實(shí)時(shí)控制MCU，開啟一輪鏖戰(zhàn)

最近幾年，國產(chǎn)廠商特別關(guān)注實(shí)時(shí)控制MCU這塊市場。相比競爭趨于白熱化的通用型國產(chǎn)MCU ，實(shí)時(shí)控制MCU/DSP如今已成為國產(chǎn)廠商重點(diǎn)突破的方向，市場供給持續(xù)活躍。

所以，實(shí)時(shí)控制MCU到底有啥不同，目前廠商開啟了怎樣的競爭？

實(shí)時(shí)控制MCU有啥不同？

首先，要明確的是實(shí)時(shí)控制MCU對(duì)于算法處理的需求，已經(jīng)超出了傳統(tǒng)MCU功能范疇，所以它本身是單獨(dú)的一類MCU。由于系統(tǒng)對(duì)時(shí)間要求很嚴(yán)格，因此在實(shí)時(shí)控制時(shí)，系統(tǒng)需具有原始數(shù)據(jù)處理能力，并能在要求的精確時(shí)間內(nèi)控制信號(hào)。

什么樣的MCU才能被稱作實(shí)時(shí)控制MCU？簡單而言，對(duì)特定類型的計(jì)算，算得“非常快的”。當(dāng)然，此處的“快速”是相對(duì)而言的，用于表示可能達(dá)到的最佳性能。

那實(shí)時(shí)控制MCU和通用MCU有什么不同？目前通用MCU，更多的是產(chǎn)品矩陣規(guī)模化，也就是通過存儲(chǔ)、引腳、主頻以及內(nèi)核等參數(shù)差異化，形成更多的SKU，覆蓋不同的場景。而實(shí)時(shí)控制 MCU 的核心競爭力在于實(shí)時(shí)性，也就是對(duì) “信號(hào)鏈環(huán)路” 的深度實(shí)時(shí)優(yōu)化，并不是單純依靠提升主頻就可以。

本質(zhì)上，實(shí)時(shí)控制MCU的核心競爭力在于對(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)用場景的深度理解。具體而言，信號(hào)鏈環(huán)路的實(shí)時(shí)性涵蓋了信號(hào)采集、中斷響應(yīng)、運(yùn)算處理、外設(shè)控制等多個(gè)方面，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的延遲短板都會(huì)導(dǎo)致整體性能下降。而通用MCU設(shè)計(jì)更側(cè)重標(biāo)準(zhǔn)化外設(shè)堆疊，很少針對(duì)這類專用場景進(jìn)行鏈路級(jí)優(yōu)化。這也是實(shí)時(shí)控制MCU需要專注技術(shù)積累的核心原因——有深度理解應(yīng)用場景的鏈路特性，才能實(shí)現(xiàn)從硬件到算法的全鏈條性能優(yōu)化，而這正是通用產(chǎn)品難以替代的壁壘所在。

其中，尤其是電機(jī)對(duì)于實(shí)時(shí)控制要求最為明顯，比如高速數(shù)控機(jī)床可以達(dá)到<5μm的精度，同時(shí)每分鐘旋轉(zhuǎn)超過20000次，想要實(shí)現(xiàn)這樣的效果意味著信號(hào)測量和系統(tǒng)調(diào)整之間的時(shí)間延遲通常在<1μs內(nèi)實(shí)現(xiàn)。由于高度時(shí)間敏感計(jì)算負(fù)擔(dān)，過去設(shè)計(jì)人員使用FPGA/CPLD快速外部模數(shù)轉(zhuǎn)換器+多個(gè)MCU的組合，而現(xiàn)在只要使用實(shí)時(shí)控制MCU就可以了。

實(shí)時(shí)控制MCU的特點(diǎn)

TI在白皮書中曾經(jīng)介紹過實(shí)時(shí)控制處理器的一些特性：

怎么評(píng)估一款實(shí)時(shí)控制MCU好不好？主要包括幾個(gè)點(diǎn)。

第一是信號(hào)鏈，它是CPU性能評(píng)估的重要組成部分。在實(shí)時(shí)控制場景中，閉環(huán)系統(tǒng)通過控制環(huán)路完成“數(shù)據(jù)采集-數(shù)據(jù)處理-定時(shí)更新”的完整流程。系統(tǒng)性能可通過信號(hào)鏈性能量化，信號(hào)鏈性能越高，閉環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行速度越快。實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的構(gòu)成包含三個(gè)核心環(huán)節(jié)：

