MCU 解決工業(yè)自動化和 IIoT 挑戰(zhàn)

工業(yè)自動化和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IIoT） 設計人員的性能要求不斷變化。他們的愿望清單包括具有更快處理速度、更多內(nèi)存、改進連接性和更多安全功能的微控制器 （MCU）。MCU 制造商正在傾聽，其結果是一種新型微控制器，可為設計人員提供性能、安全性和成本之間的平衡。

“隨著工業(yè)自動化市場向工業(yè) 4.0 或 IIoT 邁進，更多互連的傳感器、儀器和其他設備聯(lián)網(wǎng)在一起，用于數(shù)據(jù)收集和分析，以提高制造工廠的生產(chǎn)力和效率。因此，對網(wǎng)絡中更多連接功能的要求越來越高，”瑞薩電子物聯(lián)網(wǎng)平臺業(yè)務部總監(jiān) Mamoru Sakugawa 表示。“由于傳感器/網(wǎng)絡的不同要求和針對不同方面的目標，使用了不同的通信協(xié)議（即 EtherNet/IP、PROFINET 等），目前市場上沒有一個占主導地位的協(xié)議?！?/p>

“這推動了對更高處理能力的需求，以無縫地互連所有設備，而不會出現(xiàn)通信延遲。隨著網(wǎng)絡中更多的通信，對網(wǎng)絡更高安全性的要求也變得越來越重要，”他補充道。“這一切將再次推動系統(tǒng)內(nèi)對更多嵌入式存儲器和 SRAM 的需求?！?/p>

IIoT 也在圍繞測量和控制提出自己的一套獨特要求，同時需要在性能和成本之間取得平衡。

“物聯(lián)網(wǎng)繼續(xù)變得越來越普遍，無論是作為數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)還是作為流行語。在工業(yè)環(huán)境中，隨著越來越多的分布式節(jié)點具有不同程度的自主權來測量和控制部分流程，物聯(lián)網(wǎng)的增長是顯而易見的，”Microchip Technology MCU8 業(yè)務部醫(yī)療產(chǎn)品高級經(jīng)理 Steve Kennelly 說?！俺送ㄟ^一種或多種協(xié)議進行通信的能力之外，這些節(jié)點還需要達到經(jīng)濟上合適的獨立實時控制能力水平?！?/p>

Kennelly 表示，成功的實施必須平衡性能，這通常被實現(xiàn)為具有最小延遲的確定性響應，并且成本需要足夠低以實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)所暗示的擴展。“新的微控制器通過將外圍設備重新定義為易于配置的硬件模塊，正在改變 CPU 內(nèi)核和外圍設備之間的關系。這允許非常具有成本效益的平臺可以在比 CPU 指令周期更短的時間內(nèi)對輸入做出反應?！?/p>

Kennelly 表示，Microchip 的 AVR DA 系列 MCU 是改變 IIoT 應用成本和性能平衡的新型 MCU 的一個例子。“它將流行的 8 位 AVR 微控制器內(nèi)核與獨立于內(nèi)核的外圍設備相結合，在軟件配置后可以自主運行。

“事件系統(tǒng)連接多個外圍設備，因此其中一個外圍設備的變化可以觸發(fā)其他外圍設備的操作，而無需 CPU 干預，”他說?！斑@允許創(chuàng)建完全確定的功能塊，并且比執(zhí)行代碼更快。使用圖形工具可以輕松創(chuàng)建任意信號生成、模擬信號過濾、自定義通信協(xié)議等功能?！?/p>

Kennelly 表示，可以使用 AVR DA MCU 在單芯片設計中實現(xiàn)小型節(jié)點，例如收集數(shù)據(jù)并通過網(wǎng)絡發(fā)送周期性數(shù)據(jù)包的智能傳感器?！霸诟鼜碗s的系統(tǒng)中，例如每個節(jié)點都是小型 Linux 計算機，AVR DA 可以專用于需要快速、確定性響應的某些功能?！?/p>

