微控制器（MCU）多年來(lái)一直致力于低端，數(shù)字信號(hào)處理（DSP）中心應(yīng)用，數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）中的硬件乘法累加（MAC）單元極大地?cái)U(kuò)展了DSP功能。盡管如此，集成外設(shè)和存儲(chǔ)器的MCU仍遠(yuǎn)低于專用的DSP中心處理器和微處理器所提供的性能水平，這些處理器和微處理器也集成了輔助DSP內(nèi)核。然而，德州儀器（TI）和恩智浦半導(dǎo)體等供應(yīng)商提供的多核MCU產(chǎn)品的性能差距正在縮小。讓我們探討面向DSP挑戰(zhàn)的嵌入式設(shè)計(jì)人員的最新選擇，但也面臨系統(tǒng)占用和功耗問(wèn)題，這通常會(huì)導(dǎo)致基于MCU的方法。

MCU中強(qiáng)大的以DSP為中心的功能可以追溯到十年前推出的第一款DSC。 Microchip推出了dsPIC30系列，結(jié)合了16位PIC24 MCU和硬件乘法累加（MAC）功能以及其他以DSP為中心的功能（如桶形移位器），從而創(chuàng)造了DSC術(shù)語(yǔ)。 TI以不同的方式接觸該部門，利用其DSP核心傳統(tǒng)的處理器技術(shù)，并將其集成到具有C2000系列內(nèi)存和外設(shè)的MCU架構(gòu)中。

多核MCU

上面提到的DSC架構(gòu)是基于MCU或DSP遺留的單核設(shè)計(jì)。然而，最新的TI和NXP以DSP為中心的產(chǎn)品是真正的多核設(shè)計(jì)。每種情況下的意圖是將核心專用于最適合的任務(wù)。

TI新的Concerto系列如XF28M35H52C1RFPT結(jié)合了C28x以DSP為中心的內(nèi)核，包括浮點(diǎn)單元（FPU），它基本上是從TMS320F283x Delfino MCU系列演變而來(lái)的，該系列采用ARM Cortex-M3 RISC內(nèi)核已用于Stellaris MCU系列。實(shí)際上，使用Concerto的設(shè)計(jì)人員將兩個(gè)MCU合二為一，如框圖所示（圖1）。每個(gè)內(nèi)核都有自己專用的內(nèi)存和外設(shè)。還有一塊共享資源，支持電源時(shí)鐘和時(shí)鐘分配，以及處理器間通信，并實(shí)現(xiàn)基本的模擬外設(shè)。

圖1：TI的Concerto MCU包括獨(dú)立的RISC和以DSP為中心的內(nèi)核，每個(gè)內(nèi)核都有一組專用的外設(shè)和內(nèi)存資源。

恩智浦在圖2所示的LPC43xx MCU系列中采用了略微不同的方法。對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，兩個(gè)CPU都基于ARM內(nèi)核。該系列不使用核心相同的同構(gòu)多核方法。相反，DSP功能集中在Cortex-M4內(nèi)核中，包括MAC，SIMD（單指令多數(shù)據(jù)）執(zhí)行單元和FPU。同時(shí)，Cortex-M0內(nèi)核是ARM為MCU提供的基準(zhǔn)32位RISC產(chǎn)品。恩智浦架構(gòu)提供了一組由內(nèi)核共享的內(nèi)存和外設(shè)功能，盡管設(shè)計(jì)可以將特定內(nèi)存塊和外設(shè)專用于單個(gè)內(nèi)核。

從編程角度來(lái)看，嵌入式設(shè)計(jì)人員面臨著TI和NXP多核MCU面臨的不同挑戰(zhàn)。在NXP的情況下，除了只有Cortex-M4支持?jǐn)?shù)學(xué)指令外，內(nèi)核在指令集方面基本兼容。這應(yīng)該簡(jiǎn)化應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)以及將任務(wù)分配到兩個(gè)核心的過(guò)程。

圖2：恩智浦在LPC43xx中結(jié)合了ARM-Cortex-M0和-M4核心系列，內(nèi)核共享一組內(nèi)存和外設(shè)資源。

在Concerto的情況下，核心具有完全不同的指令集。但TI表示，其開(kāi)發(fā)工具可以緩解異構(gòu)內(nèi)核引入的任何復(fù)雜問(wèn)題。該公司為兩個(gè)內(nèi)核提供ControlSUITE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）版本，為開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)提供統(tǒng)一的開(kāi)發(fā)窗口。編程通常使用高級(jí)語(yǔ)言完成，ControlSUITE支持雙核調(diào)試功能。有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)?jiān)?a href="http://m.makelele.cn/tags/digi-key/" target="_blank">Digi-Key網(wǎng)站上查看ControlSUITE產(chǎn)品培訓(xùn)模塊。

