實時控制MCU，開啟一輪鏖戰

最近幾年，國產廠商特別關注實時控制MCU這塊市場。相比競爭趨于白熱化的通用型國產MCU ，實時控制MCU/DSP如今已成為國產廠商重點突破的方向，市場供給持續活躍。

所以，實時控制MCU到底有啥不同，目前廠商開啟了怎樣的競爭？

實時控制MCU有啥不同？

首先，要明確的是實時控制MCU對于算法處理的需求，已經超出了傳統MCU功能范疇，所以它本身是單獨的一類MCU。由于系統對時間要求很嚴格，因此在實時控制時，系統需具有原始數據處理能力，并能在要求的精確時間內控制信號。

什么樣的MCU才能被稱作實時控制MCU？簡單而言，對特定類型的計算，算得“非常快的”。當然，此處的“快速”是相對而言的，用于表示可能達到的最佳性能。

那實時控制MCU和通用MCU有什么不同？目前通用MCU，更多的是產品矩陣規模化，也就是通過存儲、引腳、主頻以及內核等參數差異化，形成更多的SKU，覆蓋不同的場景。而實時控制 MCU 的核心競爭力在于實時性，也就是對 “信號鏈環路” 的深度實時優化，并不是單純依靠提升主頻就可以。

本質上，實時控制MCU的核心競爭力在于對實時應用場景的深度理解。具體而言，信號鏈環路的實時性涵蓋了信號采集、中斷響應、運算處理、外設控制等多個方面，任何一個環節的延遲短板都會導致整體性能下降。而通用MCU設計更側重標準化外設堆疊，很少針對這類專用場景進行鏈路級優化。這也是實時控制MCU需要專注技術積累的核心原因——有深度理解應用場景的鏈路特性，才能實現從硬件到算法的全鏈條性能優化，而這正是通用產品難以替代的壁壘所在。

其中，尤其是電機對于實時控制要求最為明顯，比如高速數控機床可以達到<5μm的精度，同時每分鐘旋轉超過20000次，想要實現這樣的效果意味著信號測量和系統調整之間的時間延遲通常在<1μs內實現。由于高度時間敏感計算負擔，過去設計人員使用FPGA/CPLD快速外部模數轉換器+多個MCU的組合，而現在只要使用實時控制MCU就可以了。

實時控制MCU的特點

TI在白皮書中曾經介紹過實時控制處理器的一些特性：

怎么評估一款實時控制MCU好不好？主要包括幾個點。

第一是信號鏈，它是CPU性能評估的重要組成部分。在實時控制場景中，閉環系統通過控制環路完成“數據采集-數據處理-定時更新”的完整流程。系統性能可通過信號鏈性能量化，信號鏈性能越高，閉環系統的運行速度越快。實時控制系統的構成包含三個核心環節：

• 采樣與反饋采集：需在精準時刻，以高精度測量電壓、電流、電機轉速、電機位置、溫度等關鍵參數；

• 處理與控制：使用采樣信息將控制算法應用于輸入數據并計算下一個輸出命令；

• 驅動：將計算得出的輸出指令作用于系統以實現控制。例如，通過調整電力電子驅動系統中脈寬調制器（PWM）的占空比來完成驅動。

實時控制的系統性能由多因素共同決定，不僅依賴CPU處理能力，還與外設訪問速度、中斷響應速度直接相關，這些要素共同定義了實時信號鏈的概念。提升信號鏈性能可帶來明確收益：在電機控制應用中，能提高直流總線利用率并拓寬電機運行速度范圍；在數字電源應用中，可提升控制環路頻率，進而實現元件小型化與成本降低。

實時信號鏈組成：

第二是存儲器，包括非易失性存儲器NVM（比如閃存）、隨機存取存儲器RAM、只讀存儲器ROM、CACHE、緊耦合存儲器TCM。其中，直接存儲器存取 (DMA) 至關重要，它是使子系統或外設能夠在無CPU干預的情況下訪問RAM的功能，這一功能可以提高數據吞吐量并有助于更高效地使用中斷。

第三是中斷延遲，中斷是處理器對需要處理的事件作出的響應，對實時控制MCU來說，延遲越低肯定越好。

第四是協處理器和加速器。為了讓計算更快，肯定不能什么任務都讓CPU去跑，畢竟加速器屬于術業有專攻，都是為了跑特定算法而定制的。比較常見的加速器包括：

• 三角數學單元：加速幾種特定的三角函數運算，如正弦、余弦、反正切、除法和平方根；

• 加密單元：加速加密算法，如數據加密標準 (DES) 對稱加密算法和高級加密系統 (AES) 對稱加密算法；

• 浮點單元：提供浮點數學支持，可緩解調節和飽和問題；

• 復雜數學單元：加速加法、減法和乘法等數學運算。

NPU和64位：實時控制MCU的升級路線

實時控制MCU是一個高穩定增長的市場，同時也是一個應用場景非常聚焦的市場。在這個領域中，TI的C2000一直是佼佼者。

C2000為什么實時控制能力這么強大？首先，系統需要對真實物理世界進行精密的傳感，即控制論的輸入，通過ADC與采樣電路，將模擬信號采集并轉化為數字信號。其次是處理單元，將各種電流、電壓、位置等信息進行計算。之后是輸出執行單元，通過PWM輸出至執行結構，另外還需要通信系統以對各個模塊進行溝通，包括EtherCAT、以太網、CAN、串行通信等等。

