利用靈活的開發平台加速開發 MCU 和 MPU 專案

嵌入式系統及其應用更加多元，其支援的處理器也是如此。因此，嵌入式處理器變得更複雜，能為工程師提供更多的選擇，但其功能往往相互重疊。雖然越多選擇越好，但探索各項選擇的適用性可能會非常耗時。要在不斷變化的環境中獲致成功，開發人員需要能夠快速評估多種矽晶選項的方法，從微控制器單元 (MCU) 到微處理器單元 (MPU)，同時簡化原型設計流程。

其中一種方式是對硬體採用模組化建置。設計人員可以將簡化的開發板結合具備豐富資料庫的擴充模組及支援軟體，並且依據需求組合搭配。

本文探討嵌入式系統設計需求的變化，以及對處理器選擇的影響。接著展示 NXP 的平台如何讓設計人員探索多種處理器類型，從低功率 MCU 延伸到高度整合的 Linux 級 MPU 和應用處理器。

嵌入式設計的模糊邊界

直到最近，大多數嵌入式應用的類別都很明確。簡單的 I/O 和控制邏輯屬於 8 位元 MCU 的領域；複雜的即時任務則由 32 位元 MCU 處理；需要完整作業系統 (OS) 或圖形使用者介面 (GUI) 的應用均屬於 MPU 的範疇。

如今，這些界線已經變得模糊不清。許多傳統的 8 位元應用已被推入 32 位元領域，因為原先獨立的應用添加了精密的連接功能。複雜的軟體堆疊在即時應用中快速普及，並融合 MCU 與 MPU 應用的需求。同時，人工智慧 (AI) 和機器學習 (ML) 正整合至更廣泛的應用中。

處理器類別之間的區分也不再分明。高效能 MCU 現在具備圖形加速器和 AI/ML 功能，而這些功能以往只屬於高階 MPU。MPU 也增加原本只有 MCU 才具備的即時能力。此外，對高階圖形、人工智慧等其他精密功能的需求更增加了複雜性，推動新的應用處理器，其架構源自行動電話。

同時，持續加速發展創新。從設計週期開始到產品發布期間，市場動態可能會大幅改變專案需求。例如，一個無頭 MCU 設計可能會無預警加入觸控螢幕，因而必須使用 MPU。反之，產品行銷團隊可能會在最後一刻決定高階產品需要搭配入門版本，進而需要緊急尋找低成本處理器。

這些趨勢和變化促成對處理器評估生態系統的需求，以便讓設計人員輕鬆探索各種選項。傳統評估板難以滿足這項需求：這些評估板通常用於展示處理器系列中的每種重要特點，因此往往採用針對特定應用範圍最佳化的複雜設計。因此，在一個板件上投注的精力常無法用於另一個板件。

靈活的平台可加速處理器的評估

NXP 重新審視這個問題，並開發 FRDM 開發平台 (圖 1)，回應嵌入式系統設計人員的需求。FRDM 板件並沒有加入所有可能的功能，而是只包含必要的組件：處理器、記憶體、基本 I/O。然後，可以利用 Arduino (Arduino)、Pmod (Digilent)、mikroBUS (MikroElektronika) 擴充排針座的龐大生態系統，添加應用特定的功能。NXP 透過其 Expansion Board Hub 支援此模組化架構，提供顯示器、感測器、通訊介面等選項。

圖 1：FRDM 板僅包含必要組件，顯示器和 I/O 等功能則由符合標準的擴充板提供。(圖片來源：NXP)

這種模塊建置方式有助於更容易在專案中延伸功能和重複使用硬體。由於擴充模組採用相同的業界標準介面，因此可以使用不同的處理器對同一周邊裝置板進行評估。例如，設計人員可能會在入門級 MCU 平台上驗證感測器模組，然後將完全相同的硬體再次用於高效能 MPU，而無需重新設計原型。

由於 FRDM 平台支援的 Arm 處理器種類繁多，因此具備高靈活性。此系列產品從超低功率的入門級 MCU 開始，延伸至各種功能豐富的元件，包括專為馬達控制、圖形、無線連線所設計的選項。高階產品包括具有千兆赫茲 (GHz) 級效能和進階功能 (如 AI 加速器) 的 MPU 和應用處理器。

使用入門級 MCU 開發板快速上手

FRDM-MCXC444 (圖 2) 說明 FRDM 平台的優勢。這是一款入門級板件，對重視成本的嵌入式應用提供超低功率的基礎，採用 MCXC444VLH MCU。此 MCU 屬於 NXP 的 MCX C 系列，專為對能源效率和低成本有最高要求的應用所設計。

圖 2：FRDM-MCXC444 入門級開發板採用低功率 MCXC444VLH MCX C 系列 MCU、小型 LCD 顯示器、USB 連接埠。(圖片來源：NXP)

MCXC444VLH 採用 Arm Cortex-M0+ 核心建置，運作頻率高達 48 MHz。在超低功率運作模式下，電流消耗為 54 µA/MHz；在深度睡眠模式下，僅消耗 1.96 µA/MHz。由於電流消耗低，因此非常適合電池供電的應用。

MCXC444VLH 的另一個顯著特點是其整合式區段 LCD 控制器，無需外部驅動器即可支援高達 24 × 8 或 28 × 4 區段。此外，還具備全速 USB 2.0 功能，無需外部晶體，可降低物料清單 (BOM) 成本和板件複雜性。

FRDM-MCXC444 板透過內建 LCD 和 USB 介面展現這些特點。其他獨特的特點包括加速計和光感測器，可以對感測器驅動的設計進行原型設計。此板件是良好入門產品，適用於需要簡易使用者介面和定期連接的電池供電裝置。

