微控制器。「PIC32MZ提供突破性效能、高記憶體容量與週邊整合性。200MHz操作頻率下,提供領先MCU業界的 330 DMIPS,及3.28 CoreMarks/MHz的單位執行效能,比上一代PIC32MX MCU效能提昇三倍以上,也比其它競爭對手32位元MCU,程式碼儲存空間╱密度縮減30%。」Microchip技術經理林建益指出:「PIC32MZ也創下業界之先,採用每秒取樣頻率達28M的12bit類比數位轉換電路(ADC)設計,較坊間ADC僅數十KHz最多數MHz取樣頻率的MCU設計,可以創造許多過去無法想像的應用。」
PIC32MZ提供了最大2MB Flash快閃記憶體與512KB SRAM高速靜態記憶體容量設計,並採取雙Flash燒錄切換電路與即時更新(Dual-Panel Flash with Live Update)的設計,可以透過間隔不同Flash區塊下,使MCU在載入韌體升級做內部燒錄的過程中,仍然繼續執行原先的工作而無須關機停止,SRAM容量也是上一代MX系列的四倍以上。
「PIC32MZ提供高整合度的週邊,像Hi-Speed USB 2.0、10/100Mbps乙太網路控制器,兩組CAN 2.0b控制模組,提供6組UART、6組SPI/I2S串列介面,5組I2C通訊介面,4bit的Serial Quad Interface(SQI)。」林建益特別提到:「PIC32MZ內建硬體加密引擎(Crypto),可作AES/3DES/HA, MD5與HMAC等資料加密編碼的防護,強化網頁瀏覽購物等電子交易的安全性。」
PIC32MZ EC系列提供了一系列應用的入門開發套件(Starter Kit)、週邊插入套件(Plug-In Module, PIM),以及完整開發工具板(Developer Board套件。像PIC32MZ EC Starter Kit約119美元,PIM模組25美元,Starter Kit連接多媒體功能擴充板(Multimedia Expansion Board II)僅299美元,已整合一切週邊應用可直接組裝做嵌入式應用工程機雛型出貨。168轉132pin轉接卡為59美元。
PIC32產品家族與藍圖規劃
林建益列舉Microchip PIC32 MCU家族與藍圖規劃。以DMIPS效能為橫軸,規格╱功能為綜軸,最左邊66/83DMIPS級別的PIC32MX1/2,全系列提供腳位數28-44 pins。有16?32KB Flash/4?8KB SRAM容量,與64?128KB Flash/16?32KB SRAM容量的差別,週邊部份則提供了USB、I2S、CTMU(Charge Time Measurement Unit)與PPS(Peripheral Pin Select)等設計。
在105 /131 DMIPS級別,有PIC32MX3/4/5/6/7 MCU,全系列均為64-100 pins腳位數設計。入門款PIC32MX3/4 MCU具備32?512KB Flash/4?32KB SRAM容量,與內建USB控制器設計;中間款PIC32MX3/4 MCU則加大到64?512KB Flash/16?128KB SRAM容量設計,提供USB、I2S、CTMU、PPS等週邊設計。高階款PIC32MX5/6/7 MCU,同樣採64?512KB Flash/16?128KB SRAM容量設計,提供USB、Ethernet、兩組CAN控制器等功能。
而新介紹的PIC32MZ EC系列,列在330DMIPS級別,提供1~2MB Flash/512KB SRAM容量設計,提供HS USB、Ethernet、兩組CAN控制器、Crypto加密引擎、PPS等功能。其市場瞄準消費性電子音響、工廠╱建築、居家自動化、環境監控、電錶、再生能源(Renewable Energy)控制模組、汽車電子、家電與交通運輸設施儀表板等應用。
PIC32MZ EC核心架構、功能區塊與開發套件
PICMZ EC功能區塊上,主要採用Imagination公司的MIPS32 microAptiv微核心(代號M4K),採5階管線設計,工作時脈為200MHz。microAptiv核心具備1.65DMIPS/MHz的單位時脈運算效能,內建DSP數位訊號處理器,以及159道DSP加速指令;可針對16bit MIPS16、32bit MIPS32等指令集混用切換,以縮減程式碼儲存空間。中斷控制器也大幅縮減進行中斷處理時的作業延遲,以及提供更好的功耗表現。
Microchip提供了PIC32MZ EC嵌入式MCU的入門開發套件(Starter Kit)與插入模組(PIM)。入門開發套件提供整合偵錯╱程式開發功能,提供PIC32擴充板與特殊功能子卡的連接擴充設計:具備USB供電設計、10/100Mbps Ethernet、雙向USB 2.0 OTG控制器,4 MB SQI Flash記憶體,PIC32MZ EC MCU晶片本體,並提供線上開發工具與軟體下載。