馬達驅動與數字電源變換是最為常見的實時控制系統，這兩種應用均要求處理器具備極高的實時性。C2000低延遲的互連技術，支持在單周期內完成ADC讀取和PWM更新，這有助于提高實時信號鏈的性能。更好的信號鏈性能意味著在電機控制應用中，可以提高直流總線的利用率和電機的運行速度范圍；而在數字電源應用中，則可以實現更高的控制環路頻率，減少所需組件數量，從而降低成本。

除此之外，對C2000來說，（CLB, Configurable Logic Block）也是一大創新點。有些應用會用FPGA實現時序關鍵或特殊功能，比如電機的編碼器，而TI 的CLB既能實現絕對編碼器、T-format等不同編碼器，也能實現有源EMI濾波器，減少數字電源應用中的EMI。

過去，傳統方案可能會使用MCU+CPLD的組合，而通過在C2000 MCU/DSP中集成CLB，便可以通過單芯片替代CPLD的監測和保護功能。現在，大多數國產廠商也在加入CLB，來加速實時控制效果。

那么，佼佼者C2000未來會如何升級？通過路線圖我們可以看到，幾乎每兩年，C2000就會有一次重要革新，近年來的革新速度明顯加快。而在近期，F28P55X及F29H85X無疑是最大的升級，這兩款產品一款搭載了NPU，另一款則是64位產品。

F28P55X是業界首款帶有NPU的實時控制MCU。NPU可應用在太陽能及供電系統中的電弧檢測以及電機驅動的預測性維護上，目前這兩大應用都是C2000的主要戰場。F28P55X的故障檢測的準確率可高達99%，且相對于CPU，在處理CNN模型時效率提升5~10倍。

在傳統的非NPU方案中，通過對直流母線電壓與電流進行采樣，并設置一系列觸發閾值或規則來判斷電弧是否發生。這種方法存在諸多限制，檢測準確率往往難以提升，一般僅能達到85%左右。檢測不準確可能導致兩種后果：一是漏報，即實際發生電弧但未被檢測到，從而增加火災或停機的風險；二是誤報，即未發生電弧卻發出警報，可能導致不必要的停機。另外，傳統的電弧檢測還需要一顆額外的CPU提供算力。而通過最新內置NPU的F28P55X，可在單芯片中完成DC/DC轉換器、逆變器以及MPPT系統，并且提供電弧檢測。

F29H85X則是極具顛覆性的64位C2000產品，其內核也升級到了C29。其處理位寬從32位躍升至64位，并配備了超長指令級架構，使得單個指令周期最多能并行完成8條指令。并行運算是DSP架構的一大優勢，這也是DSP與通用CPU之間的顯著差異之一。C29支持多種指令大小（16、32和48位）和可變指令包大小，指令包的大小可以是16位到128 位，從而實現更好的代碼密度，以及在單個CPU周期內執行最多8條16位指令。

C29到底有多強？與C28相比，C29在信號鏈性能上可實現2至3倍的提升。對于馬達驅動的數學運算與實時運算而言，其性能可提升2倍；而在電源變換方面，C29的性能則可提升約3倍。若僅就FFT運算而言，C29的運算速度相較于C28可快出5倍，與cortex m7內核比較，則快了6倍；C29 支持常規中斷（稱為 INT）和稱為實時中斷 (RTINT) 的優化中斷，RTINT 使用專用的硬件中斷堆棧，相比于C28提升了4倍。

當然，并不是說有了C29，C28就不發展了，TI在未來還會繼續不斷更新產品。總之，TI作為風向標，可以說給實時控制MCU指明了道路：一路條是加入NPU，加入AI；另外一條路則是顛覆計算，走64位的路。

國產廠商不斷加大布局

首先是納芯微，它選擇了Arm路線，并選擇高性能的M7內核。2024 年底，納芯微NSSine 系列實時控制MCU（DSP）工規版正式發布。彼時，納芯微表示，DSP算法效率以及實時性確實比Arm強很多，而如今Cortex-M內核已在電機、電源等領域得到了應用，驗證了Arm的性能絕對能夠勝任實時控制MCU的任務。

