想要在物聯網（IoT）市場占據一席之地，原始設備制造商（OEM）必須加快創新的步伐 。 物聯網的應用讓一切變得無限可能，成功的企業會敦促其開發人員不斷拓展和采取新的、更實用的方法來發揮傳感器的功能，監測不同類型的數據，掌控整個設備的生態系統 。
物聯網應用覆蓋廣泛，包括可穿戴設備、汽車、住宅、工業、乃至城市等眾多領域 。 這些應用需要更加高效節能的、創新的、安全的體系作為支持 。 應用程序十分重要，旨在實現軟件開發的直觀性和易用性 。
微控制器（MCU）作為物聯網產品的核心，選擇合適的 MCU 是滿足客戶當前和未來需求的關鍵 。 本文將探討當今不斷增強的嵌入式 MCU 的豐富功能，MCU 在加速設計的同時還可實現創新應用 。 在第一部分，我們會介紹到先進的工藝技術、低功耗設計技術、多核系統的功耗問題、多核間的通訊、串行存儲器接口以及系統安全性 。
物聯網市場（增長最快的引擎）：
物聯網技術不斷改變我們的日常工作和生活方式，使我們的生活更加經濟、便捷、舒適和智能化 。 物聯網市場可以大致分為兩大類：消費型物聯網和企業物聯網 。
消費型物聯網包括住宅、生活方式、健康和出行 。 個人用戶可以通過這些物聯網設備產品提高其生產力、安全性和生活質量 。 從智能住宅到聯網汽車，消費者市場正在為下一波浪潮做好準備 。
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【盛世樂居：展現八大智能系統智能解決方案】圖1：消費型物聯網市場細分
企業物聯網的覆蓋范圍巨大，包括零售、醫療、能源、出行、城市、制造業和公共服務 。 企業物聯網細分市場會改變組織和社區，從而創造一個實現經濟增長的新時代 。 物聯網通過連接數據、人員和機器來提高生產力、生產效率以及日常運營水平 。 企業物聯網也可以作為幫助企業識別未開發領域新增長機會的工具 。
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圖2：企業物聯網市場細分
工藝技術（尺寸 — 十分重要）：制造 MCU 的工藝技術對于其本身的性能、低功耗和成本而言至關重要 。 物聯網應用需要高效的有源功耗和低功耗模式消耗來提高系統的整體功效 。 隨著制造技術的不斷進步，促使硅核心面積不斷縮小 。 同一塊硅片上可以制造出更多的 MCU，從而降低了芯片的整體成本，性能和功耗也因此直接受到影響 。 尺寸的縮小減少了開啟／關閉每個晶體管所需的電流，同時保證了時鐘頻率不變 。 因此，更小的芯片意味著具備更高的的最大時鐘頻率，可以在較低的功耗下實現更高的性能 。
例如，用于制造賽普拉斯半導體 PSoC 6 BLE 系列 MCU 的 40 納米工藝技術，為各種物聯網應用提供了高性能，且高效節能的解決方案 。 深度睡眠時的電流僅為幾微安，且能夠完全保留RAM數據 。 運行、睡眠、低功耗運行和低功耗睡眠等其他功耗模式，助力開發人員能夠在靈活地優化系統功耗的同時根據需求保持應用的高性能 。
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圖3：用于物聯網應用的低功耗 MCU 框圖
功率（至關重要）：設計物聯網設備時所面臨的一大挑戰是高能耗 。 大多數物聯網設備處于實時在線、小體積，這意味著自身電池容量非常有限 。 MCU 供應商在優化其在物聯網應用時需要考慮諸多因素，比如：
改進工藝技術
提供高度靈活的功耗模式
實現功耗優化過的硬件 IP 模塊
更高的集成度以減少組件數量
優化閃存頻率
啟用高速緩存
支持更大范圍的工作電壓
然而，在工藝技術縮小體積、提高性能、改進功耗和集成度的同時，也出現了電流泄漏的管理問題，尤其是在低功耗模式下 。 為了應對電流泄漏問題的挑戰，MCU 供應商采用了特殊的晶體管工藝技術，如多柵器件、高壓晶體管／邏輯／電路、專門設計的存儲單元以及其多方面的技術 。
靈活的功耗模式能夠促使開發人員安排獨立系統活動，從而優化整體功耗 。 提供多種可以在低功耗模式下運行且可以在不喚醒 CPU 的情況下被喚醒執行其功能的外設，是這方面的關鍵技術 。 一些 MCU 還提供外圍設備，只能執行有限功能的特殊低功耗工作模式（例如較低的工作頻率和電壓）以進一步優化應用功耗，甚至可以設計優化功耗的特定外設，即BLE 無線電可以采用支持低功率無線通訊的設計 。