過去使用Microchip 16bit的PIC24、dsPIC與32bit PIC32 MCU等Explorer 16開發板的客戶,只要選購PIC32MZ PIM處理器插入套件後,直接插入升級,就可以進行PIC32MZ EC MCU的嵌入式應用開發。而多媒體擴充板(Multimedia Expansion Board II),提供高畫質WVGA (800x480)的液晶面板,並具備多點電容式觸控功能,前端VGA(640x480) 30萬畫素攝影鏡頭、Wi-Fi 與Bluetooth藍牙的無線射頻元件,24bit立體聲音效,內建三軸加速感測儀(accelerometer)與溫度感測器,可搭配Starter Kit做多媒體嵌入式應用。Microchip提供MP3、AAC音源解壓、圖形人機介面(Graphical HMI)與聯網(Internet Connectivity)等應用的展示軟體。
林建益總結全新的PIC32MZ EC MCU家族,具備200MHz、330DMIPS高執行效能與3.28CoreMarks/MHz效能效率,最大2MB Flash與512KB SRAM設計,最多48通道、28Msps取樣頻率的12bit ADC,硬體加密引擎、媲美64pin QFN/124 VTLA 9x9mm晶片封裝的外觀,以10K為基本採買單位的單價僅6.68美元,提供非常強大的競爭力。
整合一切嵌入式軟硬體開發資源的MPLAB Harmony
MPLAB Harmony是一套針對Microchip PIC32 MCU所開發,基於MPLAB X IDE整合開發環境為操作基礎的整合式跨廠商元件開發框架。它能夠全面的讓內建(In-House)或第三方(Third party)中介軟體(Middleware)、驅動程式、週邊函式數庫和RTOS等軟體方案,彼此和諧共存並相互運作;所有涵蓋第三方軟體方案,均委由Microchip做直接銷售,從microchipDIRECT取得,同時不僅能獲得Microchip第一線技術支援,也能透過Microchip的入口網站,取得相關授權、轉售、技術支援與擔保。
當今嵌入式系統開發面臨的挑戰,有:1.終端複雜化(Complexity),造成支援項目增加、拉長開發時間,其中軟體佔總開發時間達60%。2.選擇不同的RTOS、軟體相容性欠缺所造成的新的錯誤,使得程式碼重工(Re-work)風險增加。3.前後不一致。當需要整合RTOS、中介軟體、驅動程式於同一個嵌入式平台下,造成相衝突的機會越大。4.拖垮測試(Test Drag),60%的軟體開發資源用於元件之間的功能互通驗證,而錯誤到驗證階段材發現,花費的時間時從設計階段就發現多出十倍。5.支援零散(Fragmented)。很難從單一供應商網站取得所有軟體組件。6.荒廢(Obsolescence),在不可預知的未來競爭環境下,快速導入某個軟體元件,需衡量該未來是否陷入經濟危機的疑慮。
Microchip MPLAB Harmony整合開發框架,可以達到:1.降低研發時間與支出。2.所有內部內建與第三方元件軟體碼,均已過Microchip測試、偵錯與互通驗證,無須重工;客戶所開發的程式碼,在Harmony架構下有極高的可重複使用性。3.模組化架構啟動有效率的軟體元件的堆疊整合。4.預先測試過的軟體元件已剔除掉日後驗證所可能發生的錯誤。5.Microchip提供MPLAB Harmony程式碼的單一來源,涵蓋第三方軟體元件。6.改進縮減反應時間以因應市場。
林建益列出MPLAB Harmony的架構圖,從最底層Peripheral Libraries (PLIB)層,有PIC32MX與PIC32MZ,往上Device Drivers(驅動程式層),有Interniche公司的TCP/IP、freeRTOS或Wittenstein的OpenRTOS,到中間Middleware有Interniche公司的TCP/IP、freeRTOS,或Wittenstein的OpenRTOS,Micrium μC-OS/Ⅲ與wolfSSL公司的CyaSSL Embedded SSL等。
到第四層Common System Services,則有MPLAB Harmony內建的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。未來會增加像是Bluetooth Audio Stack、Smart Phone Accessory、Class B Safety與mTouch Sensing等元件。
目前MPLAB Harmony從2013年11月18日開始開放於Microchip網站下載,基本版框架與大多數函式庫免費,第三方開發工具與高級版驅動╱函式庫則可另外選購。林建益最後總結,MPLAB Harmony是整合絕大多數跨產業界軟體元件的開發框架,提供一站式購足(One-Stop Shop),易於移植且縮短開發時間。