控製層

　　工廠控製層一般由許多工作在控製層的PLC組成。PLC收集傳(chuan) 感器數據，並做出是否改變生產(chan) 過程狀態和是否控製繼電器與(yu) 馬達以及工廠中其它機械設備狀態的決(jue) 定。它們(men) 可監控並管理分為(wei) 數百個(ge) 節點運作的大型I/O網絡。

　　PLC通常要求確定性行為(wei) ，也就是說，每次I/O行為(wei) 發生所用的時間（或處理器周期）都完全相同，每次都如此。在對實時確定性行為(wei) 要求不太嚴(yan) 格的環境中，一些PLC可利用實時操作係統（RTOS）來減輕基於(yu) 任務的編程，同時確保係統能夠在特定時間周期內(nei) 做出響應。

　　ARM Cortex-M3內(nei) 核的差異化特性之一就是其硬件支持確定性行為(wei) 。ARM Cortex-M3內(nei) 核可直接從(cong) 片上閃存中獲取指令和數據，無需從(cong) 高速緩存中獲取。這使硬件能夠在出現異常時保存CPU狀態。處理器在接收到外部中斷後將控製權轉交給中斷處理程序隻需12個(ge) 周期，而背對背中斷（即尾鏈）將控製權轉交中斷處理程序隻需6個(ge) 周期。

　　從(cong) 設計角度來看，Cortex-M3內(nei) 核的內(nei) 置確定機製使得采用單個(ge) MCU取代馬達控製的雙芯片解決(jue) 方案成為(wei) 可能。過去，需要數字信號處理器（DSP）來控製與(yu) 結點相關(guan) 的馬達，同時還需要MCU來處理與(yu) 係統其它部分的連接。基於(yu) Cortex-M3的MCU具有實現上述兩(liang) 種功能的能力。

　　確定性性能的硬件支持能夠與(yu) 為(wei) 支持確定性而設計的網絡協議實現最佳協作。具有高時間精確度的IEEE1588精確時間協議（PTP）可提供這種特性並具有多點傳(chuan) 送功能。從(cong) 自動化設計的角度看，這就意味著為(wei) IEEE1588 PTP提供硬件支持的10/100以太網是非常重要的外設。在一些更高端可編程自動化控製器（PAC）實例中，千兆位以太網的需求也隨數據傳(chuan) 輸量的提升不斷增加。

　　工廠自動化係統中另一種普遍使用的通信方法是可實現分布式與(yu) 冗餘(yu) 係統設計的控製器局域網（CAN）協議。

　　無線網絡現已成為(wei) PLC、傳(chuan) 感器以及其它節點級設備聯網的趨勢。WLAN（無線以太網）常被用於(yu) PLC與(yu) PAC之間的通信。

　　德州儀(yi) 器（TI）Sitara係列ARM微處理器在芯片上集成了麵向WLAN的以太網#p#分頁標題#e#MAC、CAN以及SDIO，並擁有支持網絡協議的必要性能。

　　在傳(chuan) 感器層麵上，ZigBee協議正在獲得認可。基於(yu) IEEE802.15.4無線電規範的ZigBee采用網狀網絡技術創建穩健的自配置網絡，它是工業(ye) 應用的理想選擇。

　　基於(yu) Cortex M3的MCU具有執行ZigBee協議以及除無線電之外所有相關(guan) 任務所需的性能。此外，Cortex M3還通過支持auto-MDIX處理10/100 Base T以太網通信（全雙工及半雙工）。

　　TI基於(yu) ARM Cortex-M3的Stellaris係列MCU具有片上集成以太網PHY與(yu) MAC的更多顯著優(you) 勢，不但比雙芯片解決(jue) 方案節省成本，而且還可節省電路板空間。對於(yu) 要求性能高於(yu) 10/100以太網的設計而言，設計人員應該選擇基於(yu) Cortex-A8的MPU，如TI Sitara係列。

　　Cortex-M3內(nei) 核針對片上閃存及SRAM的單周期訪問進行了優(you) 化，可實現設計人員之前在MCU中一直不能達到的高性能。由於(yu) 50MHz Stellaris Cortex-M3 MCU具備單周期閃存與(yu) 單周期SRAM，因此相比運行在100MHz下的其它MCU，設計人員采用運行在50MHz下的Stellaris MCU能獲得更多的原始性能。