影響功耗的另一個因素是非易失性（NV）內存訪問，尤其是使用閃存（NV存儲器）存儲固件代碼的 MCU 。 閃存訪問的任何優化都會大大降低功耗，其目標是盡量減少閃存訪問的頻率 。 這里使用了兩種常用的技術，其中一種是提供一個高速緩沖存儲器 。 這樣，實際的代碼存儲器（閃存）就無需在每個執行周期都被訪問 。 另一種方法是增加一個周期內獲取的數據量，通過使用范圍更廣的閃存訪問降低閃存的訪問頻率 。
基于物聯網的 MCU 也可以提供靈活的電源系統 。 在支持寬電源電壓范圍的情況下，MCU 可以由多個電源供電 。 例如像健身跟蹤器這類簡單的物聯網應用，可以由紐扣電池來供電，而智能手表這類復雜的物聯網應用則需要由 PMIC （電源管理集成電路）供電 。 另外，一些 MCU 通過其內部的降壓轉換器來有效地調節自身電源 。
在考慮 MCU 的功耗模式時，超越其基本架構十分重要 。 例如，標準 ARM CPU 內核支持運行、睡眠和深度睡眠 。 附加功耗模式通常由特定的 MCU 供應商添加 。 例如，賽普拉斯的 PSoC 6 BLE MCU可執行包括，低功耗運行、低功耗睡眠和休眠狀態在內的六種工作功耗模式 。
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圖4：PSoC 6 BLE MCU 的功耗模式轉換示例
多處理器 MCU（加快并行應用程序任務的運行速度）：基于物聯網系統功能特性的增長，其復雜性也隨之增加，而實際尺寸則越來越小 。 MCU 制造商的目標是提高系統的性能，同時盡可能降低尺寸和減少功耗 。 多核 MCU 和片上系統（SoC）通過在單個芯片中集成更多功能和最大限度地減少芯片面積提供更高的性能 。 多核處理器是包含兩個或更多個獨立核心（或 CPU）的 MCU 或 SoC 。 這些內核通常集成在單個芯片上，它們也可以作為一個封裝中的多個芯片 。
多核 MCU 有助于提供高性能并保持小尺寸 。 可穿戴設備等典型的物聯網設計需要多個MCU，包括：一個用于無線通信的 BLE 控制器、用于執行用戶界面的 Touch MCU 和一個用來實現該應用程序運行的主要的 MCU 。 這三種 MCU 的功能可以由一個高度集成的多核 MCU 提供 。
多核 MCU 可帶來許多其他益處 。 例如，它可以集成足夠的資源使 CPU 能夠并行處理密集型任務，從而充分發揮多任務處理的效率 。 這也使開發人員可以有效地將系統事件分配給特定的內核，從而達到功耗和性能目標 。 再比如，在雙核可穿戴設計中，可以將需要較少 CPU 干預的周期性功能（例如無線廣播和觸摸感應）分配給一個內核 。 其他“頻繁接觸”的功能，如需要 CPU 頻繁干預的傳感器融合等，可以分配給另一個內核 。 當在系統中運行多個應用程序時，這種分區縮短了延遲時間 。 通過整合協議棧和程序存儲器的集成還可以提高效率 。
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圖5：物聯網多核 MCU 示例
圖6表示的是一個多核 MCU — 賽普拉斯 MCU PSoC 6 BLE 。 該雙核 MCU 具有兩個32位 ARM Cortex CPU — Cortex－M4 和 Cortex－M0＋ 。 這兩個 CPU 都是具備一個32位的數據路徑、寄存器和存儲器接口的32位處理器 。 Cortex－M4是專為實現短中斷響應時間、高代碼密度和高32位吞吐量同時保證嚴格的成本和功耗預算而設計的主 CPU 。 Cortex－M0＋ 作為輔助 CPU，用于提供網絡安全、物理安全和保護功能 。 Cortex CPU 執行 Thumb指令集的一個子集，并具有兩種被稱為線程模式和處理者模式的操作模式 。 這些 CPU 在退出復位并執行應用程序軟件時會進入線程模式 。 為了處理異常情況，CPU 會進入處理者模式 。 當所有異常處理完成后，CPU 返回到線程模式 。