精“芯”之选：一颗为物联网而生的MCU

IC Insights最新的研究数据显示，全球MCU市场保持着持续稳定的增长，MCU的出货量从2015年的220亿颗增长至2020年的360亿颗，市场规模也从159亿美元增长至207亿美元，2021年全球MCU市场规模将达到223亿美元。同比增长超7%，其中与物联网相关的工控、医疗和消费电子领域的贡献约为36%，可见物联网已经成了MCU市场的一个重要支点。

面对如此诱人的市场蛋糕，MCU厂商自然不敢怠慢，过去十多年间伴随着物联网行业的兴起，一直在研发满足物联网市场所需的MCU产品。

物联网MCU应该什么样？

经过多年的技术探索，目前人们对于这类MCU应该具备什么样的特征，已经了然于心了。具体来讲，打造一颗物联网所需的MCU，应该从以下几个方面进行考量：

足够的算力

虽然在物联网MCU的选型时，高性能的算力不是“万能的”，但是没有足够的算力则是“万万不能的”。随着物联网产品的功能日益复杂，特别是边缘计算概念的兴起，主控、通信协议、HMI……需要算力的地方越来越多，有些应用还需要有专门的内部DSP和浮点单元（FPU），再有开发者还要考虑为安全功能留有算力裕量，因此水涨船高，算力也就成了一道越来越高的“门槛”。为了获得更高的性能，除了在自身的设计和工艺上挖潜，采用最新的处理器内核，也是MCU厂家普遍的技术升级路径，所以我们看到今天越来越多的主流物联网MCU正在从以前的Arm-Cortex M0 / M0+ / M3 / M4架构转向更新的Cortex M23 / M33架构。

低功耗

由于相当多的物联网设备是电池供电的，因此如何降低功耗、延长电池续航时间也就成了MCU这个能耗大户需要认真面对的问题。为此，一种普遍的做法是为MCU设置多种能耗模式，对应MCU中不同功能模块的工作和休眠状态，按需切换，只让必须激活的功能电路开启，最大限度地实现节能。其次，集成和采用各类高性能和低功耗的外围电路、片上非易失性存储器等，也是降低系统能耗的好方法。再有，新的Cortex M23 / M33处理器内核，也具有更为出色的能效表现，可以为MCU实现整体的低能耗加分。

安全性

物联网的安全性如何强调都不过分，安全性的保障来源于物理性安全（硬件安全，例如防止黑客侵入保护数据安全）以及软件安全（用户认证、身份管理、安全网络接入等）。可以看到，越来越多的物联网MCU将硬件加密、真随机数生成、身份认证等安全功能作为自身的标配，成为一个“安全”MCU。同时，Cortex M23 / M33通过引入TrustZone的安全机制，也从底层架构对安全的和不安全的代码进行隔离，尽可能打造一个缜密的安全防线。

高集成度

除了处理器内核和片上存储器，物联网MCU也要考虑将越来越丰富的外设功能集成进来，包括模拟、接口、安全单元、时钟管理、定时器、电源管理等。通过集成度的提升，无论是从芯片层面还是系统层面，对于成本和小型化方面的优化都是显著的。

可扩展性

由于物联网市场具有“碎片化”的特性，MCU产品在设计时除了要满足当下的应用场景，还要考虑更长远的可扩展性要求，以满足不断发展的应用需求。一方面，MCU要基于一个统一的产品平台开发出丰富的硬件产品组合；另一方面，也需要在软件工具链以及整个生态系统和开发社区的营建上下功夫，以便可以为不断变化的市场需求提供针对性的系统化解决方案。

达到了上面这五方面的要求，MCU产品就算是拿到进入物联网市场的“入场券”了。但最终是否能够在这个市场中安身立命、扬名立万，还要看MCU厂商能否依托自己的实力和经验，打磨出经得住市场考验的产品。

一颗为物联网而生的MCU

Silicon Labs最新推出的EFM32PG22 32位 MCU可以说就是一款符合上述标准，“为物联网而生”的精品。这款低成本、高性能的解决方案，拥有业界领先的低功耗、性能及安全性，同时基于易于使用且高精度的模拟功能。EFM32PG22非常适合于那些尺寸受限、对低功耗运行有严苛要求的消费和工业应用。

