运用内建加速器的低功耗MCU 打造高性能边缘智能应用

物联网的不断扩展，推动了新一轮大规模的智慧化升级浪潮。智慧化正在从云端向具有机器学习（ML）能力的边缘设备转移，这些设备能够在本地处理传感器数据流，与基于云的AI系统相比，延迟更低，安全性更高，提供更好的用户隐私保护。为了将边缘设备从单纯的数据采集转换为具有自主操作能力的边缘智慧，开发人员需要具有多核性能并内置加速器的新型低功耗微控制器（MCU）来执行ML任务，同时最小化功耗预算以保持节能的系统设计。
因应未来的边缘智慧，恩智浦MCX产品针对广泛的物联网、边缘ML和工业应用场景进行了优化。此平台结合恩智浦LPC和Kinetis MCU系列的DNA，为智能互联设备重新定义下一代通用MCU。
在MCX产品组合中，恩智浦MCX N高性能系列是专为安全、智能的边缘应用而设计。N系列中的MCX N94x和MCX N54x MCU系列，具有高效的多核架构、内置EdgeLock安全子系统和用于实时推理的专用内置神经处理单元（NPU）。MCX N94x系列适用于工业应用，具有更广泛的模拟和马达控制外设，而MCX N54x系列针对消费和物联网应用。

150MHz的MCU能带来什么？答案远超想象
使用低功耗的150MHz MCU实现多任务处理性能、高级神经网络和ML功能听起来似乎非常困难。MCX N94x和MCX N54x基于高性能双核Arm Cortex-M33，运行频率高达150 MHz，芯片内整合高达2MB的闪存，可配置的带ECC检测的RAM、智能DMA、DSP协处理器、安全子系统和恩智浦设计的一体化NPU。开发人员可以使用这些内核和加速器的任意组合来完成具体任务，而无需提高MCU的时钟速度或增加功耗。


 
图一 : MCX N94x架构

芯片内多种加速器使MCX N系列MCU能够以低功耗预算高效地处理多个复杂任务，同时保证系统的安全性。多核心设计通过智慧、高效地将工作负载分配到模拟和数字外设，提高了系统性能并降低功耗。因此，MCU的工作电流消耗小于45μA/MHz，如果启用实时时钟（RTC）和保持8KB SRAM，掉电模式下消耗的电流不到2.5μA，如果在启用RTC和8KB SRAM的深度掉电模式下，消耗的电流不到1μA。
双核架构将功能全面的Cortex-M33内核与M33从核相结合来管理控制功能，使开发人员能够并行运行应用程序，或根据需要关闭单个内核来降低总体功耗。例如在物联网设备的安全无线（OTA）更新期间，主M33内核可以处理系统安全，而第二个从核执行控制功能。
随着MCX N系列发布，恩智浦自主研发的NPU亮相，以实现边缘的高性能和低功耗智能。与只使用CPU内核相比，内置NPU的ML吞吐量提高了30倍。


 
图二 : NPU的相对加速度

如此的ML性能表现在MCU领域，使得TinyML在资源和功率受限的边缘设备上展现超凡的运算力。突破性能边界，畅想如下的应用可能，例如实现复杂的深度学习模型、为门禁控制添加人脸和语音识别功能、为家庭安全系统建置电池供电的玻璃破碎探测器、为马达控制预测维护开发振动传感器和设计配备生物传感器的智能可穿戴设备等。

设计灵活安全
MCX N系列具有高精度混合信号模拟周边，具备更强的自主性，可以减少CPU中断并节省电力。例如ADC具备智能化设计，可以持续收集资料并在本地对储存的数据进行分配。MCU的两个16位ADC都可以用作两个单端输入ADC（有效地用作四个ADC）或用作单个差分输入ADC。
工业级通讯外设包括以太网、CAN-FD、BLDC/PMSM马达控制支持、高速和全速USB以及内置传感器接口（MIPI-I3C、I2C、UART和SPI）。为了提高灵活性，恩智浦的低功耗Flexcomm接口允许十个串行周边（包括SPI、UART和I2C）任意组合。
MCX N系列内建EdgeLock安全子系统，可以安全启动不可变的信任根、实现硬件加速加密、主动和被动入侵检测以及电压和温度篡改检测。这种安全架构为现场更新和在线传输提供支持，并防止远程原始设计制造商（ODM）过度生产。
为了简化和加速系统开发，MCX N系列支持恩智浦的MCUXpresso软件套件。开发人员可以选择使用功能全面的MCUXpresso IDE或IAR和Keil的IDE。恩智浦为驱动程序和中间件提供大量范例，并支持一系列RTOS选项，恩智浦的合作伙伴生态体系也提供一系列兼容中间件，如此可以实现大量应用程序的快速开发。

（本文作者CK Phua为NXP边缘处理业务部微控制器产品经理）