简 介

先楫半导体为客户提供了480MHz - 1GHz的不同主频高性能MCU，适用于不同高算力、实时控制要求的场合。在电机、电源应用场合，需要us级响应和运算，对响应时间的一致性、快速性都有非常高的要求。随着MCU主频提高，MCU的存储方式和总线频率也更加多样化，先楫MCU中内部有ILM、DLM、AXI_SRAM、flash等多种存储空间，但同时不同存储需要的时钟也不同，给软件工程师设计带来很大困扰。先楫在官网已经提供了优化DSP和FFT运算、使用片上SRAM等相关应用文档。

本文重点简述基于电机、电源应用的具体代码优化方案。

1、ILM程序优化

以下展示的是HPM6280的系统框图

CPU内部包含了ILM、DLM、cache，这些内存都可达 600Mhz主频。AXI总线上有AXI_SRAM和ILM_SLV、DLM_SLV，访问频率可达200MHz，总线宽度64bit，可以cache缓存。XPI接口为QSPI总线，最高频率133Mhz，双沿采样，通常只有4bit宽度。其中AHB总线还有32kbyte SRAM，但主要用于外设存储，这里不做赘述。

实际应用中程序都会放到flash中存储，而XPI的接口速度极大限制了代码执行效率。此外，由于XPI接口是可以cache缓存，导致XPI执行时cache命中和没有命中的运行时间差别非常大，代码一致性很差。为了方便客户使用，可以生成工程时选用debug/release模式，指定程序在ILM中执行。随后通过先楫manufacture tool可以实现镜像功能，即生成在从FLASH 加载的RAM启动镜像。通过这种方式实现代码完全在ILM中执行。

镜像助手可将SDK中的debug/release 构建的应用转化为FLASH启动镜像。

关键参数:

• 固件首地址相对容器首地址偏移

• 加载地址

• 入口点地址

2、SEGGER编译优化在AXI_RAM执行

由于ILM空间限制，很多电源或电机复杂应用无法将程序全部放到ILM中执行，会导致因读取存储速度限制了CPU算力。 

HPM6200、HPM6E00系列在AXI总线的大容量SRAM可以配置成程序存储，其中HPM6260、HPM6E60还可以将CPU1的ILM、DLM配置到AXI总线上，基本满足了绝大部分应用。AXI RAM主频可达200Mhz，64bit位宽，有cache缓存，可以大大减少程序读取对CPU性能的影响。 

segger编译器可以自动生成flash加载到RAM的拷贝代码，只要在linker文件中配置相应特性，不需要额外修改flash拷贝代码。 

在linker文件中重新划分AXI RAM，增加代码区域。在软件中指定代码生成后存放区域。 

通过SDK GUI直接指定修改后的linker文件，即可实现代码在ILM+AXI RAM中执行。

代码指定区域可以通过SEEGER IDE批量指定文件或文件夹的程序放置区域，也可以在函数名前面增加函数宏定义。

3、GCC编译优化在AXI_RAM执行

先楫产品支持Andes加速指令，可以加速三角函数、指数运算等复杂运行速度，但同时需要GCC编译器支持。 

在linker文件中重新划分AXI RAM，增加代码区域。在软件中指定代码生成后存放区域。

与segger编译器不同，GCC编译需要增加额外代码实现flash加载到RAM的拷贝，需要修改相应的reset.c文件。 

支持Andes加速指令需要引用hpm_math.h库文件，会调用libdspf.a、libdspd.a、libdsp.a等封装库。由于封装库非明文代码，无法通过常规方法指定代码存放区域，导致调用该代码时会因代码放置在flash降低整体执行速度。需要在linker文件中额外配置响应代码区域分配。 

GCC编译后无法像segger一样编译后通过图形显示生成代码的占有率，且map文件阅读性差。对gcc编译的map文件需要引用AMAP.EXE工具。

GCC编译需要增加额外代码实现flash加载到RAM的拷贝，相应代码位于 SOC/HPM6XXX/TOOLCHAINS/GCC/reset.c 中。

在reset.c中函数c_startup实现flash到RAM程序的拷贝。 

程序运行时，会以start.s开始，进入main函数之前先调用c_startup 函数完成程序搬移，在客户的应用代码中不会因程序放置位置不同而增加额外操作。

4、优化小知识

segger编译器会将所有常数默认为定点数，即使该常数为小数，也需要在对应常数前加强制浮点转换或者在常数后面加“f”做说明。 

函数的inline定义在optimization level=0时是无效的，需要把优化等级设为1或更高。 

建议将常用函数或变量通过attribute属性定义到“.fast”和“.fast_ram”。 

先楫MCU为多总线系统，当CPU读写外设时会有时钟同步问题，建议在配置外设时尽量提高外设频率，减少时钟同步延迟。 

HPM6260以及HPM6E60可以通过ILM_SLV、DLM_SLV接口可以将CPU1的内部存储作为AXI_RAM使用。

很多MCU开发者对MCU晶体两边要各接一个对地电容的做法表示不理解，因为这个电容有时可以去掉。参考很多书籍，却发现书中讲解的很少，提到最多的往往是：对地电容具稳定作用或相当于负载电容等，都没有很深入地去进行理论分析。    

