電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/吳子鵬）在工業(yè) 4.0、智能駕駛與新能源市場(chǎng)迅猛發(fā)展的當(dāng)下，實(shí)時(shí)控制 MCU 重要性愈發(fā)凸顯。與普通 MCU 相比，實(shí)時(shí)控制 MCU 具有嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性要求，需要在極短時(shí)間內(nèi)對(duì)外部事件或信號(hào)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(zhǎng)期以來(lái)，這一細(xì)分市場(chǎng)主要由 TI（德州儀器）等國(guó)際廠商主導(dǎo)，國(guó)產(chǎn) MCU 廠商由于起步較晚、技術(shù)儲(chǔ)備不足以及對(duì)高性能 MCU 市場(chǎng)了解有限等原因，很少涉足該領(lǐng)域。

為了打造國(guó)產(chǎn)實(shí)時(shí)控制 MCU 的標(biāo)桿產(chǎn)品，應(yīng)對(duì)實(shí)時(shí)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(jì)挑戰(zhàn)，珠海極海半導(dǎo)體有限公司（以下簡(jiǎn)稱：極海）正式發(fā)布首款基于 Arm? Cortex?-M52 雙核架構(gòu)的實(shí)時(shí)控制 MCU——G32R501，并公開了這款實(shí)時(shí)控制 MCU 的核心指標(biāo) ——G32R501 全信號(hào)鏈性能測(cè)試數(shù)據(jù)，為新能源光伏、工業(yè)自動(dòng)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(dòng)力。

G32R501系列實(shí)時(shí)控制MCU，圖源：極海

站在巨人肩膀，發(fā)展國(guó)產(chǎn)實(shí)時(shí)控制 MCU 正當(dāng)時(shí)

在實(shí)時(shí)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(duì)實(shí)時(shí)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(shí)控制 MCU 技術(shù)創(chuàng)新。TI 不斷優(yōu)化自有 DSP（數(shù)字信號(hào)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(shí)，TI 將 C2000 實(shí)時(shí) MCU 器件細(xì)分為處理、控制、感測(cè)和接口四大關(guān)鍵要素，強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)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(shí)間，而是盡可能縮短感測(cè)、處理和控制的時(shí)間，這一時(shí)間被定義為實(shí)時(shí)信號(hào)鏈。

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

實(shí)時(shí)信號(hào)鏈組成，圖源：TI

其次，TI 培育了實(shí)時(shí)控制 MCU 市場(chǎng)，并長(zhǎng)期占據(jù)絕大部分市場(chǎng)份額。C2000 系列已成為其他公司打造實(shí)時(shí)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(chǎng)已經(jīng)擴(kuò)展到電機(jī)控制、光伏逆變器、數(shù)字電源、電動(dòng)汽車等廣泛領(lǐng)域。面向這些實(shí)時(shí)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(cè)和開源硬件文檔等，降低了工程師使用實(shí)時(shí)控制 MCU 的難度和成本，推動(dòng)了實(shí)時(shí)控制市場(chǎng)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(chǎng)演進(jìn)，現(xiàn)階段 TI 在實(shí)時(shí)控制市場(chǎng)也面臨著沖擊，較具代表性的競(jìng)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(shí)時(shí)控制 MCU 均基于Arm 內(nèi)核。目前Arm 內(nèi)核的實(shí)時(shí)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(shí)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(duì)比，圖源：極海

同時(shí)，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(shí)時(shí)控制方面也具備一定優(yōu)勢(shì)。例如，KEIL平臺(tái)編譯更快,而C2000 平臺(tái) 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(shí)間變長(zhǎng)；KEIL 平臺(tái)相較CCS 平臺(tái) 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(tái)能夠靈活實(shí)現(xiàn)硬件級(jí)多級(jí)中斷嵌套。

一個(gè)事實(shí)是，TI的實(shí)時(shí)控制MCU也增加了基于Arm? Cortex?-R內(nèi)核的高性能實(shí)時(shí)控制MCU系列，AM26x，并獲得了市場(chǎng)的認(rèn)可。

對(duì)于國(guó)產(chǎn)MCU廠商而言，技術(shù)進(jìn)步為進(jìn)軍實(shí)時(shí)控制市場(chǎng)提供了契機(jī)，市場(chǎng)需求增長(zhǎng)則帶來(lái)了充足的發(fā)展動(dòng)力。實(shí)時(shí)控制 MCU 在工業(yè)自動(dòng)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(chǔ)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(shí)時(shí)控制 MCU 的推出，精準(zhǔn)契合行業(yè)發(fā)展大勢(shì)，填補(bǔ)了國(guó)產(chǎn)高性能實(shí)時(shí)控制 MCU 的市場(chǎng)空白。如上所述，實(shí)時(shí)信號(hào)鏈?zhǔn)菍?shí)時(shí)控制的關(guān)鍵，極海從感知、處理、控制三方面入手提升實(shí)時(shí)信號(hào)鏈指標(biāo)，并首次公開 G32R501 系列全信號(hào)鏈性能測(cè)試數(shù)據(jù)。

靈敏感測(cè)

