利用灵活的开发平台加速 MCU 和 MPU 项目

嵌入式系统及其应用正在迅速多样化，为其服务的处理器也是如此。为此，嵌入式处理器变得越来越复杂，为工程师提供了越来越多的选择，而这些选择往往在功能上有所重叠。虽然我们总是欢迎更多的选择，但探索各种可能性可能会耗费大量时间。为了在动态环境中取得成功，开发人员需要一种方法来快速评估从单片机单元 (MCU) 到微处理器单元 (MPU) 的多种芯片选择，同时简化原型开发流程。

一种帮助设计人员的方法是对硬件采取积木式处理。通过将简化的开发板与丰富的扩展模块库和支持软件相结合，设计人员可以根据需要进行搭配。

本文回顾了嵌入式系统设计要求的变化以及这些变化对处理器选择的意义。然后说明 NXP 的平台如何帮助设计人员探索多个处理器类别，从低功耗 MCU 扩展到高度集成的 Linux 级 MPU 和应用处理器。

嵌入式设计的界限越来越模糊

直到最近，大多数嵌入式应用都符合界限分明的类别。简单的输入/输出和控制逻辑属于 8 位 MCU 的范畴；32 位 MCU 则负责处理复杂的实时任务。需要完整操作系统 (OS) 或图形用户界面 (GUI) 的应用软件则完全属于 MPU 领域。

如今，这些界限已变得模糊不清。由于以前的独立应用增加了复杂的连接功能，许多传统的 8 位应用已被推入 32 位领域。复杂的软件栈正在实时应用中激增，融合了 MCU 和 MPU 应用的需求。与此同时，人工智能 (AI) 和机器学习 (ML) 正被整合到越来越广泛的应用中。

处理器类别之间的区别也变得模糊不清。高性能 MCU 现在具有图形加速器和 AI/ML 功能，而这些功能曾是高端 MPU 的专利。MPU 增加了以前只有 MCU 才有的实时功能。此外，对高端图形、AI 和其他复杂功能的需求也推动了应用处理器的推出，其架构借鉴了手机的设计。

所有这些都是在创新不断加速的情况下发生的。从设计周期开始到产品上市，市场动态会显著改变项目要求。例如，基于无头 MCU 的设计可能会意外地配备触摸屏，从而需要升级到 MPU。相反，产品营销团队可能会在最后一刻决定，高端产品需要配备入门级版本，从而急于寻找成本更低的处理器。

这些趋势和变化催生了对处理器评估生态系统的需求，以便设计人员能够轻松探索各种选择。传统的评估板难以满足这一需求。它们往往是为了展示一个处理器系列的所有重要功能，往往采用复杂的设计，针对狭窄的应用范围进行优化。因此，在一块评估板上投入的努力很少能转为另一块评估板所用。

灵活的平台可实现更快的处理器评估

为了满足嵌入式系统设计人员的需求，NXP 重新审视了这一问题，开发出了 FRDM 开发平台（图 1）。FRDM 开发板并不包含所有可能的功能，而是只包含基本功能：处理器、存储器和基本 I/O。通过利用 Arduino (Arduino)、Pmod (Digilent) 和 mikroBUS (MikroElektronika) 扩展针座组成的庞大生态系统，可以添加特定应用功能。NXP 的扩展板集线器支持这种模块化方法，为显示器、传感器、通信接口等提供了多种选择。

图 1：FRDM 开发板仅包含基本功能，而将显示和 I/O 等功能留给基于标准的扩展板。（图片来源：NXP）

这种积木式方法使得项目间的功能扩展和硬件重用变得更加容易。由于扩展模块共享相同的工业标准接口，因此可以用不同的处理器对同一外设板进行评估。例如，设计人员可以在入门级 MCU 平台上验证传感器模块，然后用高性能 MPU 重新使用该硬件，而无需重新设计原型。

这种灵活性之所以如此强大，是因为 FRDM 平台支持多种基于 Arm 的处理器。该产品系列以超低功耗、入门级 MCU 为起点，延伸至各种功能丰富的器件，包括为电机控制、图形和无线连接量身定制的选件。在高端产品方面，它包括具有千兆赫 (GHz) 级性能和先进功能（如 AI 加速器）的 MPU 和应用处理器。

入门级 MCU 开发板使用入门

FRDM-MCXC444（图 2）展示了 FRDM 平台的优势。这款入门级开发板采用 MCXC444VLH MCU，为成本敏感型嵌入式应用提供了超低功耗基础。该 MCU 属于 NXP 的 MCX C 系列，专为高能效和低成本应用而设计。

图 2：FRDM-MCXC444 入门级开发板采用低功耗 MCXC444VLH MCX C 系列 MCU、小型 LCD 和 USB 端口。（图片来源：NXP）

MCXC444VLH 由一个运行频率高达 48 兆赫 (MHz) 的 Arm Cortex-M0+ 内核构成。它在超低功耗运行模式下的功耗为 54 微安/兆赫 (µA/MHz)，在深度睡眠模式下仅为 1.96 µA。这种低电流消耗使其非常适合电池供电型应用。

MCXC444VLH 的另一个显著特点是集成了分段 LCD 控制器，无需外部驱动器即可支持多达 24 × 8 或 28 × 4 段。它还包括全速 USB 2.0 功能，无需外部晶体，从而降低了物料清单 (BOM) 成本和开发板复杂性。

FRDM-MCXC444 开发板通过内置 LCD 和 USB 展示了这些功能。其他值得注意的功能还包括加速度计和光传感器，可用于传感器驱动式设计的原型开发。对于需要简单用户界面和定期连接的电池供电型设备来说，该开发板就是一个很好的着手点。