另外一方面，很多爱好者都直接忽略了晶体旁边的这两个电容，他们认为按参考设计做就行了。但事实上，这是MCU的振荡电路，又称“三点式电容振荡电路”，如下图所示。

MCU三点式电容振荡电路

其中，Y1是晶体，相当于三点式里面的电感；C1和C2是电容，而5404和R1则实现了一个NPN型三极管（大家可以对照高频书里的三点式电容振荡电路）。相关推荐:单片机中晶振的工作原理是什么？

接下来将为大家分析一下这个电路    

首先，上面电路图中5404必须搭一个电阻，不然它将处于饱和截止区，而不是放大区，因为R1相当于三极管的偏置作用，能让5404处于放大区域并充当一个反相器，从而实现NPN三极管的作用，且NPN三极管在共发射极接法时也是一个反相器。

其次将用通俗的方法为大家讲解一下这个三点式振荡电路的工作原理。

众所周知，一个正弦振荡电路的振荡条件为：系统放大倍数大于1，这个条件较容易实现；但另一方面，还需使相位满足360°。而问题就在于这个相位：由于5404是一个反相器，因此已实现了180°移相，那么就只需C1、C2和Y1再次实现 180°移相就可以了。恰好，当C1、C2和Y1形成谐振时，就能实现180移相；最简单的实现方式就是以地作为参考，谐振的时候，由于C1、C2中通过的电流相同，而地则在C1、C2之间，所以恰好电压相反，从而实现180移相。

再则，当C1增大时，C2端的振幅增强；当C2降低时，振幅也增强。有时即使不焊接C1、C2也能起振，但这种现象不是由不焊接C1、C2的做法造成的，而是由芯片引脚的分布电容引起，因为C1、C2的电容值本来就不需要很大，这一点很重要。

那么，这两个电容对振荡稳定性到底有什么影响呢？

由于5404的电压反馈依靠C2，假设C2过大，反馈电压过低，这时振荡并不稳定；假设C2过小，反馈电压过高，储存能量过少，则容易受外界干扰，还会辐射影响外界。而C1的作用与C2的则恰好相反。在布板的时候，假设为双面板且比较厚，那么分布电容的影响则不是很大；但假设为高密度多层板时，就需要考虑分布电容，尤其是VCO之类的振荡电路，更应该考虑分布电容。

因此，那些用于工控的项目，建议最好不要使用晶体振荡，而是直接接一个有源的晶振。

很多时候大家会采用32.768K的时钟晶体来做时钟，而不是通过单片机的晶体分频来做时钟，其中原因想必很多人也不明白，其实上这是和晶体的稳定度有关：频率越高的晶体，Q值一般难以做高，频率稳定度也比较差；而 32.768K晶体在稳定度等各方面的性能表现都不错，还形成了一个工业标准，比较容易做高。另外值得一提的是，32.768K是16 bit数据的一半，预留最高1 bit进位标志，用作定时计数器内部数字计算处理也非常方便。

随着科技的快速发展，人机交互技术在各个领域的应用越来越广泛，如智能家居、医疗、教育、工业等。在人机交互应用中显示类的需求日益增长。瑞萨针对人机交互的应用（TFT显示）推出了多款MCU产品和参考方案。从简单的串口屏方案到RGB和MIPI接口的TFT显示方案，瑞萨基于不同的MCU资源都可提供方案支持。

01、串口屏+触摸按键评估套件

① 基于RX140的串口屏+触摸按键解决方案：

② 基于RX671的串口屏+触摸按键解决方案

以上评估套件瑞萨可以提供原理图，simple code和应用笔记等设计资料，该方案非常适合要求支持串口屏+电容触摸按键的家电类应用，如线控器，温控器等。RX140&RX671为瑞萨自有32位内核产品，集成瑞萨自有的电容式触摸IP。RX140具有极低的功耗，适合电池供电类的应用。RX671产品片上集成最大2MB的Flash和384KB的RAM，外设资源丰富，可轻松实现单芯片的方案。

