電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/吳子鵬）在工業(yè) 4.0、智能駕駛與新能源市場迅猛發(fā)展的當(dāng)下，實時控制 MCU 重要性愈發(fā)凸顯。與普通 MCU 相比，實時控制 MCU 具有嚴(yán)格的實時性要求，需要在極短時間內(nèi)對外部事件或信號做出迅速響應(yīng)，并完成控制算法及輸出控制，這也導(dǎo)致其入局門檻更高。長期以來，這一細(xì)分市場主要由 TI（德州儀器）等國際廠商主導(dǎo)，國產(chǎn) MCU 廠商由于起步較晚、技術(shù)儲備不足以及對高性能 MCU 市場了解有限等原因，很少涉足該領(lǐng)域。

為了打造國產(chǎn)實時控制 MCU 的標(biāo)桿產(chǎn)品，應(yīng)對實時控制系統(tǒng)在更高效率、更高功率密度、更高精度和更高可靠性方面的設(shè)計挑戰(zhàn)，珠海極海半導(dǎo)體有限公司（以下簡稱：極海）正式發(fā)布首款基于 Arm? Cortex?-M52 雙核架構(gòu)的實時控制 MCU——G32R501，并公開了這款實時控制 MCU 的核心指標(biāo) ——G32R501 全信號鏈性能測試數(shù)據(jù)，為新能源光伏、工業(yè)自動化、商業(yè)電源、新能源汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)新注入動力。

G32R501系列實時控制MCU，圖源：極海

站在巨人肩膀，發(fā)展國產(chǎn)實時控制 MCU 正當(dāng)時

在實時控制 MCU 領(lǐng)域，TI 公司的 C2000 系列堪稱行業(yè)“代名詞”，該公司對實時控制 MCU 的發(fā)展貢獻(xiàn)很大。

首先，TI 持續(xù)引領(lǐng)全球?qū)崟r控制 MCU 技術(shù)創(chuàng)新。TI 不斷優(yōu)化自有 DSP（數(shù)字信號處理器）內(nèi)核性能，從TI提出的ACI Motor（交流感應(yīng)電機(jī)）性能指標(biāo)可以看出，C2000 內(nèi)核在閃存執(zhí)行效率和ADC讀取/轉(zhuǎn)換效率等方面優(yōu)于Arm? Cortex?-M4和Arm? Cortex?-M7內(nèi)核。同時，TI 將 C2000 實時 MCU 器件細(xì)分為處理、控制、感測和接口四大關(guān)鍵要素，強(qiáng)調(diào)實時控制的關(guān)鍵并非僅看主處理單元完成控制算法所需的時間，而是盡可能縮短感測、處理和控制的時間，這一時間被定義為實時信號鏈。

C2000 內(nèi)核和Arm內(nèi)核的閃存執(zhí)行效率對比，圖源：TI

實時信號鏈組成，圖源：TI

其次，TI 培育了實時控制 MCU 市場，并長期占據(jù)絕大部分市場份額。C2000 系列已成為其他公司打造實時控制 MCU 的參照標(biāo)準(zhǔn)，并有著廣泛的應(yīng)用。如下圖所示， C2000 系列的目標(biāo)市場已經(jīng)擴(kuò)展到電機(jī)控制、光伏逆變器、數(shù)字電源、電動汽車等廣泛領(lǐng)域。面向這些實時控制應(yīng)用，TI 提供了豐富的資源配套，包括參考示例、技術(shù)手冊和開源硬件文檔等，降低了工程師使用實時控制 MCU 的難度和成本，推動了實時控制市場的繁榮發(fā)展。

C2000 系列廣泛的目標(biāo)應(yīng)用，圖源：TI

當(dāng)然，隨著技術(shù)和市場演進(jìn)，現(xiàn)階段 TI 在實時控制市場也面臨著沖擊，較具代表性的競品有 ST（意法半導(dǎo)體）的 STM32G4 系列、瑞薩電子的 RA 系列、英飛凌的 PSOC 系列等。和C2000系列不同，這些實時控制 MCU 均基于Arm 內(nèi)核。目前Arm 內(nèi)核的實時性能顯著提升，以Arm? Cortex?-M52 內(nèi)核為例，該核心基于 Arm v8.1-M 架構(gòu)，在保持與 Arm? Cortex?-M4F、Arm? Cortex?-M33 便捷遷移的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了 DSP 性能提升 2.7 倍與 ML 性能提升 5.6 倍。

Arm? Cortex?-M52內(nèi)核性能展示和對比，圖源：極海

同時，據(jù)熟悉C2000及Arm技術(shù)的工程師分享，相較于 TI C2000 內(nèi)核生態(tài)，Arm 生態(tài)在實時控制方面也具備一定優(yōu)勢。例如，KEIL平臺編譯更快,而C2000 平臺 CCS 工程中往往包含更多調(diào)試功能（如硬件分析、RTOS 仿真、腳本等），越豐富的功能也意味著編譯及鏈接腳本更復(fù)雜，導(dǎo)致編譯時間變長；KEIL 平臺相較CCS 平臺 debug 速度快、更穩(wěn)定，且中斷也可恢復(fù) debug；大部分 C2000執(zhí)行應(yīng)用中斷嵌套復(fù)雜且不靈活，Arm 平臺能夠靈活實現(xiàn)硬件級多級中斷嵌套。