• 采樣與反饋采集：需在精準(zhǔn)時(shí)刻，以高精度測量電壓、電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)位置、溫度等關(guān)鍵參數(shù)；

• 處理與控制：使用采樣信息將控制算法應(yīng)用于輸入數(shù)據(jù)并計(jì)算下一個(gè)輸出命令；

• 驅(qū)動(dòng)：將計(jì)算得出的輸出指令作用于系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)控制。例如，通過調(diào)整電力電子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中脈寬調(diào)制器（PWM）的占空比來完成驅(qū)動(dòng)。

實(shí)時(shí)控制的系統(tǒng)性能由多因素共同決定，不僅依賴CPU處理能力，還與外設(shè)訪問速度、中斷響應(yīng)速度直接相關(guān)，這些要素共同定義了實(shí)時(shí)信號(hào)鏈的概念。提升信號(hào)鏈性能可帶來明確收益：在電機(jī)控制應(yīng)用中，能提高直流總線利用率并拓寬電機(jī)運(yùn)行速度范圍；在數(shù)字電源應(yīng)用中，可提升控制環(huán)路頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)元件小型化與成本降低。

實(shí)時(shí)信號(hào)鏈組成：

第二是存儲(chǔ)器，包括非易失性存儲(chǔ)器NVM（比如閃存）、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、CACHE、緊耦合存儲(chǔ)器TCM。其中，直接存儲(chǔ)器存取 (DMA) 至關(guān)重要，它是使子系統(tǒng)或外設(shè)能夠在無CPU干預(yù)的情況下訪問RAM的功能，這一功能可以提高數(shù)據(jù)吞吐量并有助于更高效地使用中斷。

第三是中斷延遲，中斷是處理器對(duì)需要處理的事件作出的響應(yīng)，對(duì)實(shí)時(shí)控制MCU來說，延遲越低肯定越好。

第四是協(xié)處理器和加速器。為了讓計(jì)算更快，肯定不能什么任務(wù)都讓CPU去跑，畢竟加速器屬于術(shù)業(yè)有專攻，都是為了跑特定算法而定制的。比較常見的加速器包括：

• 三角數(shù)學(xué)單元：加速幾種特定的三角函數(shù)運(yùn)算，如正弦、余弦、反正切、除法和平方根；

• 加密單元：加速加密算法，如數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn) (DES) 對(duì)稱加密算法和高級(jí)加密系統(tǒng) (AES) 對(duì)稱加密算法；

• 浮點(diǎn)單元：提供浮點(diǎn)數(shù)學(xué)支持，可緩解調(diào)節(jié)和飽和問題；

• 復(fù)雜數(shù)學(xué)單元：加速加法、減法和乘法等數(shù)學(xué)運(yùn)算。

NPU和64位：實(shí)時(shí)控制MCU的升級(jí)路線

實(shí)時(shí)控制MCU是一個(gè)高穩(wěn)定增長的市場，同時(shí)也是一個(gè)應(yīng)用場景非常聚焦的市場。在這個(gè)領(lǐng)域中，TI的C2000一直是佼佼者。

C2000為什么實(shí)時(shí)控制能力這么強(qiáng)大？首先，系統(tǒng)需要對(duì)真實(shí)物理世界進(jìn)行精密的傳感，即控制論的輸入，通過ADC與采樣電路，將模擬信號(hào)采集并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。其次是處理單元，將各種電流、電壓、位置等信息進(jìn)行計(jì)算。之后是輸出執(zhí)行單元，通過PWM輸出至執(zhí)行結(jié)構(gòu)，另外還需要通信系統(tǒng)以對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行溝通，包括EtherCAT、以太網(wǎng)、CAN、串行通信等等。