A VR DA 系列 MCU也是 Microchip 的第一個功能安全就緒的 AVR MCU 系列，帶有外圍觸摸控制器 （PTC），支持實時控制、連接和人機界面 （HMI） 應用。Microchip 的功能安全就緒標識適用于集成了最新安全功能的設備，并得到安全手冊、故障模式、影響和診斷分析 （FMEDA） 報告的支持，在某些情況下，還包括診斷軟件。

“隨著功能安全在越來越多的工業(yè)應用中成為強制性要求，AVR DA 也是第一個推出市場的 AVR MCU，它擁有一套資源來支持多項標準的認證工作，”Kennelly 說。

AVR DA MCU 在整個電源電壓范圍內(nèi)實現(xiàn) 24 MHz 的 CPU 速度、高達 128 KB 閃存的存儲器密度、16 KB SRAM 和 512 字節(jié) EEPROM、12 位差分 ADC、10 位 DAC、模擬比較器和過零檢測器。PTC 支持電容式觸摸界面設計，支持按鈕、滑塊、滾輪、觸摸板、較小的觸摸屏以及各種消費和工業(yè)產(chǎn)品和車輛的手勢控制。它支持多達 46 個自電容和 529 個互電容觸摸通道，并采用最新一代 PTC 和 Driven Shield+ 和升壓模式技術，提供增強的抗噪性、防水性、觸摸靈敏度和響應時間。

安全事項

雖然性能是選擇 MCU 的一個重要因素，但設備安全性已成為工業(yè) OEM 設計人員的一個大問題。

“要擁有真正安全的處理器平臺，處理器不僅必須保護 IP 不受芯片級別的影響，而且還必須能夠確保在物聯(lián)網(wǎng)設備的整個生命周期中免受威脅，”Sakugawa 說。“簡而言之，它必須在物聯(lián)網(wǎng)設備生命周期的不同階段進行管理，稱為設備生命周期管理 （DLM），從設計到制造、上市、現(xiàn)場固件升級到產(chǎn)品生命周期結束。每個階段都需要實施安全措施，以確保信息不泄露?！?/p>

在設備安全方面，硅是第一道防線嗎？“第一層總是必須來自系統(tǒng)實施，即物聯(lián)網(wǎng)設備本身，”Sakugawa 說?！叭绻到y(tǒng)沒有正確實施，那么它就會受到易受攻擊的威脅和對芯片級的潛在威脅，這應該是最后一道防線。因此，安全實施不僅僅是硅級實施。”

Maxim Integrated 微型、安全和軟件業(yè)務部執(zhí)行董事 Kris Ardis 表示，第一道防線必須來自意識。

“第一道防線是了解應用程序可能遇到的威脅，”Ardis 說。“雖然我堅信安全應該從芯片開始，作為任何嵌入式應用程序的信任根，但如果實施者不考慮威脅并無意中打開后門，即使是我最安全的微控制器也無濟于事。

“雖然由于我們提供金融和政府級安全解決方案的背景，Maxim Integrated 一直在推廣高度安全的解決方案，但直到最近幾年像 Mirai 和 Stuxnet 這樣廣為人知的攻擊，我們才開始看到我們的客戶，”Ardis 說?！拔覀儗⒔?jīng)過驗證的加密引擎、安全引導加載技術和高質(zhì)量隨機數(shù)生成器集成到我們用于工業(yè)和醫(yī)療市場的大多數(shù)微型計算機中。

“物聯(lián)網(wǎng)確實暗示了不受限制的分布式設備——這使得它們對攻擊者更具吸引力。進行成功的攻擊總是與風險有關——如果設備很容易被盜，那么攻擊者獲得物理訪問的風險就很小，”Ardis 說。