使用主流 MCU 開發板快速開始馬達控制

接下來討論中階產品，FRDM-MCXA346 (圖 3) 突顯 FRDM 平台如何支援更精細的控制任務。此板件針對馬達控制，採用 NXP MCX A 系列的 MCXA346VLQ MCU，專為需要精密整合的主流應用所設計。

圖 3：FRDM-MCXA346 評估板基於 MCXA346VLA MCX A 系列 MCU，並提供豐富的工業控制功能，包括 CAN FD。(圖片來源：NXP)

MCXA346VLQ 以 Arm Cortex-M33 核心為基礎建構，運作頻率為 180 MHz。其包含 1 Mbyte 的快閃記憶體和 256 Kbytes 的靜態隨機存取記憶體 (SRAM)，為應用程式碼和資料提供充足的儲存空間。此處理器具備浮點單元 (FPU) 和數位訊號處理 (DSP) 擴充，因此非常適合複雜的控制演算法。

針對馬達控制應用，MCXA346VLQ 提供全面的硬體支援：兩個 FlexPWM 模組，各具有四個子模組，提供多達 16 個互補脈寬調變 (PWM) 輸出，用於驅動無刷直流 (BLDC) 馬達和永磁同步馬達 (PMSM)；四個 16 位元類比數位轉換器 (ADC)，取樣率高達 3.2 Msamples/s，可對多重馬達相位進行精準監控；兩個正交編碼器／解碼器 (eQDC) 模組處理轉子位置回饋；而兩個 and/or/invert (AOI) 模組則為複雜的控制序列提供硬體邏輯。

FRDM-MCXA346 板可直接存取關鍵 I/O，包括全速 USB 和 CAN FD，可用於工業網路應用。此板件支援平行顯示和攝影機介面，無需外部硬體即可進行 GUI 開發。由於具備這些特性，因此非常適合開發需要人機介面 (HMI) 的工業設備。

使用高效能 MPU 開發板解決邊緣 AI 挑戰

FRDM 系列的頂級產品 FRDM-IMX8MPLUS (圖 4) 展示此平台如何超越 MCU，涵蓋完整的應用處理器設計。此板件基於 MIMX8ML8DVNLZAB，屬於 NXP 的 i.MX 8M Plus 系列一員，具有多核心 GHz-plus 處理器和 AI 加速器。

圖 4：FRDM-IMX8MPLUS 開發板屬於 i.MX 8M Plus 系列，基於 MIMX8ML8DVNLZAB MPU；包含豐富的多媒體介面和 AI 加速。(圖片來源：NXP)

具體而言，FRDM-IMX8MPLUS 結合四個運作頻率高達 1.8 GHz 的 Arm Cortex-A53 核心、一個運作頻率為 800 MHz 的專用 Cortex-M7 即時核心以及一個 2.3 TOPS 的神經處理單元 (NPU)。此異質架構為電腦視覺、語音辨識和其他人工智慧應用提供強大的基礎，同時也支援即時控制。

此板件具備一套全面的多媒體和連接介面：HDMI 2.0、MIPI-DSI、雙低電壓差動訊號 (LVDS) 輸出支援顯示器開發，而雙 MIPI-CSI 輸入允許攝影機整合，進行視覺應用。同樣具有豐富的網路和擴充能力，搭配雙 Gigabit 乙太網路、USB 3.0、 Wi-Fi 6/Bluetooth 5.4/802.15.4 三頻模組。

完整的軟體支援可加速開發

FRDM 平台的硬體靈活性搭配完整的軟體資源，能簡化全系列處理器的開發。NXP 針對即時 MCU 和高效能 MPU，提供軟體開發路徑以支援。

NXP 為 MCU 開發推出 MCUXpresso 軟體和工具套裝。此完整套裝適用於 Cortex-M 處理器 (如 MCX C 和 MCX A)，內含 MCUXpresso 整合式開發環境 (IDE)、VS Code 擴充功能、配置工具，以及高品質軟體開發工具套件 (SDK)。此路徑專為即時應用所設計，並支援常用的嵌入式 IDE，如 IAR Systems 的 Embedded Workbench 和 Keil MDK。

若要在 i.MX 8M Plus 等處理器上進行 MPU 開發，NXP 為嵌入式 Linux 提供強大的支援，包括 Yocto 專案和 Debian 的板支援套件 (BSP)。NXP 的 GoPoint 有助於快速入門。此資料庫包含預先建置、Linux 架構示範和逐步指南，適用於進階應用，如電腦視覺、人工智慧、多媒體。

NXP 還提供 MCUXpresso Application Code Hub，加速 MCU 端的原型設計。此集中式的軟體範例和應用示範資料庫，由 NXP 專家和合作夥伴所開發。提供超過 180 個程式碼範例，涵蓋馬達控制、感測、人工智慧。這些範例可直接與 FRDM 板搭配使用，能將在 FRDM MCU 板上建置的應用原型，以最小的改變遷移至另一個相容 MCU。

結論

隨著嵌入式系統需求不斷演進和功能重疊，工程師需要一些高效率的方法實驗各款處理器，並且快速將想法製作成原型。NXP FRDM 平台的模組化硬體和共享軟體資源可進行實際探索，支援從低功率 MCU 到中階控制，再到 Linux 級、AI 功能的 MPU 等各種應用。藉由延伸標準化及程式碼重複使用，縮短從概念到可用原型的路徑，同時保持靈活性以隨設計擴展。