馬達(dá)驅(qū)動(dòng)與數(shù)字電源變換是最為常見的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，這兩種應(yīng)用均要求處理器具備極高的實(shí)時(shí)性。C2000低延遲的互連技術(shù)，支持在單周期內(nèi)完成ADC讀取和PWM更新，這有助于提高實(shí)時(shí)信號(hào)鏈的性能。更好的信號(hào)鏈性能意味著在電機(jī)控制應(yīng)用中，可以提高直流總線的利用率和電機(jī)的運(yùn)行速度范圍；而在數(shù)字電源應(yīng)用中，則可以實(shí)現(xiàn)更高的控制環(huán)路頻率，減少所需組件數(shù)量，從而降低成本。

除此之外，對(duì)C2000來說，（CLB, Configurable Logic Block）也是一大創(chuàng)新點(diǎn)。有些應(yīng)用會(huì)用FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)序關(guān)鍵或特殊功能，比如電機(jī)的編碼器，而TI 的CLB既能實(shí)現(xiàn)絕對(duì)編碼器、T-format等不同編碼器，也能實(shí)現(xiàn)有源EMI濾波器，減少數(shù)字電源應(yīng)用中的EMI。

過去，傳統(tǒng)方案可能會(huì)使用MCU+CPLD的組合，而通過在C2000 MCU/DSP中集成CLB，便可以通過單芯片替代CPLD的監(jiān)測和保護(hù)功能。現(xiàn)在，大多數(shù)國產(chǎn)廠商也在加入CLB，來加速實(shí)時(shí)控制效果。

那么，佼佼者C2000未來會(huì)如何升級(jí)？通過路線圖我們可以看到，幾乎每兩年，C2000就會(huì)有一次重要革新，近年來的革新速度明顯加快。而在近期，F(xiàn)28P55X及F29H85X無疑是最大的升級(jí)，這兩款產(chǎn)品一款搭載了NPU，另一款則是64位產(chǎn)品。

F28P55X是業(yè)界首款帶有NPU的實(shí)時(shí)控制MCU。NPU可應(yīng)用在太陽能及供電系統(tǒng)中的電弧檢測以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)的預(yù)測性維護(hù)上，目前這兩大應(yīng)用都是C2000的主要戰(zhàn)場。F28P55X的故障檢測的準(zhǔn)確率可高達(dá)99%，且相對(duì)于CPU，在處理CNN模型時(shí)效率提升5~10倍。

在傳統(tǒng)的非NPU方案中，通過對(duì)直流母線電壓與電流進(jìn)行采樣，并設(shè)置一系列觸發(fā)閾值或規(guī)則來判斷電弧是否發(fā)生。這種方法存在諸多限制，檢測準(zhǔn)確率往往難以提升，一般僅能達(dá)到85%左右。檢測不準(zhǔn)確可能導(dǎo)致兩種后果：一是漏報(bào)，即實(shí)際發(fā)生電弧但未被檢測到，從而增加火災(zāi)或停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)；二是誤報(bào)，即未發(fā)生電弧卻發(fā)出警報(bào)，可能導(dǎo)致不必要的停機(jī)。另外，傳統(tǒng)的電弧檢測還需要一顆額外的CPU提供算力。而通過最新內(nèi)置NPU的F28P55X，可在單芯片中完成DC/DC轉(zhuǎn)換器、逆變器以及MPPT系統(tǒng)，并且提供電弧檢測。

F29H85X則是極具顛覆性的64位C2000產(chǎn)品，其內(nèi)核也升級(jí)到了C29。其處理位寬從32位躍升至64位，并配備了超長指令級(jí)架構(gòu)，使得單個(gè)指令周期最多能并行完成8條指令。并行運(yùn)算是DSP架構(gòu)的一大優(yōu)勢，這也是DSP與通用CPU之間的顯著差異之一。C29支持多種指令大小（16、32和48位）和可變指令包大小，指令包的大小可以是16位到128 位，從而實(shí)現(xiàn)更好的代碼密度，以及在單個(gè)CPU周期內(nèi)執(zhí)行最多8條16位指令。

