借助MPU快速打造消费类应用的方法论
作者：Doctor M
人工智能时代，智能终端的出现意味着简单的顺序控制/处理已经无法满足用户需求，人机交互（HMI）的刚性需求需要更强大的系统性能，并运行复杂的应用程序。在这样的情况下，即便是已经支持 RTOS（实时操作系统）的高性能MCU（微控制器）同样力有不逮，MPU（微处理器）成为最理想选择。MPU能够支持用户开发具有复杂交互功能的应用，并让设备拥有广连接和云服务等功能。
图1：具备人机交互的消费电子（图源：sucai.gaoding.com）
人机交互必不可少
近几年，5G、人工智能等新兴技术给传统行业带来了翻天覆地的变化，对于消费类终端同样如此。在技术的创新推动下，当前的消费类终端已经不再是仅具备影音娱乐功能的“呆板”设备，简单具备影音娱乐功能，人机交互成为必不可少的产品功能。
从定义上看，人机交互是指人与计算机之间使用某种对话语言，以一定的交互方式，为完成确定任务的人与计算机之间的信息交换过程。在面向用户一侧，人机交互要求系统具备相应的操作界面，用户可以通过此界面和设备进行交流，并随时给出新的操作指令。
有产业人士公开表示，信息传播从口口相传到书藏典籍，再到如今的显示界面，互联网技术的快速发展让信息传递有了巨大的进步。当前，面对爆炸性增长的信息和应用，如果依然只是被动式接受，用户根本无法、也没有精力根据需求进行挑选。
人机交互可以大幅提升人从机器获取信息、选择应用的效率，让机器更好地理解来自人类的需求。就以服务机器人为例，需要具备宣传和导航功能，还要能够提供咨询、讲解，甚至是互动娱乐功能，以此带来更好的使用体验。
消费电子的自有规律
在消费电子领域，终端设备一方面要沿着智能化的路径继续发展，比如增加必要的人机交互功能，同时项目开发也需要结合消费电子本身的规律。
首先是消费电子更新迭代快，并不像工业制品和汽车等几年才换代一次，消费电子为保持产品竞争力，几乎每12-18个月就换代一次。对于厂商而言，如果要保持自家产品的竞争力，不仅需要更精细的成本控制，更快速的生产效率，同时研发新产品的速度也要跟得上。
其次是消费类应用愈发强调能效问题，低功耗是设计的开端和前提。随着计算机技术和微电子技术的迅速发展，嵌入式系统在包括消费电子在内的应用领域存在感十足，为了保障系统续航，并顺应节能减排的大趋势，嵌入式系统从芯片设计和系统设计两个方面出发实现低功耗设计，让产品在电池容量限制下拥有更长久的高性能表现。
第三点是当前消费类终端需要具备广泛的连接的能力，以应对多样化的通信和接口协议。纵览我们身边的消费类应用，无论是智能影音设备，还是可穿戴设备，几乎全都具备多项对外连接能力，比如WiFi、蓝牙、千兆以太网和USB接口等，同时为了扩展设备的显示能力，很多终端还配备了多样化的显示接口，比如HDMI。
第四点是消费电子要具备系统级的智能化，来实现复杂的应用设计。这一点大家也都感同身受，现在的终端不再只是简单的屏幕参数显示和按键调节，需要有各种的应用程序。因此，开发者需要借助安卓或者Linux等操作系统，丰富终端设备的应用生态。
第五点是消费类应用对于信息安全保护，以及系统稳定运营要求越来越高。在云服务、广连接的推动下，终端设备的功能不再局限于设备本身，在这个过程中，对于云配置、安全通信、证书管理、系统弹性、机密存储等方面，需要系统全面的安全措施，同时固件本身的保护也不能松懈。
上述几大特征综合起来，让今天的消费类应用开发充满挑战，稍有耽搁就可能延误商机，最终推向市场的产品已经不能满足最新出现的用户需求。
MPU大有可为
正如文章开头所提到的，基于MPU的开发套件可以帮助用户快速开发、设计出具备人机交互功能的消费类应用。从当前的产品属性来看，MPU可以分为两大阵营，一类是传统的MPU，另一类是跨界MPU。
传统MPU在核心方面和MCU有着较为明显的分界线，前者更多是采用Arm Cortex-A系列核心或者ARM9核心打造，具备丰富的外设接口。为了方便开发者从MCU过渡到MPU，通常采用系统级模块 (SOM) 或系统级封装 (SiP) 解决方案，来消除高速PCB设计的复杂性。
跨界类型的MPU是将Arm Cortex-A系列核心作为主处理器，另外还会搭载Arm Cortex-M系列核心作为协处理器。这样做的好处是，能够在保持低功耗和实时性能的同时借助开源软件堆栈的能力，并保留传统MPU在摄像头输入、显示输出、USB等方面丰富的外设资源。
不难发现，跨界MPU已经打破了高端MCU和低端MPU之间的界限，进而实现了MPU和MCU的“有机融合”，既保留传统MCU的实时性和控制力，又在性能上达到了MPU级别，让用户在开发一些特定应用方案时，不需要在实时控制和性能上做妥协。因此，跨界MPU成为新的发展趋势。
以上，我们从市场需求和产品发展的角度谈到了跨界MPU的优越性和必要性，接下来我们从具体的产品方面来看一下跨界MPU的性能表现，以及在产品应用方面的一些挑战。
