工控領域發(fā)展到今天，各種平臺，各種認證標準，各種協(xié)議標準都對我們主控器件的資源和生態(tài)有一定要求。而集成電路進步帶來的系統(tǒng)集成程度提高，使得多片分立元件組成的系統(tǒng)向高度集成化發(fā)展，多個芯片的功能向一顆芯片集中。

MPU從一開始就定位在應當具有更高的的處理和運算能力。這樣的定位也決定了MPU應該具備比較高的主頻和較為強大的運算能力。MPU很早就演進到了32位，現(xiàn)在更是開始大力普及64位。要滿足MPU強大的算力通常需要有大容量的存儲器來配合支撐，也就是配置外設，外設配置也是MPU重要的一環(huán)。在高分辨率人機界面、嵌入式視覺、嵌入式人工智能(e-AI) 、實時控制以及工業(yè)以太網(wǎng)連接上MPU都有廣闊的用武之地。這里我們縮小切入范圍，先從工業(yè)以太網(wǎng)應用的MPU著手。

RA RZ/N系列

在RA的研討會上筆者獲悉，RA面對工業(yè)以太網(wǎng)主推的是RZ系列，重點產(chǎn)品是RZ/N系列。

對于復雜的工業(yè)通訊協(xié)議，N系列做了大量的協(xié)議簡化，形成了統(tǒng)一的通信協(xié)議抽象層，允許用戶在同一平臺上快速從一種協(xié)議切換到另一種協(xié)議。N系列的通信層支持主站和從站的多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)通訊，最多攜帶5個以太網(wǎng)口，方便系統(tǒng)搭建和平臺化，標準化。解決工控平臺復雜繁多的通訊是任何MPU想切入工業(yè)以太網(wǎng)應用必須處理好的環(huán)節(jié)。

這個系列的雙核架構支持電機算法和工業(yè)網(wǎng)絡控制分開運行，同時還集成ABS編碼器接口電路。RZ系列還提供BSP和驅(qū)動等以太網(wǎng)底層軟件包。

N系列采用了雙核Cortex-A7架構，最高500MHz。同時擁有最高6MB的SRAM，另外搭載了RA的R-IN引擎用于提高網(wǎng)絡性能。N系列網(wǎng)絡從站專用控制器可輕松將工業(yè)以太網(wǎng)功能應用到現(xiàn)有系統(tǒng)配置中，支持包括TSN在內(nèi)的多種協(xié)議，同時使系統(tǒng)中的CPU免于網(wǎng)絡相關干擾。具體方法是N系列通過提供硬件RTOS單元和硬件以太網(wǎng)加速器來解決CPU的網(wǎng)絡相關干擾。

TI DRV系列

DRV829系列是TI較新的一個系列，下面有J，V，J-Q1等細分系列，總的來看都是針對工業(yè)以太網(wǎng)推出的新品。嚴格來說，這個系列是SoC，但是在工業(yè)以太網(wǎng)應用上這個系列很有特色，所以值得一提。

DRA829系列基于Arm v8 64架構，提供了極高的系統(tǒng)集成。雙核64位Arm Cortex-A72微處理器子系統(tǒng)，性能高達2.0GHz，每個雙核Arm Cortex-A72集群具有1MB L2共享緩存，每個 Cortex-A72內(nèi)核具有32KB L1數(shù)據(jù)緩存和48KB L1指令緩存。

最多四個Arm Cortex-R5F子系統(tǒng)可以管理低級的時序關鍵型處理任務，并且可使Arm Cortex-A72不受應用的影響。對Arm Cortex-A72的雙核集群配置有助于實現(xiàn)多操作系統(tǒng)應用，而且對軟件管理程序的需求非常低。

在存儲上主域中的512KB片上SRAM受ECC保護，另外還有高達8MB的片上L3 RAM，外部還配置了EMIF模塊。TI的這個系列顯然在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸上優(yōu)勢極大。

STM32MP系列

STM32系列通用32位MPU集成ArmCortex-A 和 Cortex-M兩種內(nèi)核的異構架構，在實現(xiàn)高性能且靈活的多核架構基礎上還能保證低功耗的實時控制和高功能集成度。

STM32MP157F 是ST目前主推工業(yè)以太網(wǎng)的一款MPU。該系列最高到達800MHz，Cortex-A7處理器包括每個CPU的32 KB一級指令緩存、每個CPU的32 KB一級數(shù)據(jù)緩存和256 KB二級緩存。

STM32MP157F一個突出的優(yōu)勢在于功耗，對于節(jié)能要求嚴格的場景該系列保證功耗的情況下仍提供豐富的功能。Cortex-A7處理器提供的單線程性能比Cortex-A5高出20%，并提供與Cortex-A9類似的性能。

在存儲方面，STM32MP157F設備提供外部SDRAM接口，支持高達8 Gbit的外部存儲器、高達533 MHz的16或32位LPDDR2/LPDDR3或DDR3/DDR3L。除了包含這些高速嵌入式內(nèi)存，還有APB總線的各種增強型I/O和外圍設備，諸如AHB總線、32位多AHB總線矩陣和64位多層AXI。

ST MPU的設計服務和軟件可用于許多協(xié)議和標準，如CANopen、CANopen FD、Modbus、PROFIBUS、PROFINET、Ethernet/IP、EtherCAT、CC-Link IE、POWERLINK、OPC UA、單對以太網(wǎng)。這種多協(xié)議支持可以讓工程師專注于應用開發(fā)，同時將其系統(tǒng)連接到工業(yè)總線。

NXP Layerscape系列

NXP在今年面向工業(yè)自動化的集成時間敏感網(wǎng)絡TSN的解決方案，支持 CC-Link IE TSN協(xié)議，將千兆以太網(wǎng)帶寬與TSN相結合，加強工業(yè)以太網(wǎng)的分時通信、性能、安全性和功能。

Layerscape系列MPU就是包含了支持時間敏感網(wǎng)絡TSN的以太網(wǎng)交換機和以太網(wǎng)控制器的處理器。

Layerscape LS1028A兩個功能強大的64位Arm v8內(nèi)核支持工業(yè)控制的實時處理，內(nèi)置GPU和LCD控制器使HMI系統(tǒng)支持新一代接口。另外，該系列有4端口時間敏感網(wǎng)絡交換機和2個具有時間敏感網(wǎng)絡功能的以太網(wǎng)控制器。Layerscape LS1028A的集成架構帶有加密分流功能，可提供能夠加密通信的可信平臺，在安全性上也是獨具特色。

Layerscape LS1028A為CC-Link IE TSN網(wǎng)絡提供從設備到交換機的完整TSN解決方案，可以幫助整合和統(tǒng)一以太網(wǎng)協(xié)議來實現(xiàn)各種工業(yè)網(wǎng)絡之間的互操作性。

小結

每家大廠的MPU都有自己的獨到之處，有的軟硬件開發(fā)和認證更加便捷，有的平臺方便統(tǒng)一應用需求，有的功能覆蓋更齊全。各個大廠也都在建立自己的主控生態(tài)，以滿足工控領域各種平臺化，認證標準，協(xié)議標準的多變需求。