圍攻C2000的國(guó)產(chǎn)實(shí)時(shí)控制MCU派系

C2000在新能源（含汽車(chē)，光伏，儲(chǔ)能，充電等應(yīng)用）有著領(lǐng)先的占有率，本文在23年4月份文章 "實(shí)時(shí)微控制器的關(guān)鍵技術(shù)及國(guó)產(chǎn)玩家"基礎(chǔ)做的更新；

一年時(shí)間，又多了幾家沖著實(shí)時(shí)控制(如C2000)去的國(guó)產(chǎn)芯片發(fā)布，有的確實(shí)讓人眼前一亮；

1、實(shí)時(shí)控制器概覽????????????

如下圖，是摘自TI的交流感應(yīng)電機(jī)的控制流程圖，數(shù)字控制其實(shí)原理非常簡(jiǎn)單，分三步：

感知：通過(guò)ADC采樣需要被控制的信號(hào)：如電壓，電流，轉(zhuǎn)速等

計(jì)算：結(jié)合控制目標(biāo)及控制算法，計(jì)算當(dāng)前需要輸出的PWM占空比

執(zhí)行：PWM輸出

圖1,2 TI，環(huán)路控制概覽

在介紹大功率直流充電樁時(shí)候，針對(duì)設(shè)計(jì)小二都有特別標(biāo)注一個(gè)參數(shù)：開(kāi)關(guān)頻率

比如PFC在40kHz~150kHz，LLC: 130kHz~250kHz，電機(jī)一般10kHz以下

而太陽(yáng)能逆變器，有的頻率會(huì)到500kHz的高頻

傳送門(mén)：大功率充電樁系列

這里就引出了實(shí)時(shí)微控制器的一個(gè)核心，環(huán)路控制的周期，就是圖1中完成感知，計(jì)算及執(zhí)行的時(shí)間；

10khZ，一個(gè)環(huán)路控制周期是100us；

100kHz，一個(gè)環(huán)路控制周期10us；

500kHz，一個(gè)環(huán)路控制周期2us；

環(huán)路時(shí)間是一個(gè)綜合性的指標(biāo)，如下圖是TI針對(duì)環(huán)路做的分析

圖3?TI，環(huán)路控制概覽

2、實(shí)時(shí)控制器的關(guān)鍵點(diǎn)

接著第一節(jié)的圖，看采集，信號(hào)處理，執(zhí)行涉及到的一些IP

ADC，

轉(zhuǎn)換時(shí)間，1Msps采樣率的ADC的采樣時(shí)間是1us，如果是500kHz開(kāi)關(guān)頻率，只剩下1us給CPU處理明顯是不夠的；目前主流的12bit ADC，基本都在4Msps以上，一個(gè)采樣轉(zhuǎn)換的時(shí)間在0.25us

ADC的通道及轉(zhuǎn)換單元，一般控制的采樣信號(hào)是多路，比如2/3路電流，而且為了保證控制效果，需要同時(shí)采樣；

小二畫(huà)了兩個(gè)對(duì)比示意圖，分別是3采樣保持單元+1轉(zhuǎn)換單元，和三個(gè)采樣保持單元+3個(gè)轉(zhuǎn)換單元的輸出結(jié)果示意；應(yīng)該容易計(jì)算，如果1Msps的ADC，他們輸出3個(gè)采樣結(jié)果的時(shí)間分別是<3us(三通道一起采樣保持，會(huì)省一些時(shí)間)和1us；

轉(zhuǎn)換精度，這個(gè)影響到控制精度，和控制對(duì)象的范圍，一般12bit很多場(chǎng)景足夠，部分是到14bit；

中斷響應(yīng)時(shí)間，看圖

CPU，

計(jì)算大腦，影響信號(hào)處理的時(shí)間；我們假設(shè)完成一個(gè)計(jì)算需要300條指令，比考慮浮點(diǎn)運(yùn)算及乘除法運(yùn)算情況下，假設(shè)RAM里面執(zhí)行，100MHz的CPU，完成需要3個(gè)us，我們把影響展開(kāi)具體分析下：

主頻率，這個(gè)很好理解，執(zhí)行指令的周期，目前隨著工藝的提高，主頻也提升了，國(guó)產(chǎn)M4F級(jí)別的MCU，一般40nm工藝下，跑200MHz

CPU架構(gòu)，不同的CPU架構(gòu)，流水線(xiàn)的級(jí)數(shù)，不一樣，同一工藝級(jí)別可以支持的主頻率差別會(huì)很大，同40nm情況下，M0級(jí)別可能是64MHz，M4F是200MHz，M7就可以到300MHz以上了；

此外，CPU是否支持DSP，F(xiàn)PU，乘法除法器也是非常關(guān)鍵，比如M3和M4都是1.25DMIPS/MHz，但是CM3不支持DSP和SIMD，F(xiàn)PU，處理能力比M4就弱上一大截了；

CM3和CM4對(duì)DSP指令的支持

CPU小二發(fā)現(xiàn)了一款亮眼的， ARM基于V8架構(gòu)推出的Cortex-M52 （ARM中國(guó)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的STAR-MC2同款），回頭有時(shí)間再介紹