贸泽电子在售的来自制造商STMicroelectronics（ST）的STM32MP1系列便是典型的跨界MPU，基于Arm的32位单或双核Cortex-A7和32位Cortex-M4打造，工作频率高达800MHz，为高级HMI开发提供可选的3D图形处理单元（GPU）。在软件支持方面，STM32MP1系列MPU既可受益于STM32系列生态系统经过验证的软件、工具和技术支持，又能够支持主流的开源 Linux 发行版——OpenSTLinux。
图2：STM32MP1系列MPU应用示例图（图源：ST）
从特征参数上看，跨界MPU无疑是极具魅力的，但正如ST在其官方微信推文中所讲，在使用MPU做产品设计时，要兼顾软件、硬件、PCB等多方资源，还要考虑MCU迁移和市场规律。并且，ST告诫广大工程师朋友不要延迟产品发布，这一点在消费电子市场尤其重要。因此，对于跨界MPU的利用，首先要理解产品。
贸泽电子在售的来自ST的STM32MP157C-DKx和STM32MP157F-DK2探索套件正是用于快速评估STM32MP1系列微处理器，让用户能够借助MPU从容应对来自消费电子领域的终极挑战。
图3：STM32MP157F-DK2探索套件（图源：ST）
评估板参数方面，STM32MP157F-DK2探索套件板载连接器包括以太网RJ45、USB Type-C DRP、4个USB主机Type-A、MIPI DSI以及ARDUINO Uno V3扩展连接器等。在STM32MP157C-DK2探索套件上，还额外提供4英寸TFT LCD、Wi-Fi 802.11b/g/n和蓝牙低功耗4.1。
图4：STM32MP157C-DKx套件电路板布局（图源：ST）
在安全方面，评估套件受益于STM32MP1系列MPU的安全性能，提供安全启动、TrustZone外围设备保护和防篡改能力，并能对Cortex-M4 资源进行隔离。
通过STM32MP157C-DKx套件，用户可以直观地感受STM32MP1系列MPU的性能优势，以及传统MCU的控制能力。丰富的板载器件和接口让用户可以深刻理解STM32MP1系列MPU丰富的GPIO资源。
当用户需要借助STM32MP1系列MPU打造高端可穿戴设备以及其他消费类应用时，通过STM32MP157C-DKx套件可以感受到STM32MP1系列MPU在HMI、显示、连接、影音和软件支持等多方面的能力，极大地缩短产品的开发时间，争夺消费电子转瞬即逝的窗口期。
跨界MPU融合无止境
消费电子是一个多元化的市场，在网联化和智能化的推动下，在HMI和影音娱乐功能之外，也寻求为消费者提供更人性化的服务。比如，让消费电子融合机器学习和机器视觉能力就是更进一步的智能化。
NXP i.MX 8M Plus 系列处理器便是具有机器学习和视觉的跨界MPU，能够为智能家居在内的消费电子应用提供高处理和控制性能。该系列处理器基于四核或双核Arm Cortex -A53处理器+Cortex-M7打造，并带有运行速度高达 2.3 TOPS 的神经处理单元 (NPU)、双图像信号处理器 (ISP) 和两个摄像头输入，为高级视觉系统提供必要的支撑。
i.MX 8M Plus 系列处理器在传统MPU和MCU的基础上，又加入NPU、ISP等智能硬件单元，这样的创新融合让工程师在借助该系列处理器设计方案时，需要考虑更多的要素，因此开发工具更显重要。
贸泽电子在售的来自制造商NXP的8MPLUSLPD4-EVK评估套件便可用于快速评估i.MX 8M Plus 系列处理器，它围绕处理器配备了存储器、显示屏、音频、连接等丰富的硬件和接口资源，如图6所示。开箱时，除了i.MX 8M Plus CPU模块和基板，还有USB A转micro B电缆、USB 3.0转Type C电缆和USB Type C电源。
图5：8MPLUSLPD4-EVK评估套件（图源：恩智浦）
图6：8MPLUSLPD4-EVK评估套件特征参数（图源：NXP）
通过8MPLUSLPD4-EVK评估套件，用户可以快速体验i.MX 8M Plus 系列处理器的丰富性能，在开发耳戴式设备、智能手表等移动设备和智能机器人、中小家电等智能家居设备时，可以参考8MPLUSLPD4-EVK评估套件上的电路方案，借助于所提供的音频、连接、显示和摄像头等资源做快速开发，并让该方案具备机器学习以及语音和视觉功能。
让MPU更好地赋能消费类应用
消费类应用具有自身的行业特性，比如更新迭代快、低功耗、广泛连接、用户可操作和信息安全等。同时，智能化的大趋势要求消费类应用具备人机交互能力，拥有可触碰的屏幕，可操作的程序，以及可互动的功能。顺应这些产业趋势，可运行安卓或者Linux等操作系统的MPU无疑是最理想选择。
当然，MPU复杂的PCB设计对开发者在器件的性能评估和产品原型开发方面提出了极大的挑战，贸泽电子在售的MPU开发和评估套件帮大家解决了这个烦恼，为消费类应用开发和量产按下加速键。
