【導讀】嵌入式系統正以越來越快的速度繼續其技術演進；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展。這一進步的一個關鍵驅動因素是，即使是最小的電子設備也能夠連接到我們的現代網絡基礎設施。Wi-Fi?、藍牙?和其他連接選項使得現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勢。這種增加的連接性有效地使這些設備成為物聯網邊緣節點—— 但這帶來了處理需求增加和內存子系統增大的代價。
互聯網連接推動處理需求
嵌入式系統正以越來越快的速度繼續其技術演進；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展。這一進步的一個關鍵驅動因素是，即使是最小的電子設備也能夠連接到我們的現代網絡基礎設施。Wi-Fi?、藍牙?和其他連接選項使得現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勢。這種增加的連接性有效地使這些設備成為物聯網邊緣節點—— 但這帶來了處理需求增加和內存子系統增大的代價。
系統挑戰
大多數嵌入式系統還“連接”到其直接環境——也就是說，它們提供了某種類型的環境傳感、機械驅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絡。大多數嵌入式系統都與它們所處的環境“連接” ——也就是說，它們具備某種環境感知、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絡。再比如，聯網的烹飪設備的主要目標是理解你對食物溫度的期望，并將其轉化為精確的熱量控制。這些以“模擬”信號為主的系統，正逐漸進入快節奏的云通信世界，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，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——物聯網邊緣傳感器節點。
模擬子系統
物聯網邊緣傳感器節點需要一些模擬子系統來測量和監控環境條件，例如溫度、濕度、運動等。模擬子系統通常包括一個單片機（MCU），用于讀取傳感器數據，進行某種形式的處理，并通過網絡進行通信。通常情況下，環境數據變化較為緩慢，因此大多數邊緣節點不需要處理連續、不間斷的數據流。由于邊緣節點通常依靠小型電池運行數年，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境變化。在喚醒期間，節點會收集數據并通過網絡傳輸。之后，它會再次進入休眠狀態，直到需要進行下一次測量。在我們這個高度互聯的世界中，隨著邊緣節點數量和收集數據的增加，電源效率和低功耗運行成為延長模擬子系統電池壽命的關鍵設計考慮因素。
嵌入式系統的分段設計
為了實現高效的嵌入式系統，通常需要將系統劃分為不同的“速度域”，并通過橋接器將快速主處理器與模擬子系統連接起來。這種分區設計可以讓模擬子系統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，每種處理器都能發揮其最大的優勢。隨著越來越多的設備需要聯網，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仍然兼容現有的I2C器件，這使得它能夠輕松集成到現有的硬件平臺中。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據，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I3C控制器與I2C/SPI器件之間的通信。通過將嵌入式系統進行合理的分區設計，并利用I3C接口，可以更高效、更穩定地實現系統設計。
PIC18-Q20 MCU
Microchip推出了PIC18-Q20產品系列，專門為現代分布式處理器嵌入式系統設計。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，極大地增強了系統的靈活性。此外，它們還內置了傳統的通信協議，如UART、SPI、I2C和SMBus，可以作為橋接設備無縫集成到系統中，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，從而省去了電平轉換器的需求，降低了材料成本并簡化了系統設計。此外，PIC18-Q20單片機集成了片上獨立于內核的外設（CIP），這些外設可以在不需要CPU持續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外設在內的CIP組合，生成應用程序代碼，而無需深入研究數據手冊。通過使用CIP，工程師可以將每個系統任務進行分區管理，從而簡化功能實現，減少組件數量、代碼量、開發時間和功耗。
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。雖然現代電子設備越來越多地與外部世界連接，但在這些互聯系統中，仍然需要小型化且節能的模擬子系統來感知和測量“現實世界”的數據。由于環境數據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。
為了實現高效的嵌入式系統，通常需要將系統劃分為不同的“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業務部的公司副總裁Greg Robinson）
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