【導讀】嵌入式系統正以越來(lái)越快的速度繼續其技術(shù)演進(jìn)；我們家庭、車(chē)輛和工作場(chǎng)所中的設備功能正在突飛猛進(jìn)地發(fā)展。這一進(jìn)步的一個(gè)關(guān)鍵驅動(dòng)因素是，即使是最小的電子設備也能夠連接到我們的現代網(wǎng)絡(luò )基礎設施。Wi-Fi?、藍牙?和其他連接選項使得現場(chǎng)更新和維護變得更加容易，同時(shí)增加了人工智能和機器學(xué)習算法的優(yōu)勢。這種增加的連接性有效地使這些設備成為物聯(lián)網(wǎng)邊緣節點(diǎn)—— 但這帶來(lái)了處理需求增加和內存子系統增大的代價(jià)。
互聯(lián)網(wǎng)連接推動(dòng)處理需求
嵌入式系統正以越來(lái)越快的速度繼續其技術(shù)演進(jìn)；我們家庭、車(chē)輛和工作場(chǎng)所中的設備功能正在突飛猛進(jìn)地發(fā)展。這一進(jìn)步的一個(gè)關(guān)鍵驅動(dòng)因素是，即使是最小的電子設備也能夠連接到我們的現代網(wǎng)絡(luò )基礎設施。Wi-Fi?、藍牙?和其他連接選項使得現場(chǎng)更新和維護變得更加容易，同時(shí)增加了人工智能和機器學(xué)習算法的優(yōu)勢。這種增加的連接性有效地使這些設備成為物聯(lián)網(wǎng)邊緣節點(diǎn)—— 但這帶來(lái)了處理需求增加和內存子系統增大的代價(jià)。
系統挑戰
大多數嵌入式系統還“連接”到其直接環(huán)境——也就是說(shuō)，它們提供了某種類(lèi)型的環(huán)境傳感、機械驅動(dòng)或人機界面的功能。例如，智能恒溫器除了配備一系列按鈕或電容傳感器用于人機輸入外，還連接到本地溫度和濕度傳感器網(wǎng)絡(luò )。大多數嵌入式系統都與它們所處的環(huán)境“連接” ——也就是說(shuō)，它們具備某種環(huán)境感知、機械控制或人機交互的功能。舉個(gè)例子，智能恒溫器除了配備按鈕或觸摸傳感器用于人機交互外，還連接到一個(gè)本地的溫度和濕度傳感器網(wǎng)絡(luò )。再比如，聯(lián)網(wǎng)的烹飪設備的主要目標是理解你對食物溫度的期望，并將其轉化為精確的熱量控制。這些以“模擬”信號為主的系統，正逐漸進(jìn)入快節奏的云通信世界，這就帶來(lái)了一個(gè)難題：你是為模擬世界的緩慢輸入設計系統，還是為了提
升速度和整體功能而犧牲模擬信號的精確度？為了更深入地理解這個(gè)問(wèn)題，我們可以看一個(gè)常見(jiàn)且簡(jiǎn)單的例子——物聯(lián)網(wǎng)邊緣傳感器節點(diǎn)。
模擬子系統
物聯(lián)網(wǎng)邊緣傳感器節點(diǎn)需要一些模擬子系統來(lái)測量和監控環(huán)境條件，例如溫度、濕度、運動(dòng)等。模擬子系統通常包括一個(gè)單片機（MCU），用于讀取傳感器數據，進(jìn)行某種形式的處理，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信。通常情況下，環(huán)境數據變化較為緩慢，因此大多數邊緣節點(diǎn)不需要處理連續、不間斷的數據流。由于邊緣節點(diǎn)通常依靠小型電池運行數年，它們大部分時(shí)間處于低功耗的“休眠”模式，僅定期喚醒以檢測環(huán)境變化。在喚醒期間，節點(diǎn)會(huì )收集數據并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸。之后，它會(huì )再次進(jìn)入休眠狀態(tài)，直到需要進(jìn)行下一次測量。在我們這個(gè)高度互聯(lián)的世界中，隨著(zhù)邊緣節點(diǎn)數量和收集數據的增加，電源效率和低功耗運行成為延長(cháng)模擬子系統電池壽命的關(guān)鍵設計考慮因素。
嵌入式系統的分段設計