Flash的取指速度，TCM，I/D Cache，一般程序都存儲(chǔ)在Flash里面，但是程序的執(zhí)行是在CPU里面的，可能不少工程師還吃過(guò)這個(gè)虧，有的CPU主頻太快，F(xiàn)lash慢，這里就需要配置Flash的Wait Cycle，如果配置錯(cuò)誤，可能導(dǎo)致芯片跑飛；

為了解決Flash慢的問(wèn)題，從而提出了Instruction Cache和Data Cache的設(shè)計(jì)，以及Tightly Coupled Memory的設(shè)計(jì)，保證沒(méi)有系統(tǒng)存儲(chǔ)沒(méi)有短板；

目前的MCU，有部分是XIP的Flash，為了保障程序快速運(yùn)行，就加入了TCM，然后取了一個(gè)名字：Zero-Wait State Flash，零等待，跑更快；有些大廠(chǎng)的Flash直接取指速率可以做到接近100MHz，讓人敬佩；

當(dāng)然，運(yùn)算的效率還和系統(tǒng)的部分IP，諸如DMA，這里就不展開(kāi)了；

PWM，

聊到這里，相信大家已經(jīng)理解，PWM是重要的一個(gè)，但是不是唯一的；

PWM作為控制器里面的重要單元，負(fù)責(zé)對(duì)外輸出控制，也負(fù)責(zé)環(huán)路控制的觸發(fā)（觸發(fā)ADC采樣）

我們先了解HRPWM和PWM單元；

HRPWM，High Resolution，顧名思義，就是高分辨率，多高算高？一般ps級(jí)別的分辨率算高；HRPWM和PWM最主要的區(qū)別也在這里；

那么，這個(gè)HRPWM難嗎？我們算一個(gè)數(shù)字，德州儀器TI的高端C2000，支持150ps的分辨率，150ps，對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘等效 1000,000/150MHz，即6.66GHz；而主頻只是200MHz，應(yīng)該說(shuō)難度確實(shí)高；

TI實(shí)現(xiàn)HRPWM采用了其自主的MEP設(shè)計(jì)，如下圖，在傳統(tǒng)的PWM的邊緣，增加對(duì)邊緣做細(xì)微修整，比如PWM是46%占空比，通過(guò)MEP的調(diào)整，可以增加到46.XX%

高精度PWM只是PWM的一個(gè)特性，PWM的通道同步方式，和外設(shè)的互相觸發(fā)方式，保護(hù)方式都是細(xì)節(jié)

3、幾大派系簡(jiǎn)介

如文章開(kāi)篇的圖，小二盤(pán)點(diǎn)下各大派系的特點(diǎn)：

國(guó)防科大：最大特點(diǎn)是hex兼容/bin兼容，里面進(jìn)芯因?yàn)樽龅臅r(shí)間早，目前是唯一一家營(yíng)收破億的，其他家應(yīng)該都在1000萬(wàn)營(yíng)收內(nèi)；因?yàn)槭峭耆嫒荩虼耸欠翊嬖趯?zhuān)利風(fēng)險(xiǎn)，是否可以出口，會(huì)是商務(wù)層面的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題；

中科大派：這個(gè)派系基本是采用RISC-V內(nèi)核+C2000兼容的外設(shè)，RISC-V內(nèi)核本身的靈活性為CPU擴(kuò)展自主指令提供了基礎(chǔ)，有沒(méi)有用起來(lái)就看各家水平；中科大派走的最快的應(yīng)該是中科昊芯，宣傳的很熱鬧，行業(yè)內(nèi)有不少客戶(hù)有評(píng)估，至于口碑...

海思系：開(kāi)始沒(méi)想到海思系的實(shí)時(shí)控制MCU創(chuàng)業(yè)公司如此多，而且走的技術(shù)路線(xiàn)如此一致；特點(diǎn)是資源管夠，外設(shè)兼容TI，TI F28377D (1MB Flash，204KB SRAM），華太的是(2MB Flash，768KB SRAM)；目前兩家都開(kāi)始了市場(chǎng)推廣；

華太 HS32F7D377結(jié)構(gòu)框圖

翌創(chuàng)微?ET6001結(jié)構(gòu)框圖

通用MCU系：

目前國(guó)內(nèi)頭部的MCU廠(chǎng)家都已經(jīng)完成了實(shí)時(shí)控制的產(chǎn)品線(xiàn)布局：兆易，國(guó)民，極海，小華

小華參考STM32F334規(guī)格，憑借用40nm工藝優(yōu)勢(shì)，把主頻提升到了120MHz,奇怪的是沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的硬件計(jì)算加速單元（類(lèi)似三角函數(shù)加速等）；

國(guó)民參考STM32G4規(guī)格，憑借40nm工藝優(yōu)勢(shì)，把主頻提升到了200MHz，應(yīng)該說(shuō)是G4的升級(jí)；

兆易圍繞E5x系列和H7系列，豐富了應(yīng)用參考設(shè)計(jì)；

極海是通用MCU大廠(chǎng)里面唯一一家走C2000技術(shù)路線(xiàn)的，小二也是從這顆芯片了解到Cortex-M52內(nèi)核

小二也做個(gè)調(diào)研，請(qǐng)終端應(yīng)用公司工程師投票，芯片公司請(qǐng)圍觀(guān)...

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