图1：EFM32PG22系统框图

（图源：Silicon Labs）

在性能方面，EFM32PG22基于主频76.8MHz的高性能32位 Arm Cortex-M33处理器内核，自带DSP指令和浮点单元，可实现高效的信号处理，同时集成有高达512kB的闪存程序存储器和高达32kB RAM数据存储器，对于常见的物联网应用应该是游刃有余。

在低功耗方面，这一直是EFM32系列32位 MCU的强项，EFM32PG22也不例外。从图1中可以看出，EFM32PG22具有细分的五个功率模式，分别对应着不同功能模块的开启和关闭，由此开发者可以灵活地控制MCU的功率水平，最大限度地降低功耗。

在EM0活动模式下（38.4MHz活动模式），运行功耗为26μA/MHz；

在EM2深度睡眠模式下（保留8kB RAM，RTC从LFRCO中运行），电流为1.10μA；

在EM3深度睡眠模式下（保留8kB RAM，RTC从ULFRCO中运行），电流为0.95μA；

在EM4完全关断的模式下，电流仅有0.17μA。

在安全性方面，采用Arm Cortex-M33处理器内核的EFM32PG22，也同时获得了Arm TrustZone的安全特性，这与上一代的MCU相比，是安全性上的一大进步。同时，EFM32PG22可通过信任根和安全加载程序 (RTSL) 进行的安全启动，集成了硬件加密加速（适用于AES128/256、SHA-1、SHA-2（高达256位）、ECC（高达256位）、ECDSA和 ECDH）和真随机数生成器 (TRNG)功能，还支持使用锁定/解锁功能进行安全调试，与其他同一级别的MCU相比，在安全功能的配置上是相当全面了。

在集成度上，EFM32PG22的表现也不俗。在QFN40或QFN32小巧的封装中，集成了丰富的MCU外围设备，从下面这个外围资源清单中可以看出，主流物联网应用所需基本都可满足。高集成度也进一步带来了成本上的优化——批量价格可以低于1美元，这已经非常接近8位MCU的价格。

EFM32PG22外围资源

模数转换器 (ADC)：12位，1Msps或16位，76.9ksps

高达26个带有输出状态保持和异步中断功能的GPIO 引脚

8信道DMA控制器

12信道外围设备反射系统 (PRS)

4个16位定时器/计数器(3个比较/捕获/PWM通道)

1个32位定时器/计数器(3个比较/捕获/PWM 通道)

32位实时计数器

24位低能耗定时器，用于波形生成

1个监视器定时器

2个通用同步/异步接收器/传输器 (UART / SPI / SmartCard (ISO 7816) /IrDA / I2S)

1个增强型通用异步接收器/传输器(EUART)

2个I2C接口，带SMBus支持

数字麦克风接口 (PDM)

单点校准后具有+/-1.5˚C精度的芯片温度传感器

在可扩展性上，EFM32PG22依托屡获殊荣的xG22平台，与同一平台的EFR32xG22无线 SoC（如BG22、MG22和FG22）保持引脚及软件兼容，使设计人员可以利用可扩展的嵌入式平台来简化产品开发，提高成本效益。凭借与xG22 SoC完全一致的外形尺寸和代码，以及应用程序共享，EFM32PG22的开发人员可以即插即用的方式升级产品来支持低功耗蓝牙（BLE）、Zigbee或专有2.4GHz无线连接。

正是由于上述这些优异的特性，EFM32PG22一经推出，Silicon Labs就将其放在了同类MCU列表中的“C位”，加以特别推荐。

图2：EFM32PG22作为特别推荐的物联网MCU产品（图源：Silicon Labs）

高性价比的开发套件

为了让开发者能够快速探索和体验EFM32PG22这款新品，Silicon Labs还配套推出了一款基于EFM32PG22的小型化、高性价比、功能丰富的原型设计和开发套件。

图3：EFM32PG22 MCU开发套件

（图源：Silicon Labs）

该开发板中包括四种不同的环境传感器（相对湿度和温度传感器、环境光传感器、霍尔效应传感器、6轴惯性传感器），以及立体声PDM麦克风。此外，该开发板还嵌入了一个8Mb串行闪存、用户LED和按键、SEGGER J-Link板载调试器、20引脚2.54mm分支焊盘、Mini Simplicity连接器等，为调试和功能扩展提供了便利。该开发套件的推出，也进一步完善了EFM32PG22的设计生态，让开发者上手更便捷。