“這意味著我們需要更加關注攻擊者執(zhí)行提取代碼或密鑰信息等操作的能力，”他補充說。“在更高價值的應用程序中，如果應用程序感應到有人試圖闖入它，我們甚至可能會看到采用主動篡改檢測技術來擦除敏感信息?！?/p>

但一流的安全功能將取決于應用程序。“金融終端領域的產(chǎn)品提供了非常先進的安全功能——低功耗、始終在線的傳感器監(jiān)控多種攻擊。PUF ［Maxim Integrated 提供了一種稱為 ChipDNA 的物理不可克隆功能 （PUF） 的實現(xiàn)］ 等其他技術有助于在沒有電池的情況下提供卓越的密鑰保護，”Ardis 說。

Ardis 表示，這些技術確實會產(chǎn)生成本，但還有許多其他技術可以幫助抵御各種攻擊者?！傲己玫陌踩珕臃椒梢源鞌≡S多攻擊者，并保護您的 IP 免受更改或發(fā)現(xiàn)?！?/p>

性能+安全

Maxim Integrated 最近還開始在其微控制器中引入糾錯碼 （ECC） 技術以提高可靠性?！半S著我們的嵌入式微控制器在工藝技術上的下降，存儲器（尤其是 SRAM）更容易受到能量粒子的干擾。有效使用 ECC 可以將失敗率從每幾個月 1 位失敗降低到每世紀 1 次失敗，”Ardis 說。

“我們還看到了對功能更強大的微控制器的推動——更多的內(nèi)存意味著可以在邊緣做出更復雜的決策，從而減少對無線或有線通信的需求，無線或有線通信在許多環(huán)境中已經(jīng)受到容量限制，并且總是比制造當?shù)氐臎Q定，”他說。

Maxim Integrated 的MAX32670 低功耗 Arm Cortex-M4 MCU 就是一個兼具性能和安全性的示例。MCU 包括受 ECC 保護的內(nèi)存、安全引導加載程序和加密支持，可幫助物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)應用在惡劣環(huán)境和極端功率限制下實現(xiàn)較長的使用壽命。

除了集成的 ECC 保護存儲器外，MAX32670 還具有低功耗和小尺寸，可節(jié)省 40% 的功耗和 50% 的空間。Microchip 表示，該 MCU 專為工業(yè)、醫(yī)療保健和物聯(lián)網(wǎng)傳感器應用而設計，僅提供 40 μW/MHz 的有功功耗，使其成為電池供電傳感器應用的最低功耗解決方案，并且比最接近的產(chǎn)品小 50%競爭對手，采用超小型 1.8 × 2.6-mm WLP 和 5 × 5-mm TQFN 封裝。

MAX32670 通過 ECC 保護整個內(nèi)存占用空間（384 kB 閃存和 128 kB SRAM），以防止位翻轉并提高可靠性?！半S著微控制器縮小到 40 nm 及以下，位翻轉成為一個關鍵的可靠性問題，”Ardis 說?！敖柚?ECC，硬件可以檢測和糾正單位錯誤，從而使位翻轉錯誤很難對應用程序產(chǎn)生負面影響?！?/p>

另一個兼顧功能與安全性的 MCU 系列是瑞薩電子的 32 位RX72N和RX66N MCU。針對工業(yè)自動化應用，MCU 將設備控制和網(wǎng)絡功能結合在一個芯片上，同時進行功能改進和安全特性。

Sakugawa 表示，對于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)自動化，瑞薩著眼于三個領域——實時性能、多功能與工業(yè)設備小型化相結合，以及工業(yè)網(wǎng)絡支持。

在工業(yè)設備市場，性能和功能的改進導致程序代碼量更大。因此，內(nèi)存存儲容量和讀取速度在決定實時性能方面發(fā)揮著關鍵作用，”他說。

“近年來，大多數(shù)工業(yè)自動化產(chǎn)品都連接到網(wǎng)絡并安裝了許多功能，如液晶面板。然而，在許多情況下，需要額外的 MCU 和內(nèi)存來支持網(wǎng)絡連接或額外功能，而不會犧牲關鍵特性，”他說。