一個事實是，TI的實時控制MCU也增加了基于Arm? Cortex?-R內(nèi)核的高性能實時控制MCU系列，AM26x，并獲得了市場的認(rèn)可。

對于國產(chǎn)MCU廠商而言，技術(shù)進(jìn)步為進(jìn)軍實時控制市場提供了契機(jī)，市場需求增長則帶來了充足的發(fā)展動力。實時控制 MCU 在工業(yè)自動化（如伺服控制器、機(jī)器人、變頻器等）、汽車電子（如車載充電機(jī)、車載壓縮機(jī)、主驅(qū)逆變器等）、新能源光伏（光伏逆變器、儲能逆變器等）等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

公開核心指標(biāo)，G32R501 系列底氣何在

極海 G32R501 系列實時控制 MCU 的推出，精準(zhǔn)契合行業(yè)發(fā)展大勢，填補了國產(chǎn)高性能實時控制 MCU 的市場空白。如上所述，實時信號鏈?zhǔn)菍崟r控制的關(guān)鍵，極海從感知、處理、控制三方面入手提升實時信號鏈指標(biāo)，并首次公開 G32R501 系列全信號鏈性能測試數(shù)據(jù)。

靈敏感測

G32R501 系列集成了豐富的高性能模擬和信號處理外設(shè)，以增強(qiáng)芯片在實時控制系統(tǒng)中的感測能力，包括 3 個 12 位 ADC（3.45MSPS 采樣率）、7 個內(nèi)置 12 位參考 DAC 的比較器、7 個增強(qiáng)型捕捉模塊（CAP）、2 個增強(qiáng)型正交編碼器脈沖（QEP）模塊和 4 個 Σ-Δ 濾波器模塊（SDF），這些外設(shè)能夠快速、準(zhǔn)確地感知系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，提升控制的精度和效率。

高效處理

G32R501 系列基于 40nm eFlash先進(jìn)制程，采用 Arm? Cortex?-M52 雙核設(shè)計，主頻高達(dá) 250MHz，實時算力可與 800MHz 的 Arm? Cortex?-M7 內(nèi)核產(chǎn)品相媲美。Arm? Cortex?-M52 內(nèi)核不僅實現(xiàn)了 DSP 性能提升 2.7 倍與 ML 性能提升 5.6 倍，還支持 ACI (Arm Customer Instructions)、TCM 和 Arm HeliumTM 技術(shù)。其中，ACI 是實時控制的核心特性，它允許芯片公司自主設(shè)計擴(kuò)展指令集并嵌入 CPU 中執(zhí)行?；?ACI 接口，極海實現(xiàn)了自研紫電數(shù)學(xué)指令擴(kuò)展單元與內(nèi)核的融合。紫電數(shù)學(xué)指令擴(kuò)展單元通過在指令集層面集成對三角函數(shù)、傅里葉變換以及復(fù)雜數(shù)學(xué)計算的支持，提高了數(shù)學(xué)運算效率，有效降低了 CPU 的訪問延遲，進(jìn)而增強(qiáng)了系統(tǒng)的整體實時響應(yīng)能力和智能化水平。

同時，雙核配置讓G32R501 系列能夠高效、靈活地執(zhí)行控制指令。例如，在通訊電源或 OBC 等 AC/DC 應(yīng)用中， G32R501 可一個核控制 PFC，另一個核控制 DC/DC，實現(xiàn)高效數(shù)據(jù)共享；在功能豐富的通用伺服等應(yīng)用中，G32R501 可以一個核做位置環(huán)/速度環(huán)的控制和通信管理，另一個核跑高速電流環(huán)，實現(xiàn)更高的響應(yīng)帶寬。

增強(qiáng)控制

極海 G32R501 系列通過內(nèi)置高精度控制單元提升了系統(tǒng)的實時控制性能。

G32R501 系列內(nèi)部集成的PWM模塊提供16個高分辨率 PWM 通道（150ps分辨率），支持高精度周期/占空比、移相、死區(qū)；提供極高精度和準(zhǔn)確度的控制信號，并支持各種類型的功率拓?fù)洌惶峁╈`活的數(shù)字比較器，實現(xiàn)豐富的觸發(fā)源及動作模式；支持靈活的配置加載模式，如立即加載、指定時刻加載或全局加載；支持豐富的封波模式，包括CBC和OneShot。

G32R501 系列內(nèi)部集成的4 個靈活邏輯塊（FLB），通過配置增強(qiáng)型外設(shè)互聯(lián)，可助力實現(xiàn)特殊控制脈沖邏輯，增強(qiáng)控制信號檢測及保護(hù)，以及定制串行數(shù)據(jù)協(xié)議等功能，簡化系統(tǒng)設(shè)計并提高實時控制效率。