利用主流 MCU 开发板快速启动电机控制设计

FRDM-MCXA346（图 3）已升至中端，突显了 FRDM 平台对更精细控制任务的支持。该开发板以电机控制为目标，采用 MCXA346VLQ MCU（属 NXP MCX A 系列，专为需要复杂集成的主流应用而设计。

图 3：FRDM-MCXA346 评估板基于 MCXA346VLA MCX A 系列 MCU，具有丰富的工业控制功能，包括 CAN FD。（图片来源：NXP）

MCXA346VLQ 采用运行频率为 180 MHz 的 Arm Cortex-M33 内核。它包括 1 兆字节 (Mb) 闪存和 256 千字节 (Kb) 静态随机存取存储器 (SRAM)，可为应用代码和数据提供充足的存储空间。该处理器的浮点运算单元 (FPU) 和数字信号处理 (DSP) 扩展使其非常适合复杂的控制算法。

MCXA346VLQ 可为电机控制应用提供全面的硬件支持。两个 FlexPWM 模块（每个模块有四个子模块）可提供多达 16 个互补脉宽调制 (PWM) 输出，用于驱动无刷直流 (BLDC) 和永磁同步电机 (PMSM)。四个 16 位模数转换器 (ADC) 的采样率高达每秒 3.2 兆 (M/s)，可对多个电机相位进行精确监控。两个正交编码器/解码器 (eQDC) 模块处理转子位置反馈，两个和/或/反相 (AOI) 模块为复杂的控制序列提供了硬件逻辑。

FRDM-MCXA346 开发板可直接访问关键 I/O，包括用于工业网络应用的全速 USB 和 CAN FD。该开发板支持并行显示和摄像头接口，无需外部硬件即可进行图形用户界面开发。这些特性使得该板非常适合开发需要人机界面 (HMI) 的工业设备。

利用高性能 MPU 开发板解决边缘 AI 问题

作为 FRDM 系列的顶级产品，FRDM-IMX8MPLUS（图 4）展示了该平台如何从 MCU 扩展到完整的应用处理器设计。该开发板基于 MIMX8ML8DVNLZAB，是 NXP 的 i.MX 8M Plus 系列的成员，具有多核 GHz 以上处理器和 AI 加速器。

图 4：FRDM-IMX8MPLUS 开发板基于 i.MX 8M Plus 系列的 MIMX8ML8DVNLZAB MPU；它包含丰富的多媒体接口和 AI 加速功能。（图片来源：NXP）

具体来说，FRDM-IMX8MPLUS 结合了四个主频高达 1.8 GHz 的 Arm Cortex-A53 内核和一个主频为 800 MHz 的专用 Cortex-M7 实时内核，以及一个每秒可进行 2.3 太赫兹运算 (TOPS) 的神经处理单元 (NPU)。这种异构架构为计算机视觉、语音识别和其他 AI 应用奠定了坚实的基础，同时还支持实时控制。

在多媒体和连接方面，该开发板提供了一整套接口。HDMI 2.0、MIPI-DSI 和双路低压差分信号 (LVDS) 输出支持显示器开发，而双路 MIPI-CSI 输入则实现了视觉应用的摄像头集成。网络和扩展功能同样丰富，配备了双千兆以太网、USB 3.0 和板载 Wi-Fi 6/蓝牙 5.4/802.15.4 三无线电模块。

通过全软件支持加速开发

FRDM 平台的硬件灵活性与全面的软件资源相匹配，旨在简化整个处理器系列的开发。NXP 提供两种软件开发途径，一种用于实时 MCU，另一种用于高性能 MPU。

在 MCU 开发方面，NXP 提供了 MCUXpresso 套装软件和工具。这是一款适用于 Cortex-M 处理器（如 MCX C 和 MCX A）的综合套件，包括 MCUXpresso 集成开发环境 (IDE)、VS Code 扩展、配置工具和高质量软件开发工具包 (SDK)。该路径专为实时应用而设计，支持熟悉的嵌入式集成开发环境，如 IAR Systems 的 Embedded Workbench 和 Keil MDK。

对于在像 i.MX 8M Plus 这样的处理器上进行的 MPU 开发，NXP 提供了强大的嵌入式 Linux 支持，包括针对 Yocto Project 和 Debian 的板级支持包 (BSP)。为了快速上手，NXP 提供了 GoPoint，这是一个预构建的基于 Linux 的演示库，还提供了针对计算机视觉、AI 和多媒体等高级应用的分步指南。

为了加快 MCU 方面的原型开发，NXP 还提供了 MCUXpresso 应用代码中心。这是由 NXP 专家和合作伙伴开发的软件示例和应用演示的集中存储库。该中心提供了 180 多个代码示例，涵盖电机控制、传感和 AI。这些示例旨在直接与 FRDM 开发板配合使用，从而使得在一个 FRDM MCU 开发板上构建的应用原型，能够迁移到另一个兼容的 MCU 上，且只需做很小的改动。

结语

随着嵌入式系统需求的不断发展和重叠，工程师们需要高效的方法来试验多个处理器，并快速为他们的想法制作原型。NXP FRDM 平台凭借其模块化硬件和共享软件资源，使得这项探索成为可能，支持从低功耗 MCU 到中端控制装置，乃至具备 Linux 级性能的 AI 增强型 MPU 等全系应用。通过标准化扩展和代码重用，它缩短了从概念到工作原型开发的过程，同时在设计扩展方面保持了灵活性。