“另一方面，設備需要小型化，相互矛盾的需求正在成為設計新設備的挑戰(zhàn)。對于單芯片上的處理器而言，通過具有更高性能的多任務處理器、更高的嵌入式存儲器、I/O 引腳和其他關鍵外圍功能來實現(xiàn)它，從而最大限度地減少 BOM ［物料清單］ 非常重要?！?/p>

瑞薩 MCU 圍繞公司的 RXv3 CPU 內(nèi)核構建，頻率為 5.82CoreMark/MHz。RX72N 的最大工作頻率為 240 MHz，具有 1396CoreMark 和兩個以太網(wǎng)通道，而 RX66N 提供 120 MHz 的最大工作頻率，具有 698CoreMark 和一個以太網(wǎng)通道。

這些器件提供高達 4 MB 的片上閃存，以 120 MHz 的頻率執(zhí)行讀取操作，是業(yè)內(nèi)最快的，以及 1 MB 的片上 SRAM。這種片上存儲器消除了對讀取速度較慢的外部存儲器的需求，并且可以充分發(fā)揮 CPU 的性能。更大的內(nèi)存容量還可以在單個芯片上實現(xiàn)高分辨率圖形支持，例如 WVGA，這在早期的通用 MCU 上是不可能的。

“RX72N 和 RX66N 產(chǎn)品擁有業(yè)界最大的內(nèi)存容量，4 MB 閃存和 1 MB SRAM。這確保了為用戶應用程序以及先前存儲在外部閃存中的數(shù)據(jù)（例如 LCD 圖像數(shù)據(jù)）提供足夠的空間，”Sakugawa 說?！袄么罅?SRAM 并以兩層配置處理 LCD 圖像數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)流暢的顯示性能。

“這些產(chǎn)品還提供多達 224 個引腳的封裝。這使得無需外部存儲器或子 MCU 即可實現(xiàn)許多功能，從而比以前的產(chǎn)品具有更好的性能，同時還有助于減少組件數(shù)量、電路板尺寸和開發(fā)時間，”他加了。

MCU 可實現(xiàn)單片機設備控制和聯(lián)網(wǎng)功能，增強工業(yè)機器人、通用逆變器、可編程邏輯控制器 （PLC） 和遠程 I/O 設備等應用的實時性能。

這些設備還包含用于快速運動控制的硬件加速器。三角函數(shù)的算術單元（sin、cos、arctan、hypot；僅限 RX72N）加速電機矢量控制和減少中斷響應時間的寄存器組保存功能。這減少了閉環(huán)控制所需的 CPU 負載，并簡化了網(wǎng)絡功能等附加功能的實現(xiàn)。

MCU 還集成了 LCD 控制器、2D 繪圖引擎和串行聲音接口。它們可以支持高分辨率顯示器 — 8 位顏色的 WVGA （800 × 480） 或 16 位顏色的 WQVGA （400 × 240） — 無需外部存儲器。當與語音識別或降噪中間件結合使用時，它們還使客戶能夠為其產(chǎn)品添加語音控制功能，使其非常適合網(wǎng)絡連接的配備 LCD 的控制器或智能揚聲器等應用。

Sakugawa 表示，在解決安全方面的問題時，MCU 還配備了高安全性 IP——受信任的安全 IP （TSIP），它支持許多加密引擎和密鑰管理，以防止 MCU 被篡改和通過網(wǎng)絡入侵。

Trusted Secure IP 模塊作為安全引擎提供，以支持多種加密標準，包括 AES、3DES、RSA、ECC、SHA 和 TRNG，以及密鑰管理。結合片上閃存的保護功能，提供對安全固件更新和安全啟動功能的支持。