設計問題

　　處理器內(nei) 核選擇的一個(ge) 重要判定點就是看它能否提供加速產(chan) 品上市的軟件，其中包括操作係統、庫以及通信協議棧。

　　圖形需求通常是選擇操作係統的主導因素。控製應用不但需要2D或3D圖形、視頻流以及更高的顯示分辨率，通常還需要功能齊全的RTOS、Embedded Linux或Windows Embedded CE操作係統，並將通過功能強大的處理器在家庭中得到應用，這些基於(yu) ARM9或Cortex-A8核（如Sitara ARM MPU中采用的）的處理器包含完整的存儲(chu) 器管理單元（MMU）。

　　可處理文本文件、2D基本圖元以及QVGA JPEG圖像的智能顯示模塊通常處於(yu) Cortex-M3 MCU的上限。Cortex-M3內(nei) 核具有存儲(chu) 器保護單元（MPU），有助於(yu) 小型RTOS與(yu) 輕量級linux內(nei) 核（如RoweBots的Unisom內(nei) 核）的高效使用。

　　ARM 架構的優(you) 勢之一就是前文提到的強大生態係統。這可帶來數目眾(zhong) 多的第三方認證通信協議棧，其中包括工廠自動化環境所需的專(zhuan) 用工業(ye) 通信協議棧。TI Stellaris MCU可通過提供StellarisWare軟件加速產(chan) 品上市進程，該軟件提供了各種外設驅動程序庫、圖形庫、#p#分頁標題#e#USB庫（用於(yu) 支持USB Device、USB Host和USB OTG）、啟動加載程序支持以及可在工業(ye) 應用中實現設備診斷的IEC 60730自檢庫。

　　Sitara MPU支持開發硬件、驅動器以及針對開源Linux與(yu) Windows Embedded CE6的電路板支持套件，並具有諸如Neutrino、Integrity以及VxWorks等RTOS的第三方支持，因而具有加速產(chan) 品上市的優(you) 勢。

　　功耗

　　功耗現已成為(wei) 所有應用的一個(ge) 重要特征，其中包括電力線供電的應用。不過便攜式設計主要關(guan) 注處理器功耗，工業(ye) 係統設計人員則將精力集中在盡可能保持低的效用成本。而且更低的功耗還具有積極的環保效應。

　　馬達在生產(chan) 車間和加工廠中普遍存在，通常會(hui) 消耗工廠大量的電能。讓人有些驚奇的是，MCU內(nei) 核的確定性性能可在電源效率方麵發揮重要的作用。比如在Cortex-M3中，MCU中斷服務響應效率提升60%時，係統級功耗將降低。中斷服務速度提高60%意味著MCU可將馬達的停止與(yu) 啟動速度提高60%，而且節約的電能可在一年中累加。此外，Cortex-M3內(nei) 核的高性能可用於(yu) 實現智能數字換流，從(cong) 而可以選擇更小的馬達投入使用，還可以選擇更高效率的馬達或者對馬達性能進行改進（例如AC感應馬達由空間矢量調製驅動，而不是由簡單的正弦算法來驅動），所有這些均可降低所需的係統電能。Stellaris MCU包含帶有死區定時器的專(zhuan) 用馬達控製PWM以及針對閉環控製的QEI，可幫助設計人員利用Cortex-M3內(nei) 核的計算能力提高效率，降低功耗。

　　另一個(ge) 功耗問題是設計全麵封閉的工廠自動化係統以預防車間環境下普遍存在的灰塵和其它汙染物的趨勢。如果對處理器及相關(guan) 電子設備進行製冷需要采用一個(ge) 以上散熱片，設計人員就必須考慮采用通風口和風扇，為(wei) 不使最初的全密閉係統目標落空，必須安裝昂貴的強製通風清潔係統。