02、TFT HMI显示方案

① RX65N HMI显示方案

RX65N彩屏显示套件是基于144pin LQFP的封装, 支持WQVGA分辨率 (480*272) 和自带电容式触摸屏，并预留了USB, Ethernet, SD card的接口。评估套件上扩展了32MB QSPI flash，预置了多个演示demo。并提供免费的emWin图形工具，开箱即用。 

② RX72N HMI显示方案

RX72N彩屏显示套件是基于144pin LQFP的封装, 支持WQVGA分辨率 (480*272) 和自带电容式触摸屏，并预留了USB, Ethernet , microSD card，PMODx2和的接口。套件基于I2S接口可支持音频设备，可基于UART接口支持Wi-Fi/BLE的无线模块。评估套件上扩展了32MB QSPI flash，预置了多个演示demo。并提供免费的emWin图形工具，开箱即用。

③ RA6M3 HMI显示方案

RA6M3 HMI评估套件是基于144pin LQFP的封装, 支持WQVGA分辨率 (480*272) 和自带电容式触摸屏，并预留了USB, Ethernet , microSD card , PMODx2和Arduino接口，方便做通讯外设的扩展，评估套件上扩展了32MB QSPI flash, 预置了多个演示demo。并提供免费的emWin和LVGL图形工具支持，并官方对接QT图形工具（QT For MCU），开箱即用。RA6M3支持外扩SDRAM的接口，最大可支持WVGA (800*480) 的分辨率。

④ RA8D1 HMI显示方案

RA8D1是基于ARM Cortex-M85的最新架构跨界MCU，片上集成2MB Flash和1MB SRAM，支持MIPI DSI & RGB并行显示接口，摄像头输入接口，以太网接口和高速USB接口（Host & Device），支持32 MB SDRAM外扩和64 MB Octo-SPI Flash外扩，显示分辨率可支持1280*800。瑞萨基于不同的分辨率有多种评估套件。瑞萨官方支持emWin和LVGL的图形工具，并官方对接QT图形工具（QT For MCU）。多种GUI选择，让图形设计轻松自得。

03、总结

瑞萨提供丰富的HMI MCU产品和参考方案，开箱即用的方案支持，使HMI的设计简单化。

极海半导体将在7月8日-10日的慕尼黑上海电子展现场，展示全球首款基于Arm® Cortex®-M52处理器Helium技术的双核架构G32R5系列实时控制MCU。

基于新一代先进内核

DSP+AI增强的实时主控芯片

Arm® Cortex®-M52将基于Arm® v8.1-M架构的Cortex-M系列（包括Cortex®-M55和Cortex®-M85）的效率提升至全新高度，也是将ML功能引入微控制器的一个重要里程碑。

其中,借助Arm HeliumTM技术，以及基于Arm v8.1-M架构的M型矢量扩展单元（M-Profile Vector Extension，简称MVE），Cortex-M52实现了更高级别的DSP和ML功能。与前几代Cortex-M系列相比，Cortex-M52的 ML性能提升了多达5.6倍，DSP性能也提升多达2.7倍。此外，Cortex-M52通过支持自定义数据通路CDE（Custom Datapath Extension)接口，可扩展极海自主研发的高性能、低延时紫电TM数学计算加速单元，通过在指令集层面支持多种数学计算加速，从而大幅缩短了数学计算时间，并有效降低了CPU访问延时。因此，Cortex-M52能够满足新一代高能效数字电源及工业控制应用对实时性能及AI的严苛需求。

图转自Arm社区

G32R5实时控制MCU系列，基于40nm先进工艺制程，内置Cortex-M52 内核、紫电TM数学计算加速单元及高性能控制外设，支持-40℃~125℃的环境工作温度。G32R5以创新的架构设计大幅提升实时算力，其双核250MHz主频运行时，实时算力可媲美800MHz的Cortex-M7内核产品，满足新一代服务器电源、直流充电桩电源模块、光伏逆变器、车载充电机、高性能运动控制等应用的需求。

数字电源及工业控制领域

多项方案展现应用潜力

实时控制MCU的成功研发，离不开对目标应用的深入理解及系统特性需求分析。本次展会除G32R5系列MCU芯片的展示，极海还将同时展出基于该芯片的数字电源及工业控制应用方案，包括48V/50A双向电源、800W一拖二微型逆变器、400W EtherCAT总线型高压伺服控制器及低压无感双电机共四款应用方案，期望通过多个细分领域的实际应用案例，为现场来宾生动展示极海首款基于Cortex-M52的实时控制MCU芯片的优异性能及应用方案生态。