C29到底有多強(qiáng)？與C28相比，C29在信號(hào)鏈性能上可實(shí)現(xiàn)2至3倍的提升。對(duì)于馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算與實(shí)時(shí)運(yùn)算而言，其性能可提升2倍；而在電源變換方面，C29的性能則可提升約3倍。若僅就FFT運(yùn)算而言，C29的運(yùn)算速度相較于C28可快出5倍，與cortex m7內(nèi)核比較，則快了6倍；C29 支持常規(guī)中斷（稱為 INT）和稱為實(shí)時(shí)中斷 (RTINT) 的優(yōu)化中斷，RTINT 使用專用的硬件中斷堆棧，相比于C28提升了4倍。

當(dāng)然，并不是說有了C29，C28就不發(fā)展了，TI在未來還會(huì)繼續(xù)不斷更新產(chǎn)品。總之，TI作為風(fēng)向標(biāo)，可以說給實(shí)時(shí)控制MCU指明了道路：一路條是加入NPU，加入AI；另外一條路則是顛覆計(jì)算，走64位的路。

國產(chǎn)廠商不斷加大布局

首先是納芯微，它選擇了Arm路線，并選擇高性能的M7內(nèi)核。2024 年底，納芯微NSSine 系列實(shí)時(shí)控制MCU（DSP）工規(guī)版正式發(fā)布。彼時(shí)，納芯微表示，DSP算法效率以及實(shí)時(shí)性確實(shí)比Arm強(qiáng)很多，而如今Cortex-M內(nèi)核已在電機(jī)、電源等領(lǐng)域得到了應(yīng)用，驗(yàn)證了Arm的性能絕對(duì)能夠勝任實(shí)時(shí)控制MCU的任務(wù)。

如今一年過去，納芯微在這兩個(gè)月“高強(qiáng)度”更新產(chǎn)品。首先，在今年9月，共同發(fā)布超高性價(jià)比實(shí)時(shí)控制MCU(DSP)——NS800RT113x系列 ，5元起售，實(shí)現(xiàn)算力平權(quán)。雖然該產(chǎn)品為入門級(jí)實(shí)時(shí)控制MCU，定位性價(jià)比，但核心架構(gòu)與此前的中端、高端產(chǎn)品保持一致。

NS800RT1135/1137 搭載主頻200MHz的M7內(nèi)核，支持ECC的128~256KB Flash與 80KB TCM（CPU核內(nèi)0等待內(nèi)存），均支持ECC功能，顯著提升實(shí)時(shí)計(jì)算性能。配合納芯微自研的 mMATH 數(shù)學(xué)加速核，可高效處理三角函數(shù)、超越函數(shù)與浮點(diǎn)運(yùn)算，全面增強(qiáng)控制類應(yīng)用的算力支持。集成高速 ADC 采樣模塊以及高精度PWM 輸出模塊，確保了鏈路的實(shí)時(shí)性。

而后，又在10月連發(fā)三款新品：中端算力新品NS800RT5075，高性價(jià)比新品 NS800RT1025、NS800RT1035。至此，NSSine系列已實(shí)現(xiàn)“高端-中端-入門級(jí)”全檔位覆蓋，全系搭載高性能Cortex-M7內(nèi)核與可配置邏輯模塊（CLB），兼顧了MCU的易用性與FPGA的靈活定制性于一體。

NS800RT1025/1035 功能框圖，圖源丨納芯微

NS800RT5075功能框圖，圖源丨納芯微

其次是極海，也是Arm路線，不過其選擇了Cortex-M52內(nèi)核。今年1月，極海正式發(fā)布首款基于M52雙核架構(gòu)的實(shí)時(shí)控制MCU——G32R501，應(yīng)用范圍覆蓋光伏/儲(chǔ)能逆變器、充電樁電源模塊、服務(wù)器電源、車載OBC、UPS、伺服控制器、機(jī)器人等。