　　Sitara係列MPU可通過適應性軟硬件技術滿足更低功耗的需求，該產(chan) 品可通過IC操作動態控製電壓、頻率以及功耗。

外設與(yu) I/O

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　　基於(yu) 標準ARM架構的處理器內(nei) 核價(jia) 值在於(yu) 其具有眾(zhong) 多的優(you) 勢。因為(wei) 係統級設計都建立在MPU與(yu) MCU基礎之上，所以IC製造商在圍繞內(nei) 核的片上係統中提供的功能也同等重要。存儲(chu) 器選項是一個(ge) 重要因素，由於(yu) 片上外設提供其餘(yu) 的產(chan) 品差異化，因此外設與(yu) IO接口的類型和數量也是非常重要的因素。

　　上麵討論了兩(liang) 個(ge) 重要的通信塊，CAN控製器和支持1588協議的以太網MAC與(yu) PHY。下麵列出了各種IO選項，其中許多選項都具有巨大的市場需求，因為(wei) 它們(men) 可實現廣泛的數據傳(chuan) 送應用。

　　I2C：用來連接低速外設的多主控串行計算機總線。

　　UART/USART：高級高速通用通信外設。

　　SPI：運行在全雙工模式下的廣泛使用的同步串行數據鏈路。

　　內(nei) 部集成聲控（I2S）：可將低失真信號驅動到外部IC以實現音頻應用。

　　外部外設接口（EPI）：具有各種模式的可配置存儲(chu) 器接口，可支持SDRAM、SRAM/閃存、傳(chuan) 統的主機總線x8及x16外設，以及150MB/秒的快速機器對機器（M2M）並行傳(chuan) 輸接口。

　　通用串行總線（USB）：用於(yu) 點對點或多點應用的USB接口，通常包括支持機器配置外部存儲(chu) 或USB OTG的USB主機。

　　在工業(ye) 應用中，超高速通用I/O（GPIO）、脈寬調製（PWM）、正交編碼輸入以及模數轉換器（ADC）通道等功能對於(yu) 馬達控製及其它機械和加工設備都非常重要。

　　圖3是一個(ge) 高端MCU的結構圖，主要說明了片上所能集成這些功能的數量。

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　　圖3：基於(yu) Cortex-M3的Stellaris 9000係列MCU提供了豐(feng) 富的外設集合

　　大多數IC廠商均可提供上述所有片上功能。在一些實例中，可通過更穩健的實施來實現產(chan) 品差異化。Stellaris係列器件上集成的以太網MAC與(yu) PHY和支持IEEE 1588是該產(chan) 品差異化的良好範例。

　　另一個(ge) 例子就是TI Sitara係列ARM9 MPU上提供的可編程實時單元（PRU）。PRU是一款具有有限指令集的小型處理器，可通過配置為(wei) 片上不具備的實時功能提供特定資源。

　　在工業(ye) 控製應用中，PRU通常針對IO進行配置。這可能是一種該產(chan) 品線任何MPU都不具備的定製接口或IO塊。與(yu) 添加外部芯片執行相同功能相比，使用PRU可幫助節省係統內(nei) 成本。例如，工業(ye) 設計人員可利用PRU實現UART或工業(ye) 現場總線（如Profibus）等附加的標準接口。PRU的全麵可編程性甚至可幫助設計人員添加其贏得的客戶專(zhuan) 有接口。

　　由於(yu) PRU可編程，因此它可在不同的執行環境中替代不同類型的IO以降低功耗並提升係統性能。例如，PRU可處理專(zhuan) 用定製數據處理，通過關(guan) 斷ARM時鍾減輕ARM9處理器負載。

　　本文小結

　　當越來越多的半導體(ti) 供應商紛紛采用ARM架構MCU與(yu) MPU時，工業(ye) 控製設備設計人員將能夠獲得更廣泛的IC選擇。產(chan) 品差異化將由矽片（均衡的存儲(chu) 器係統，快速I/O及外設以及可加速產(chan) 品上市的通信集成）的智能應用以及良好的軟件開發工具、庫以及工業(ye) 協議棧的提供情況來確定。因此僅(jin) 僅(jin) 擁有大量的MCU或MPU清單仍遠遠不夠。擁有生產(chan) 就緒型工具及開源軟件的詳細清單（如驅動器或基元及小控件的圖形庫等）為(wei) 設計人員的設計提供快速啟動，才會(hui) 占有更多的市場先機。