為了實(shí)現高效的嵌入式系統，通常需要將系統劃分為不同的“速度域”，并通過(guò)橋接器將快速主處理器與模擬子系統連接起來(lái)。這種分區設計可以讓模擬子系統專(zhuān)注于處理變化較慢的任務(wù)，而快速主處理器則負責處理那些需要高速運算的復雜任務(wù)。這樣一來(lái)，每種處理器都能發(fā)揮其最大的優(yōu)勢。隨著(zhù)越來(lái)越多的設備需要聯(lián)網(wǎng)，I3C?成為了下一代串行通信接口，專(zhuān)門(mén)用于支持高速芯片之間的通信。作為I2C的升級版，I3C不僅速度更快，還具備更智能的接口和更強大的控制功能。重要的是，I3C仍然兼容現有的I2C器件，這使得它能夠輕松集成到現有的硬件平臺中。此外，I2C器件可以與運行在12.5 MHz的I3C控制器共存，這意味著(zhù)現有的I2C總線(xiàn)設計可以逐步過(guò)渡到I3C標準。舉個(gè)例子，一個(gè)支持I3C和傳統通信接口（如I2C、SPI或UART）的單片機可以作為橋接設備。這個(gè)橋接器通過(guò)單片機將快速處理器與傳感器連接起來(lái)。單片機負責讀取傳感器的數據，進(jìn)行計算，并將結果高效地傳輸出去。這種設計不僅保持了I3C總線(xiàn)的高速性能，還能通過(guò)單片機實(shí)現I3C控制器與I2C/SPI器件之間的通信。通過(guò)將嵌入式系統進(jìn)行合理的分區設計，并利用I3C接口，可以更高效、更穩定地實(shí)現系統設計。
PIC18-Q20 MCU
Microchip推出了PIC18-Q20產(chǎn)品系列，專(zhuān)門(mén)為現代分布式處理器嵌入式系統設計。這些單片機（MCU）提供了先進(jìn)的串行通信接口，包括多達兩個(gè)I3C外設，能夠高速連接到多個(gè)總線(xiàn)，極大地增強了系統的靈活性。此外，它們還內置了傳統的通信協(xié)議，如UART、SPI、I2C和SMBus，可以作為橋接設備無(wú)縫集成到系統中，并將I2C/SPI設備與純I3C總線(xiàn)隔離開(kāi)來(lái)。這種設計不僅保持了I3C總線(xiàn)的高速性能，還能通過(guò)單片機實(shí)現I3C控制器與I2C/SPI器件之間的通信。PIC18-Q20還支持多個(gè)電壓域，這意味著(zhù)它可以輕松連接不同工作電壓的組件，從而省去了電平轉換器的需求，降低了材料成本并簡(jiǎn)化了系統設計。此外，PIC18-Q20單片機集成了片上獨立于內核的外設（CIP），這些外設可以在不需要CPU持續干預的情況下獨立運行，并直接與其他外設通信。這些基于硬件的功能模塊功耗極低，幾乎不需要編寫(xiě)代碼，并且占用更少的RAM和閃存資源，卻能實(shí)現與軟件相同的功能。此外，單個(gè)MCU可以同時(shí)啟用多個(gè)功能模塊。設計人員可以通過(guò)MPLAB?代碼配置器（MCC）——一個(gè)簡(jiǎn)單的圖形用戶(hù)界面（GUI）工具——輕松定制包括I3C外設在內的CIP組合，生成應用程序代碼，而無(wú)需深入研究數據手冊。通過(guò)使用CIP，工程師可以將每個(gè)系統任務(wù)進(jìn)行分區管理，從而簡(jiǎn)化功能實(shí)現，減少組件數量、代碼量、開(kāi)發(fā)時(shí)間和功耗。
結論
在我們這個(gè)快速變化的世界中，技術(shù)的進(jìn)步要求設備具備更快的處理速度、更高效的連接性以及更小的體積。雖然現代電子設備越來(lái)越多地與外部世界連接，但在這些互聯(lián)系統中，仍然需要小型化且節能的模擬子系統來(lái)感知和測量“現實(shí)世界”的數據。由于環(huán)境數據的變化通常比較緩慢，設計時(shí)需要在速度和精度之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)。
為了實(shí)現高效的嵌入式系統，通常需要將系統劃分為不同的“速度域”，并通過(guò)橋接器將快速處理器與模擬子系統連接起來(lái)。隨著(zhù)I3C逐漸成為高速芯片間通信的主流接口，工程師們需要選擇能夠全面支持高性能數字處理需求的高級單片機（MCU），同時(shí)還要確保這些MCU在下一代設計中保持對模擬信號的高精度處理能力。
（Microchip Technology Inc.，負責MCU業(yè)務(wù)部的公司副總裁Greg Robinson）
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