內(nèi)核方面，根據(jù)極海的說法，G32R5系列搭載雙核M52@250MHz內(nèi)核，實(shí)時(shí)算力可媲美800MHz的Cortex-M7內(nèi)核產(chǎn)品；內(nèi)置單/雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元（FPU），支持Arm Helium技術(shù)，顯著增強(qiáng)高級(jí)數(shù)字信號(hào)處理（DSP）能力和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）應(yīng)用性能，將AI算力帶入更低成本、更低功耗應(yīng)用產(chǎn)品中；，通過支持自定義數(shù)據(jù)通路CDE接口，可擴(kuò)展極海自主研發(fā)的紫電數(shù)學(xué)指令擴(kuò)展單元，在指令集層面支持三角函數(shù)、傅里葉變換、復(fù)雜數(shù)學(xué)等多種數(shù)學(xué)計(jì)算加速，大幅縮短數(shù)學(xué)計(jì)算時(shí)間、降低CPU訪問延時(shí)，從而提升系統(tǒng)整體實(shí)時(shí)性和智能化。

極海和納芯微的思路一樣，也選擇了內(nèi)置邏輯塊，不過名字有所區(qū)別——搭載4個(gè)靈活邏輯塊（FLB）通過配置增強(qiáng)型外設(shè)互聯(lián)，為片上控制外設(shè)提供高效、靈活的連接性能，從而簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)并提升實(shí)時(shí)控制效率。

此外，搭載16個(gè)高分辨率PWM通道（150ps分辨率）提供極高精度和準(zhǔn)確度的控制信號(hào)，優(yōu)化系統(tǒng)性能，同時(shí)具備卓越的電源拓?fù)溥m應(yīng)性，能夠滿足復(fù)雜功率管理和動(dòng)態(tài)控制的需求。

G32R501 MCU特性，圖源丨極海

第三是海思，其選擇自研RISC-V內(nèi)核。根據(jù)其官方發(fā)布的信息，Hi3065P作為高性能實(shí)時(shí)控制MCU，主要應(yīng)用于數(shù)字電機(jī)控制、開關(guān)電源管理等工業(yè)場景，而Hi3065H則是支持嵌入式AI的一款實(shí)時(shí)控制專用MCU。

第四是中科昊芯，其采用了RISC-V路線，并搭載自研的H28的DSP內(nèi)核。HXS320F28035是中科昊芯浮點(diǎn)DSC平臺(tái)上的新產(chǎn)品，基于自主研發(fā)的H28x內(nèi)核，32位浮點(diǎn)RISC-V DSP架構(gòu)，該芯片增加了具備FPU浮點(diǎn)運(yùn)算能力的控制律加速器（CLA），可以和H28x內(nèi)核做并行計(jì)算，同時(shí)支持多種通訊端口，增強(qiáng)型控制外設(shè)，可滿足電機(jī)驅(qū)動(dòng)，光伏逆變器和數(shù)字電源等多個(gè)行業(yè)應(yīng)用。

第五是國防科大派系，方案以hex/bin兼容為最大特點(diǎn)。

總結(jié)

實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域并非非黑即白，而是存在許多不同應(yīng)用場景，有些場景對(duì)于實(shí)時(shí)控制要求不一定那么高，所以一些通用MCU也可以做實(shí)時(shí)控制。但很明顯，很多聚焦的場景，必須使用專用產(chǎn)品，所以國產(chǎn)廠商才通過Arm、RISC-V和自研DSP等路線切入市場。此外，國產(chǎn)廠商正在通過高端、中端、入門，鋪開自己的覆蓋范圍，未來市場競爭一定會(huì)更加激烈。

參考文獻(xiàn)

[1]TI：實(shí)時(shí)控制參考指南

[2]TI：https://www.ti.com.cn/cn/lit/wp/zhcaeq3/zhcaeq3.pdf

[3]TI：https://www.ti.com/cn/lit/wp/zhcy157/zhcy157.pdf

[4]納芯微：https://mp.weixin.qq.com/s/mAoV9FHdyUtker8hdIXNog

[5]EEWorld：https://www.eeworld.com.cn/mcu/eic711830.html

[6]Geehy極海半導(dǎo)體：https://mp.weixin.qq.com/s/aL3mwjnbtKedc0GIoEetsQ

[7]土人觀芯：https://mp.weixin.qq.com/s/b5Em5AMmwqmLyX1MCDTmDA

[8]芯小二的下午茶：https://mp.weixin.qq.com/s/Qgqn9AviAmrfowtlo5u9_g

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