“在任何實施中，系統(tǒng)的安全性總是從其根源驅(qū)動，在這種情況下，系統(tǒng)的大腦存儲處理算法和重要數(shù)據(jù)。失去控制意味著失去對整個系統(tǒng)的控制。這就是為什么安全必須從芯片級別開始的原因。如果您的芯片容易受到威脅，您將完全失去對系統(tǒng)的控制，”Sakugawa 說。

“在 RX 可信安全 IP 中，有一個 128 位的唯一 ID 和 TRNG，允許在 TSIP 內(nèi)安全地生成和管理密鑰，”他補充說?！癟SIP 還通過了 NIST CAVP ［加密算法驗證程序］ 程序的認證，該程序是一種真正安全的算法，可實現(xiàn)芯片內(nèi)部的信任根?！?/p>

此外，IAR Systems 發(fā)布了其安全開發(fā)工具 C-Trust 和 Inception Suite 的新版本，擴展了對許多瑞薩 MCU 的設備支持，包括 RA 和 RX MCU 系列。支持現(xiàn)已擴展到 RX72N。

C-Trust 是 IAR Embedded Workbench 的擴展，使開發(fā)人員能夠保護現(xiàn)有或新的應用程序，而無需掌握安全復雜性。它提供針對 IP 盜竊、惡意軟件注入、偽造和過度生產(chǎn)的保護。

用于在嵌入式應用程序中實施和自定義安全性的 Inception 安全套件將 C-Trust 與其他安全開發(fā)工具和培訓相集成，以支持需要滿足立法要求的公司，例如加利福尼亞和俄勒岡州消費者法、ETSI TS 103 645 標準，以及IEC 62443 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)安全標準。

另一個滿足物聯(lián)網(wǎng)安全需求和高性能要求的 MCU 是 STMicroelectronics 超低功耗STM32L5x2 MCU，可更好地保護物聯(lián)網(wǎng)連接應用。這些控制器提供基于 Arm TrustZone 技術的專有安全性（并且是 PSA 認證的 2 級），以及安全啟動、完全硬件隔離和加密加速器。

STM32L5 MCU 的安全基礎以 110 MHz 的時鐘頻率運行，從 Arm TrustZone 基于硬件的安全性開始。ST 表示，設計人員可以將閃存或 SRAM 的每個 I/O、外設或區(qū)域納入或排除在 TrustZone 保護范圍內(nèi)，這樣可以完全隔離敏感工作負載以實現(xiàn)最大安全性。

該公司表示，它設計了 TrustZone，以確保支持安全啟動、集成 SRAM 和閃存的特殊讀寫保護以及加密加速，包括 AES 128/256 位密鑰硬件加速、公鑰加速 （PKA） 和AES-128 On-The-Fly Decryption （OTFDEC），用于保護外部代碼或數(shù)據(jù)。STM32L5 還支持主動篡改檢測和安全固件安裝。

該公司還為設計人員提供用于物聯(lián)網(wǎng)設計的綜合全面的網(wǎng)絡保護資源工具集，稱為 STM32Trust。工具、評估參考資料和源代碼可以免費下載。

ST 并沒有忽視物聯(lián)網(wǎng)應用對降低功耗的需求。STM32L5 結合了自適應電壓調(diào)節(jié)、實時加速、電源門控和多種低功耗工作模式等技術，使 MCU 能夠提供高性能和長運行時間，無論是由紐扣電池供電還是通過能量收集供電。此外，當 VDD 電壓足夠高時，一個高效的開關模式降壓穩(wěn)壓器可以即時上電或斷電，以提高低功耗性能。

此外，STM32L5x2 MCU 提供 512 KB 雙存儲區(qū)閃存，允許讀寫操作以幫助設備管理，并支持帶有診斷功能的 ECC。還有一個 256 KB SRAM 和支持高速外部存儲器的功能，包括單、雙、四或八線 SPI 和 Hyperbus 閃存或 SRAM，以及用于 SRAM、PSRAM、NOR、NAND 或 FRAM 的接口。