极海实时控制业务线高级产品经理Louis表示：“实时控制MCU是国产化率极低的细分赛道，市场份额被少数国外品牌占据。极海基于客户需求及应用场景的深度分析，从高实时算力、实时&灵活的控制外设、高可靠性、易开发性等维度扎根，推出G32R5系列芯片及数字电源及工业控制应用方案，以填补高性能实时控制MCU的国产空白。相信G32R5将为新能源及高性能工业控制等行业提供优质控制核芯选择。”

2024年6月27日，上海先楫半导体科技有限公司（先楫半导体，HPMicro）宣布中国首款拥有德国倍福公司（Beckhoff）正式授权 EterhCAT 从站控制器 (ESC: EtherCAT Slave Controller) 的高性能MCU产品——HPM6E00系列全面上市。该系列产品具备高性能运动控制、高实时工业以太网互联的特性、 提供RISC-V 双核，多达3端口的千兆以太网交换机，支持多种工业以太网协议和时间敏感网络 (TSN: Time-Sensitive Networking)，支持32 路高分辨率 PWM 输出、16位ADC、Σ∆ 数字滤波，带有专业的编码器管理模块、灵活的外部总线和敏捷的硬件电流环功能，在高精度运动控制系统中具备得天独厚的优势。先楫半导体HPM6E00系列产品实现了高性能MCU与高实时性、低延时工业以太网的完美结合，能够赋能行业客户在工业自动化领域大展拳脚，实现高性能伺服电机控制、机器人运动控制、数据传输系统和监控系统等多样化应用落地开花。

先楫半导体创始人兼CEO，曾劲涛

“HPM6E00内置德国倍福公司授权的正版EtherCAT 从站控制器 IP，为先楫客户全面排除了IP上的风险。先楫MCU是中国定义、中国设计、中国制造、为中国服务的产品。这款产品填补了国内MCU市场的空白，也标志着我国工业MCU已经达到了国际先进水平。”

先楫半导体执行副总裁 市场销售，陈丹（Danny Chen）

“中国产业升级、 企业出海，在这样的市场发展需求中，我们推出了这款市场期待已久的HPM6E00，它的一大亮点是集成高性能和EtherCAT技术，EtherCAT作为最通用和增长最快的工业实时以太网协议在中国和全球拥有大量的用户，先楫会携手更多合作伙伴一起进行资源共享、方案共创和技术创新等合作。”

EtherCAT技术协会（ETG）全球执行董事和主席，Martin Rostan

“EtherCAT Technology Group has more than 7700 member companies from 75 countries. We're also the fastest growing organization in the world with more than 500 new members in the last 12 months.”

广州致远电子股份有限公司董事长兼总经理，周立功

“这是一款市场上呼唤已久的产品，我们期待HPM6E00这款高性能微控制器能够尽快在各个领域应用落地，大放异彩。”

深圳市三旺通信股份有限公司联合创始人，吴健

 “三旺通信在工业领域已深耕20余年，我们深刻感知这款产品的发布在工业互联网时代的意义。”

深圳显控科技股份有限公司董事长，宋斌

“我们之前就有跟先楫合作，先楫的产品性能及稳定性非常不错。从前年开始我们就在找国内具备高主频、高算力、带EtherCAT接口的芯片，先楫HPM6E00产品刚好满足需求，帮助我们快速的推出产品。祝贺先楫产品成功上市，给工业市场创造更好的选择。”

