【導讀】嵌入式系統(tǒng)正以越來越快的速度繼續(xù)其技術演進；我們家庭、車輛和工作場所中的設備功能正在突飛猛進地發(fā)展。這一進步的一個關鍵驅(qū)動因素是，即使是最小的電子設備也能夠連接到我們的現(xiàn)代網(wǎng)絡基礎設施。Wi-Fi?、藍牙?和其他連接選項使得現(xiàn)場更新和維護變得更加容易，同時增加了人工智能和機器學習算法的優(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(jié)點—— 但這帶來了處理需求增加和內(nèi)存子系統(tǒng)增大的代價。
互聯(lián)網(wǎng)連接推動處理需求
嵌入式系統(tǒng)正以越來越快的速度繼續(xù)其技術演進；我們家庭、車輛和工作場所中的設備功能正在突飛猛進地發(fā)展。這一進步的一個關鍵驅(qū)動因素是，即使是最小的電子設備也能夠連接到我們的現(xiàn)代網(wǎng)絡基礎設施。Wi-Fi?、藍牙?和其他連接選項使得現(xiàn)場更新和維護變得更加容易，同時增加了人工智能和機器學習算法的優(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(jié)點—— 但這帶來了處理需求增加和內(nèi)存子系統(tǒng)增大的代價。
系統(tǒng)挑戰(zhàn)
大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還“連接”到其直接環(huán)境——也就是說，它們提供了某種類型的環(huán)境傳感、機械驅(qū)動或人機界面的功能。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。大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都與它們所處的環(huán)境“連接” ——也就是說，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，還連接到一個本地的溫度和濕度傳感器網(wǎng)絡。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(zhuǎn)化為精確的熱量控制。這些以“模擬”信號為主的系統(tǒng)，正逐漸進入快節(jié)奏的云通信世界，這就帶來了一個難題：你是為模擬世界的緩慢輸入設計系統(tǒng)，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問題，我們可以看一個常見且簡單的例子——物聯(lián)網(wǎng)邊緣傳感器節(jié)點。
模擬子系統(tǒng)
物聯(lián)網(wǎng)邊緣傳感器節(jié)點需要一些模擬子系統(tǒng)來測量和監(jiān)控環(huán)境條件，例如溫度、濕度、運動等。模擬子系統(tǒng)通常包括一個單片機（MCU），用于讀取傳感器數(shù)據(jù)，進行某種形式的處理，并通過網(wǎng)絡進行通信。通常情況下，環(huán)境數(shù)據(jù)變化較為緩慢，因此大多數(shù)邊緣節(jié)點不需要處理連續(xù)、不間斷的數(shù)據(jù)流。由于邊緣節(jié)點通常依靠小型電池運行數(shù)年，它們大部分時間處于低功耗的“休眠”模式，僅定期喚醒以檢測環(huán)境變化。在喚醒期間，節(jié)點會收集數(shù)據(jù)并通過網(wǎng)絡傳輸。之后，它會再次進入休眠狀態(tài)，直到需要進行下一次測量。在我們這個高度互聯(lián)的世界中，隨著邊緣節(jié)點數(shù)量和收集數(shù)據(jù)的增加，電源效率和低功耗運行成為延長模擬子系統(tǒng)電池壽命的關鍵設計考慮因素。
嵌入式系統(tǒng)的分段設計
為了實現(xiàn)高效的嵌入式系統(tǒng)，通常需要將系統(tǒng)劃分為不同的“速度域”，并通過橋接器將快速主處理器與模擬子系統(tǒng)連接起來。這種分區(qū)設計可以讓模擬子系統(tǒng)專注于處理變化較慢的任務，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。這樣一來，每種處理器都能發(fā)揮其最大的優(yōu)勢。隨著越來越多的設備需要聯(lián)網(wǎng)，I3C?成為了下一代串行通信接口，專門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(xiàn)有的I2C器件，這使得它能夠輕松集成到現(xiàn)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，這意味著現(xiàn)有的I2C總線設計可以逐步過渡到I3C標準。舉個例子，一個支持I3C和傳統(tǒng)通信接口（如I2C、SPI或UART）的單片機可以作為橋接設備。這個橋接器通過單片機將快速處理器與傳感器連接起來。單片機負責讀取傳感器的數(shù)據(jù)，進行計算，并將結果高效地傳輸出去。這種設計不僅保持了I3C總線的高速性能，還能通過單片機實現(xiàn)I3C控制器與I2C/SPI器件之間的通信。通過將嵌入式系統(tǒng)進行合理的分區(qū)設計，并利用I3C接口，可以更高效、更穩(wěn)定地實現(xiàn)系統(tǒng)設計。
PIC18-Q20 MCU
Microchip推出了PIC18-Q20產(chǎn)品系列，專門為現(xiàn)代分布式處理器嵌入式系統(tǒng)設計。這些單片機（MCU）提供了先進的串行通信接口，包括多達兩個I3C外設，能夠高速連接到多個總線，極大地增強了系統(tǒng)的靈活性。此外，它們還內(nèi)置了傳統(tǒng)的通信協(xié)議，如UART、SPI、I2C和SMBus，可以作為橋接設備無縫集成到系統(tǒng)中，并將I2C/SPI設備與純I3C總線隔離開來。這種設計不僅保持了I3C總線的高速性能，還能通過單片機實現(xiàn)I3C控制器與I2C/SPI器件之間的通信。PIC18-Q20還支持多個電壓域，這意味著它可以輕松連接不同工作電壓的組件，從而省去了電平轉(zhuǎn)換器的需求，降低了材料成本并簡化了系統(tǒng)設計。此外，PIC18-Q20單片機集成了片上獨立于內(nèi)核的外設（CIP），這些外設可以在不需要CPU持續(xù)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，幾乎不需要編寫代碼，并且占用更少的RAM和閃存資源，卻能實現(xiàn)與軟件相同的功能。此外，單個MCU可以同時啟用多個功能模塊。設計人員可以通過MPLAB?代碼配置器（MCC）——一個簡單的圖形用戶界面（GUI）工具——輕松定制包括I3C外設在內(nèi)的CIP組合，生成應用程序代碼，而無需深入研究數(shù)據(jù)手冊。通過使用CIP，工程師可以將每個系統(tǒng)任務進行分區(qū)管理，從而簡化功能實現(xiàn)，減少組件數(shù)量、代碼量、開發(fā)時間和功耗。
結論
在我們這個快速變化的世界中，技術的進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(xiàn)代電子設備越來越多地與外部世界連接，但在這些互聯(lián)系統(tǒng)中，仍然需要小型化且節(jié)能的模擬子系統(tǒng)來感知和測量“現(xiàn)實世界”的數(shù)據(jù)。由于環(huán)境數(shù)據(jù)的變化通常比較緩慢，設計時需要在速度和精度之間找到一個平衡點。
為了實現(xiàn)高效的嵌入式系統(tǒng)，通常需要將系統(tǒng)劃分為不同的“速度域”，并通過橋接器將快速處理器與模擬子系統(tǒng)連接起來。隨著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(shù)字處理需求的高級單片機（MCU），同時還要確保這些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)務部的公司副總裁Greg Robinson）
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