控制任務(wù)消耗DSC

當(dāng)然，問(wèn)我們?yōu)槭裁葱枰哂袃蓚€(gè)內(nèi)核的MCU這一問(wèn)題是公平的。 MCU部分與通用微處理器部分非常不同。在后者中，多個(gè)同構(gòu)核既加速了多線程應(yīng)用，又提高了單個(gè)微處理器的聚合處理能力。

在MCU的情況下，應(yīng)用程序的實(shí)時(shí)控制環(huán)處理要求通常決定了處理器的選擇，并且這種控制環(huán)路通常不能分布在多個(gè)內(nèi)核上。多核MCU通常將以DSP為中心的核心專用于控制環(huán)路和通用核心系統(tǒng)管理任務(wù)。

當(dāng)然有許多已部署的示例，其中傳統(tǒng)DSC處理控制循環(huán)處理，同時(shí)還處理系統(tǒng)管理功能和通信接口。然而，TI表示，其C2000 DSC的大量用戶群將IC與通用MCU相結(jié)合。做出這個(gè)決定是因?yàn)橄到y(tǒng)管理任務(wù)會(huì)限制DSC可以處理實(shí)時(shí)控制的保真度。

讓我們考慮一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明需要兩個(gè)核心以及突出顯示其他一些Concerto功能。 Concerto MCU中的C28x內(nèi)核擅長(zhǎng)電機(jī)控制等任務(wù)。高分辨率PWM外設(shè)支持該應(yīng)用。同時(shí)，一些電機(jī)控制應(yīng)用還需要專門的通信，例如電力線調(diào)制解調(diào)器。 Cortex-M3 CPU可以處理高級(jí)通信功能，但需要C28x內(nèi)核來(lái)處理調(diào)制解調(diào)器功能。電機(jī)控制和調(diào)制解調(diào)器算法的結(jié)合將禁止C28x內(nèi)核充當(dāng)系統(tǒng)管理器。

Concerto中使用的C28x內(nèi)核包括一個(gè)稱為VCU（Viterbi數(shù)學(xué)復(fù)合單元）的硬件模塊，TI也在其他一些最近發(fā)布的C2000 MCU上提供了該模塊。圖3描繪了可能在電力線調(diào)制解調(diào)器中使用的維特比解碼鏈。在VCU上實(shí)現(xiàn)該算法導(dǎo)致的性能比使用C28x上的軟件實(shí)現(xiàn)可實(shí)現(xiàn)的性能高25倍。事實(shí)證明，雙核設(shè)計(jì)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)法在單核設(shè)備中實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用，還能夠支持以前可能需要更高端微處理器和DSP處理器組合的應(yīng)用。

圖3：對(duì)于以通信為中心的應(yīng)用，如電力線調(diào)制解調(diào)器，Concerto集成了VCU（Viterbi數(shù)學(xué)復(fù)合單元），以加速維特比解碼器等應(yīng)用。

確實(shí)，支持多核的MCU的不斷發(fā)展的功能將支持新的應(yīng)用類，并為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。電力線通信等應(yīng)用非常復(fù)雜。 TI通過(guò)DSP內(nèi)核庫(kù)和更高級(jí)別的應(yīng)用程序庫(kù)提供幫助。例如，該公司提供用于電機(jī)控制，數(shù)字電源控制，電力線通信和其他功能的應(yīng)用程序庫(kù)。

TI還提供了一種既定的方法，可以提供開(kāi)發(fā)工具和套件，使設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠輕松地嘗試新的基于C2000的MCU。該公司為C2000系列中的每個(gè)MCU提供所謂的ControlCARD。 ControlCARD托管處理器，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化連接器訪問(wèn)所有MCU信號(hào)。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以使用ControlCARD連接器開(kāi)發(fā)單個(gè)應(yīng)用板，并評(píng)估目標(biāo)應(yīng)用中的許多C2000 MCU。 TI還提供結(jié)合了ControlCARD和通用基板的實(shí)驗(yàn)套件。對(duì)于協(xié)奏曲，TI提供TMDXCNCDH52C1 ControlCARD和TMDXDOCKH52C1實(shí)驗(yàn)套件。

結(jié)論

下次遇到性能密集型設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)時(shí)，請(qǐng)確保考慮集成多個(gè)內(nèi)核的MCU的新興趨勢(shì)。正如摩爾定律推動(dòng)微處理器部門采用混合均勻和異構(gòu)核心的產(chǎn)品一樣，這一趨勢(shì)肯定會(huì)升級(jí)。在MCU領(lǐng)域，您可以期待專注于針對(duì)應(yīng)用程序特定元素的內(nèi)核的設(shè)計(jì)。對(duì)于TI和NXP，您將獲得一個(gè)RISC核心，它擅長(zhǎng)作為系統(tǒng)管理器和以DSP為中心的核心來(lái)處理粒度控制環(huán)路和實(shí)時(shí)響應(yīng)。編程此類設(shè)備可能比您最初預(yù)期的要簡(jiǎn)單。