圍攻C2000的國產(chǎn)實時控制MCU派系

C2000在新能源（含汽車，光伏，儲能，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 "實時微控制器的關(guān)鍵技術(shù)及國產(chǎn)玩家"基礎(chǔ)做的更新；

一年時間，又多了幾家沖著實時控制(如C2000)去的國產(chǎn)芯片發(fā)布，有的確實讓人眼前一亮；

1、實時控制器概覽????????????

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

感知：通過ADC采樣需要被控制的信號：如電壓，電流，轉(zhuǎn)速等

計算：結(jié)合控制目標(biāo)及控制算法，計算當(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候，針對設(shè)計小二都有特別標(biāo)注一個參數(shù)：開關(guān)頻率

比如PFC在40kHz~150kHz，LLC: 130kHz~250kHz，電機一般10kHz以下

而太陽能逆變器，有的頻率會到500kHz的高頻

傳送門：大功率充電樁系列

這里就引出了實時微控制器的一個核心，環(huán)路控制的周期，就是圖1中完成感知，計算及執(zhí)行的時間；

10khZ，一個環(huán)路控制周期是100us；

100kHz，一個環(huán)路控制周期10us；

500kHz，一個環(huán)路控制周期2us；

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

圖3?TI，環(huán)路控制概覽

2、實時控制器的關(guān)鍵點

接著第一節(jié)的圖，看采集，信號處理，執(zhí)行涉及到的一些IP

ADC，

轉(zhuǎn)換時間，1Msps采樣率的ADC的采樣時間是1us，如果是500kHz開關(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，一個采樣轉(zhuǎn)換的時間在0.25us

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

小二畫了兩個對比示意圖，分別是3采樣保持單元+1轉(zhuǎn)換單元，和三個采樣保持單元+3個轉(zhuǎn)換單元的輸出結(jié)果示意；應(yīng)該容易計算，如果1Msps的ADC，他們輸出3個采樣結(jié)果的時間分別是<3us(三通道一起采樣保持，會省一些時間)和1us；

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

中斷響應(yīng)時間，看圖

CPU，

計算大腦，影響信號處理的時間；我們假設(shè)完成一個計算需要300條指令，比考慮浮點運算及乘除法運算情況下，假設(shè)RAM里面執(zhí)行，100MHz的CPU，完成需要3個us，我們把影響展開具體分析下：

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

CPU架構(gòu)，不同的CPU架構(gòu)，流水線的級數(shù)，不一樣，同一工藝級別可以支持的主頻率差別會很大，同40nm情況下，M0級別可能是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中國團隊研發(fā)的STAR-MC2同款），回頭有時間再介紹

Flash的取指速度，TCM，I/D Cache，一般程序都存儲在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這個虧，有的CPU主頻太快，F(xiàn)lash慢，這里就需要配置Flash的Wait Cycle，如果配置錯誤，可能導(dǎo)致芯片跑飛；

為了解決Flash慢的問題，從而提出了Instruction Cache和Data Cache的設(shè)計，以及Tightly Coupled Memory的設(shè)計，保證沒有系統(tǒng)存儲沒有短板；

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

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

PWM，

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

PWM作為控制器里面的重要單元，負責(zé)對外輸出控制，也負責(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HRPWM難嗎？我們算一個數(shù)字，德州儀器TI的高端C2000，支持150ps的分辨率，150ps，對應(yīng)的時鐘等效 1000,000/150MHz，即6.66GHz；而主頻只是200MHz，應(yīng)該說難度確實高；

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

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

3、幾大派系簡介

如文章開篇的圖，小二盤點下各大派系的特點：

國防科大：最大特點是hex兼容/bin兼容，里面進芯因為做的時間早，目前是唯一一家營收破億的，其他家應(yīng)該都在1000萬營收內(nèi)；因為是完全兼容，因此是否存在專利風(fēng)險，是否可以出口，會是商務(wù)層面的一個關(guān)鍵問題；

中科大派：這個派系基本是采用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擴展自主指令提供了基礎(chǔ)，有沒有用起來就看各家水平；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)有不少客戶有評估，至于口碑...

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

華太 HS32F7D377結(jié)構(gòu)框圖

翌創(chuàng)微?ET6001結(jié)構(gòu)框圖

通用MCU系：

目前國內(nèi)頭部的MCU廠家都已經(jīng)完成了實時控制的產(chǎn)品線布局：兆易，國民，極海，小華

小華參考STM32F334規(guī)格，憑借用40nm工藝優(yōu)勢，把主頻提升到了120MHz,奇怪的是沒有專門的硬件計算加速單元（類似三角函數(shù)加速等）；

國民參考STM32G4規(guī)格，憑借40nm工藝優(yōu)勢，把主頻提升到了200MHz，應(yīng)該說是G4的升級；

兆易圍繞E5x系列和H7系列，豐富了應(yīng)用參考設(shè)計；

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

小二也做個調(diào)研，請終端應(yīng)用公司工程師投票，芯片公司請圍觀...

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