如今一年過去，納芯微在這兩個月“高強度”更新產品。首先，在今年9月，共同發布超高性價比實時控制MCU(DSP)——NS800RT113x系列 ，5元起售，實現算力平權。雖然該產品為入門級實時控制MCU，定位性價比，但核心架構與此前的中端、高端產品保持一致。

NS800RT1135/1137 搭載主頻200MHz的M7內核，支持ECC的128~256KB Flash與 80KB TCM（CPU核內0等待內存），均支持ECC功能，顯著提升實時計算性能。配合納芯微自研的 mMATH 數學加速核，可高效處理三角函數、超越函數與浮點運算，全面增強控制類應用的算力支持。集成高速 ADC 采樣模塊以及高精度PWM 輸出模塊，確保了鏈路的實時性。

而后，又在10月連發三款新品：中端算力新品NS800RT5075，高性價比新品 NS800RT1025、NS800RT1035。至此，NSSine系列已實現“高端-中端-入門級”全檔位覆蓋，全系搭載高性能Cortex-M7內核與可配置邏輯模塊（CLB），兼顧了MCU的易用性與FPGA的靈活定制性于一體。

NS800RT1025/1035 功能框圖，圖源丨納芯微

NS800RT5075功能框圖，圖源丨納芯微

其次是極海，也是Arm路線，不過其選擇了Cortex-M52內核。今年1月，極海正式發布首款基于M52雙核架構的實時控制MCU——G32R501，應用范圍覆蓋光伏/儲能逆變器、充電樁電源模塊、服務器電源、車載OBC、UPS、伺服控制器、機器人等。

內核方面，根據極海的說法，G32R5系列搭載雙核M52@250MHz內核，實時算力可媲美800MHz的Cortex-M7內核產品；內置單/雙精度浮點運算單元（FPU），支持Arm Helium技術，顯著增強高級數字信號處理（DSP）能力和機器學習（ML）應用性能，將AI算力帶入更低成本、更低功耗應用產品中；，通過支持自定義數據通路CDE接口，可擴展極海自主研發的紫電數學指令擴展單元，在指令集層面支持三角函數、傅里葉變換、復雜數學等多種數學計算加速，大幅縮短數學計算時間、降低CPU訪問延時，從而提升系統整體實時性和智能化。

極海和納芯微的思路一樣，也選擇了內置邏輯塊，不過名字有所區別——搭載4個靈活邏輯塊（FLB）通過配置增強型外設互聯，為片上控制外設提供高效、靈活的連接性能，從而簡化系統設計并提升實時控制效率。

此外，搭載16個高分辨率PWM通道（150ps分辨率）提供極高精度和準確度的控制信號，優化系統性能，同時具備卓越的電源拓撲適應性，能夠滿足復雜功率管理和動態控制的需求。

G32R501 MCU特性，圖源丨極海

第三是海思，其選擇自研RISC-V內核。根據其官方發布的信息，Hi3065P作為高性能實時控制MCU，主要應用于數字電機控制、開關電源管理等工業場景，而Hi3065H則是支持嵌入式AI的一款實時控制專用MCU。

第四是中科昊芯，其采用了RISC-V路線，并搭載自研的H28的DSP內核。HXS320F28035是中科昊芯浮點DSC平臺上的新產品，基于自主研發的H28x內核，32位浮點RISC-V DSP架構，該芯片增加了具備FPU浮點運算能力的控制律加速器（CLA），可以和H28x內核做并行計算，同時支持多種通訊端口，增強型控制外設，可滿足電機驅動，光伏逆變器和數字電源等多個行業應用。

第五是國防科大派系，方案以hex/bin兼容為最大特點。

總結

實時控制領域并非非黑即白，而是存在許多不同應用場景，有些場景對于實時控制要求不一定那么高，所以一些通用MCU也可以做實時控制。但很明顯，很多聚焦的場景，必須使用專用產品，所以國產廠商才通過Arm、RISC-V和自研DSP等路線切入市場。此外，國產廠商正在通過高端、中端、入門，鋪開自己的覆蓋范圍，未來市場競爭一定會更加激烈。

參考文獻

[1]TI：實時控制參考指南

[2]TI：https://www.ti.com.cn/cn/lit/wp/zhcaeq3/zhcaeq3.pdf

[3]TI：https://www.ti.com/cn/lit/wp/zhcy157/zhcy157.pdf

[4]納芯微：https://mp.weixin.qq.com/s/mAoV9FHdyUtker8hdIXNog

[5]EEWorld：https://www.eeworld.com.cn/mcu/eic711830.html

[6]Geehy極海半導體：https://mp.weixin.qq.com/s/aL3mwjnbtKedc0GIoEetsQ

[7]土人觀芯：https://mp.weixin.qq.com/s/b5Em5AMmwqmLyX1MCDTmDA

[8]芯小二的下午茶：https://mp.weixin.qq.com/s/Qgqn9AviAmrfowtlo5u9_g

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