經(jīng)過這些針對性優(yōu)化，G32R501 系列的部分指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平，這也是極海敢于公開 G32R501 系列全信號鏈性能測試數(shù)據(jù)的底氣所在。根據(jù)具體測試數(shù)據(jù)，G32R501 系列單核配置，在 Flash 中運行代碼的相對執(zhí)行周期數(shù)降低了 11.5%（相對周期數(shù)越低性能越高）。若按 250MHz 主頻換算，這意味著控制環(huán)路執(zhí)行時間縮短了 64.6%。

G32R501系列性能測試結(jié)果（一），圖源：極海

G32R501系列性能測試結(jié)果（二），圖源：極海

除了實時控制性能出色，極海 G32R501 系列在外設(shè)資源、安全可靠和配套資源方面也表現(xiàn)優(yōu)異。在外設(shè)資源方面，G32R501 系列集成了 UART、CAN、I2C、QSPI 和 PMBus 等多種通信接口，可滿足工業(yè)自動化、新能源、汽車電子等領(lǐng)域的通信需求；在安全可靠方面，G32R501 系列支持代碼安全保護(hù)功能，支持多重安全機(jī)制（如丟失時鐘檢測電路、糾錯碼（ECC）與奇偶校驗等），并符合 IEC 61508 SIL2 安全完整性等級和AEC-Q100 Grade 1 標(biāo)準(zhǔn)。

G32R501系列實時控制MCU產(chǎn)品特性，圖源：極海

在資源配套方面，圍繞 G32R501 系列，極海提供全方位的生態(tài)支持，包括豐富的資料文檔、完善的庫文件、多種開發(fā)軟件選擇、靈活的硬件調(diào)試工具、量產(chǎn)級參考方案和專業(yè)的技術(shù)團(tuán)隊。這些資源進(jìn)一步提升了 G32R501 系列的競爭力，使其成為光伏/儲能逆變器、充電樁電源模塊、服務(wù)器電源、車載 OBC、UPS、伺服控制器、機(jī)器人等應(yīng)用的理想選擇。

G32R501系列全方位的生態(tài)支持

目前，G32R501 系列實時控制 MCU 已正式量產(chǎn)派樣，可提供 QFN56、LQFP64/80/100 等多種封裝選擇。同時，G32R501 系列與極海APM32F10x 系列工業(yè)級通用 MCU（已大規(guī)模量產(chǎn)） 、APM32F407 系列工業(yè)級高性能 MCU （已大規(guī)模量產(chǎn)）、APM32F427 系列高性能 MCU （即將送樣），以及編碼器專用芯片形成良好的產(chǎn)品組合，為差異化創(chuàng)新提供豐富的產(chǎn)品選擇。

極海實時控制MCU產(chǎn)品路線圖，圖源：極海

綜合性能來看，G32R501 系列屬于極海實時控制 MCU 的中高端產(chǎn)品，規(guī)格接近TI C2000系列的TMS320F28P55，其支持增強(qiáng)工業(yè)級和車規(guī)級。

后續(xù)，極海將在實時控制 MCU 領(lǐng)域繼續(xù)向 TI 學(xué)習(xí)，并持續(xù)擴(kuò)展自身的實時控制 MCU 產(chǎn)品陣營。目前，極海對標(biāo)競品的入門級產(chǎn)品已在研發(fā)；對標(biāo)競品的多核、高性能、高集成實時控制 MCU系列也已在預(yù)研。

結(jié)語

隨著我國在工業(yè)制造、智能網(wǎng)聯(lián)汽車、新能源等領(lǐng)域的競爭力逐步提升，國產(chǎn)芯片廠商迎來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。此前，中國半導(dǎo)體協(xié)會曾呼吁，國產(chǎn)新能源汽車謹(jǐn)慎考慮使用美國芯片，這一現(xiàn)象背后反映出芯片國產(chǎn)化趨勢已不可阻擋，也為國產(chǎn) MCU 性能升級提供了廣闊空間。

現(xiàn)階段，國產(chǎn) MCU 應(yīng)用不再局限于中低端市場，已在高端 MCU 市場嶄露頭角。在新的產(chǎn)業(yè)競爭中，誰能在技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品性能、市場拓展以及生態(tài)建設(shè)等方面取得全面優(yōu)勢，誰就能脫穎而出。極海自 2019 年成立以來，始終保持強(qiáng)勁的創(chuàng)新活力，產(chǎn)品陣容豐富，涵蓋工業(yè)級通用 MCU、電機(jī)控制MCU、車規(guī)級 MCU、實時控制 MCU 以及 MCU + 驅(qū)動等產(chǎn)品形態(tài)，不斷拓展自身的業(yè)務(wù)版圖。此次極海發(fā)布 G32R501 系列，既是向 TI C2000 系列致敬，也是對 TI C2000 系列發(fā)起挑戰(zhàn)，以出色的產(chǎn)品競爭力彰顯中國芯實力。