G32R501 系列集成了豐富的高性能模擬和信號(hào)處理外設(shè)，以增強(qiáng)芯片在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中的感測(cè)能力，包括 3 個(gè) 12 位 ADC（3.45MSPS 采樣率）、7 個(gè)內(nèi)置 12 位參考 DAC 的比較器、7 個(gè)增強(qiáng)型捕捉模塊（CAP）、2 個(gè)增強(qiáng)型正交編碼器脈沖（QEP）模塊和 4 個(gè) 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(jì)，主頻高達(dá) 250MHz，實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)時(shí)控制的核心特性，它允許芯片公司自主設(shè)計(jì)擴(kuò)展指令集并嵌入 CPU 中執(zhí)行?；?ACI 接口，極海實(shí)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(guò)在指令集層面集成對(duì)三角函數(shù)、傅里葉變換以及復(fù)雜數(shù)學(xué)計(jì)算的支持，提高了數(shù)學(xué)運(yùn)算效率，有效降低了 CPU 的訪問(wèn)延遲，進(jìn)而增強(qiáng)了系統(tǒng)的整體實(shí)時(shí)響應(yīng)能力和智能化水平。

同時(shí)，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(gè)核控制 PFC，另一個(gè)核控制 DC/DC，實(shí)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(gè)核做位置環(huán)/速度環(huán)的控制和通信管理，另一個(gè)核跑高速電流環(huán)，實(shí)現(xiàn)更高的響應(yīng)帶寬。

增強(qiáng)控制

極海 G32R501 系列通過(guò)內(nèi)置高精度控制單元提升了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制性能。

G32R501 系列內(nèi)部集成的PWM模塊提供16個(gè)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(hào)，并支持各種類型的功率拓?fù)洌惶峁╈`活的數(shù)字比較器，實(shí)現(xiàn)豐富的觸發(fā)源及動(dòng)作模式；支持靈活的配置加載模式，如立即加載、指定時(shí)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(gè)靈活邏輯塊（FLB），通過(guò)配置增強(qiáng)型外設(shè)互聯(lián)，可助力實(shí)現(xiàn)特殊控制脈沖邏輯，增強(qiáng)控制信號(hào)檢測(cè)及保護(hù)，以及定制串行數(shù)據(jù)協(xié)議等功能，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)并提高實(shí)時(shí)控制效率。

經(jīng)過(guò)這些針對(duì)性優(yōu)化，G32R501 系列的部分指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，這也是極海敢于公開 G32R501 系列全信號(hào)鏈性能測(cè)試數(shù)據(jù)的底氣所在。根據(jù)具體測(cè)試數(shù)據(jù)，G32R501 系列單核配置，在 Flash 中運(yùn)行代碼的相對(duì)執(zhí)行周期數(shù)降低了 11.5%（相對(duì)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(shí)間縮短了 64.6%。

G32R501系列性能測(cè)試結(jié)果（一），圖源：極海

G32R501系列性能測(cè)試結(jié)果（二），圖源：極海

除了實(shí)時(shí)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(dòng)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(shí)鐘檢測(cè)電路、糾錯(cuò)碼（ECC）與奇偶校驗(yàn)等），并符合 IEC 61508 SIL2 安全完整性等級(jí)和AEC-Q100 Grade 1 標(biāo)準(zhǔn)。

G32R501系列實(shí)時(shí)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(kù)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(jí)參考方案和專業(yè)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)。這些資源進(jìn)一步提升了 G32R501 系列的競(jìng)爭(zhēng)力，使其成為光伏/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(shí)時(shí)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(shí)，G32R501 系列與極海APM32F10x 系列工業(yè)級(jí)通用 MCU（已大規(guī)模量產(chǎn)） 、APM32F407 系列工業(yè)級(jí)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(shí)時(shí)控制MCU產(chǎn)品路線圖，圖源：極海

綜合性能來(lái)看，G32R501 系列屬于極海實(shí)時(shí)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(jí)和車規(guī)級(jí)。

后續(xù)，極海將在實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)控制 MCU 產(chǎn)品陣營(yíng)。目前，極海對(duì)標(biāo)競(jìng)品的入門級(jí)產(chǎn)品已在研發(fā)；對(duì)標(biāo)競(jìng)品的多核、高性能、高集成實(shí)時(shí)控制 MCU系列也已在預(yù)研。

結(jié)語(yǔ)

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

現(xiàn)階段，國(guó)產(chǎn) MCU 應(yīng)用不再局限于中低端市場(chǎng)，已在高端 MCU 市場(chǎng)嶄露頭角。在新的產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中，誰(shuí)能在技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品性能、市場(chǎng)拓展以及生態(tài)建設(shè)等方面取得全面優(yōu)勢(shì)，誰(shuí)就能脫穎而出。極海自 2019 年成立以來(lái)，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(jí)通用 MCU、電機(jī)控制MCU、車規(guī)級(jí) MCU、實(shí)時(shí)控制 MCU 以及 MCU + 驅(qū)動(dòng)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(duì) TI C2000 系列發(fā)起挑戰(zhàn)，以出色的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力彰顯中國(guó)芯實(shí)力。