产品性能

主频 600 MHz，RISC-V 双核， 片上内存可达 2 MB。

实时以太网系统：

• 千兆以太网交换机，支持多达 3 个外部端口和 1 个内部端口，支持时间敏感网络。

• EtherCAT 从站控制器，支持多达 3 个端口。

增强运动控制系统：

• 4 个 8 通道增强型 PWM 控制器，PWM 调制精度高达 100ps。

• 多种运动传感器接口，包括增量式和绝对值位置传感器接口，旋转变压器接口和磁编码器接口。

• 脉冲式位置输出接口和绝对值位置输出接口。

• 运动和位置控制单元。

• 硬件空间矢量变换和闭环控制单元。

• 可编程逻辑单元 PLB。

电源系统：

• 集成高效率 DCDC 转换器和 LDO, 支持系统单电源供电，可动态调节输出电压实现性能-功耗平衡，兼顾了电源的灵活性，易用性和效率。

• 多电源域设计，灵活支持各种低功耗模式。

• 超低功耗待机。

丰富外设：

• 多种通讯接口：1 个内置 PHY 的高速 USB，多达 8路 CAN/CAN-FD，以及丰富的 UART、SPI、I2C 等外设。

• Σ∆ 数字滤波 SDM，包含 SINC 数字滤波器，可外接Σ∆ 调制器。

• 4 个 2MSPS 16 位高精度 ADC，配置为 12 位精度时转换率可达 4MSPS，多达 32 个模拟输入通道；8 个模拟比较器。

• 多达 20 路 32 位定时器，5 个看门狗和 RTC。

• 2 个 8 通道 I2S 和数字麦克风。

应用分享

应用分享一：驱控一体多轴伺服驱动器

Samkoon M9是一款模块化可扩展EtherCAT总线伺服驱动器，整流模块支持3-5KW，逆变模块支持400W-750W单双轴以及1500W单轴输出，支持内置抱闸继电器，支持TYPE-C USB调试接口，配合上位机可以实现伺服参数的快速导出导入及曲线波形监视。M9系列伺服以完全国产自主的RISC-V内核的HPM6E80处理器为主控芯片，HPM6E80为双核处理器，每个核主频高达 600MHZ，具有丰富的外设，采用单颗芯片方案即可实现EtherCAT总线伺服系统的应用。

方案优势：

模块化设计，可扩展EtherCAT总线PLC及总线模块。

逆变轴共母线，能量回馈与能量消耗形成动态平衡，节省电能。

体积小,功率密度高，4轴节省25%空间，6轴节省35%空间。

内置MOS控制抱闸通断，抱闸接线更简单。

优化硬件设计，多轴伺服漏电流小。

可搭配EtherCAT总线PLC模块，多轴驱动和驱控一体同时覆盖。

EtherCAT采用单芯片实现，稳定性更好，成本更优。

电流环刷新频率64KHZ，速度环带宽3.1KHZ。

合作伙伴：深圳显控科技股份有限公司

应用分享二：多轴伺服驱动方案

NT6E80是由劲臣电子精心打造的一款高性能多轴伺服驱动方案，核心搭载了国产自主研发的先楫HPM6E80 RISC-V双核处理器，性能强劲，能够无缝支持伺服系统控制、远程IO管理及工业以太网网关等多种应用场景，展现了卓越的兼容性和灵活性。该产品设计精巧，配备1个输入与2个输出的EtherCAT端口，轻松驾驭4轴电机的同时，还内置了8通道数字输入，以满足多样化控制需求。为进一步适应复杂的工业现场，南天NT6E80还配备了CAN总线、RS485通讯以及IO-Link接口，确保了广泛的设备互连性。此外，提供的一路千兆以太网接口，为上位机通讯提供了高速通道，强化了系统的数据交互能力。

NT6E80专为严苛工业环境设计，在关键功能上实施了隔离保护措施并全面采用了高标准工业级元器件，确保了主板的可靠性和耐用性，是现代智能制造领域中不可或缺的高性能驱动解决方案。

合作伙伴：上海劲臣电子科技有限公司

应用分享三：交流伺服驱动平台

QM7E系列伺服采用先楫高性能HM6E00芯片，结合先进伺服软件算法，具备参数自整定、伺服单参数调整、共振抑制等功能，具备高性价比、高性能、高可靠性，调试简单易调整等特点。可以适配多种编码器协议，例如NRZ协议，BISS-c协议，QMA（莫森自有）协议等，支持17/23/25/26位分辨率编码器。基于其优异的性能指标和高可靠性设计，可应用于包括但不限于雕铣雕刻，激光切割，印刷包装，纺织机械，3C制造，机床，机械手机器人等行业。

方案特点：

速度控制范围：1：5000 r/min

速度环响应频率：3k Hz

速度波动：≤ 0.1％

转矩波动: ≤ 2%

合作伙伴：沈阳莫森软件有限公司

HPM6E00开发板

HPM6E00开发板现已全面开售，在先楫半导体官网可购买，售价￥498。

HPM6E00EVK提供双百兆网口，实现ESC功能，RGMII千兆网口，CAN接口，音频接口，sigma-detal 转换接口，HS USB接口以及标准的电机接口可以适配先楫的电机驱动板。同时HPM6E00EVK的FEMC/PPI插槽，方便用户实现各类总线接口，并默认提供FEMC/PPI子板，可以实现SDRAM和并口的ADC采样功能。此外，还提供树莓派接口以及板载的调试接口可以方便用户进行调试，同时也提供标准的JTAG接口供用户选择。

先楫HPM6E00 EVK 开发板，官方购买链接：