Silicon Labs升级无线MCU:新的EFR32系列2芯片提高了性能和物联网安全性

2019-10-26 Silicon Labs

考虑到困扰第一代物联网设备的令人尴尬的安全漏洞,Silicon Labs正在将其最新的无线微控制器与更坚固的安全硬件结合在一起。安全启动,加密加速,辅助信道防御,安全调试端口和真实随机数生成器(TRNG)是其中的改进。 Wireless Gecko Series 2系列中的新EFR32xG21芯片也是Silicon Labs首款采用Arm的Cortex-M33的产品,并且它们已经为流行的IoT协议增强了2.4GHz无线电。


这些32位无线MCU自2019年4月起开始批量供货,以线路供电的物联网为目标。Silicon Labs还将开发即插即用无线模块和电池友好型产品,这些产品将继承其Wireless Gecko Series 1系列的节能功能(请参阅MPR 4/11/16,“ Silicon Labs Goes Wireless”) 。新芯片已经跻身市场上功耗最低的无线MCU之列。在活动模式下(尽管无线电处于静音状态),它们每兆赫兹仅消耗51微安。而且它们很小,将所有功能塞入只有32个引脚的4mm表面贴装QFN封装中。

图1. 新的EFR32BG21EFR32MG21几乎相同,不同之处在于后者实现了带有虚线标记的附加无线电协议。


如图1所示,新芯片基本上是具有集成无线通信的32位MCU,适用于最流行的IoT无线协议。 Cortex-M33 CPU实现了Arm v8-M指令集架构,包括TrustZone(请参阅MPR 11/14/16,“ Cortex-M23 / M33 Bolster IoT安全性”)。相比之下,较早的Series 1使用的是Cortex-M4F,它缺少那些高级功能。 CPU升级,加上专用的安全内核和附加的加速硬件,极大地增强了Series 2对攻击的抵抗力。


表1显示了EFR32BG21和EFR32MG21之间的区别。前者实现了蓝牙5.1协议,包括蓝牙低功耗(BLE)和蓝牙网格。后者实现了那些协议以及Zigbee 3.0,Thread和IEEE 802.15.4。每种设计也可提供不同的集成功率放大器。有些可以输出高达10分贝毫瓦(dBm),而其他的则可以输出高达20dBm。 Silicon Labs声称后者的无线电设备的工作范围是同类竞争产品的两倍。


与MCU一样,片上存储器也有所不同。某些型号具有512KB,768KB或1,024KB的闪存,以及64KB或96KB的SRAM。这些不是32位MCU领域中最大的内存,但对于典型的IoT应用而言已经足够了,并有助于使芯片保持较小。除了这些功能外,EFR32xG21产品实际上是相同的。所有人都可以在高达80MHz的频率下运行其Cortex-M33内核,并且它们共享相同的集成外设,I / O接口和安全功能。千片订量报价不到5美元,具体取决于无线电输出功率,闪存和SRAM。

表1. Silicon Labs EFR32系列2无线MCU。 dBm =分贝毫瓦; GFSK =高斯频移键控; OQPSK =偏移正交相移键控。 支持的无线电协议区分了这两个在其他方面相同的产品。 每个产品还具有带有不同功率放大器和存储器的型号。


具体性能

尽管80MHz Cortex-M33的性能是Gecko系列1的40MHz Cortex-M4F的两倍以上,但是除了无线电协议之外,它无法处理复杂的安全功能。因此,专用的安全性内核通过信任根身份验证,安全加载程序,加密加速,真随机数生成以及针对边信道攻击的对策,处理基于ROM的安全启动。类似的功能也出现在其他物联网处理器中,但在以前的Gecko Series 1系列中不那么全面。


硬逻辑可加速AES(128、192、256)和椭圆曲线加密(ECC P192,P224,P256); SHA-1,SHA-2(SHA-244,SHA-256)和HMAC哈希函数;椭圆曲线数字签名算法(ECDSA);以及两个公/私密钥协议:椭圆曲线Diffie-Hellman(ECDH最高为256)和通过密码验证的杂耍密钥交换(J-PAKE)。新的符合NIST的TRNG会创建这些操作所需的随机数。在将芯片部署到现场后,安全锁JTAG调试端口可以抵御入侵者,防御诸如差分功率分析(DPA)之类的侧通道攻击。


如上所述,根据型号的不同,集成功率放大器可使无线电输出+ 10dBm或+ 20dBm。发射时,无线电设备到接收器的每一米距离消耗426微安。该电流是完全激活时整个芯片消耗的每兆赫兹51微安的电流。在80MHz的全CPU速度下,芯片消耗约4.1mA电流,而无线电与10米远的设备通信时消耗的电流也差不多。输出功率的另一种表达形式是无线电在10dBm时消耗33.8mA的电流。


接收时,无线电的灵敏度(对于蓝牙长距离而言)为125kbps时为–105.1dBm,对于Zigbee和Thread为250kbps时为–104.5dBm(几乎是速度的两倍)。对于1,000kbps的蓝牙,它为–97.5dBm。这些灵敏度数字等于或超过竞争对手的数字。此外,Silicon Labs说,这些增强型无线电能更有效地阻止来自在相同2.4GHz免许可频段上工作的附近Wi-Fi路由器的干扰,该频段越来越拥挤。


蓝牙5.1包括BLE和Bluetooth Mesh,它们以各种其他行业品牌(例如Bluetooth Smart)销售给消费者。为了帮助开发人员,Silicon Labs提供了一个网格开发套件,其中包括其Simplicity Studio软件工具,三个无线主板,三个带+ 10dBm无线电的板和三个带+ 20dBm无线电的板。无线电板带有多协议范围测试演示,并且可以使用智能手机(不包括在内)通过BLE连接进行控制。


最快的CPU,最小的封装

表2.用于物联网的四个无线MCU


Wireless Gecko Series 2系列加入了越来越多的IoT无线MCU。最大的供应商是恩智浦,意法半导体和德州仪器,它们都具有新产品。如表2所示,EFR32MG21与NXP的Kinetis K32W0x系列,ST的STM32WB和TI的SimpleLink CC1352R竞争(请参阅MPR 5/7/18,“新型无线MCU支持物联网”)。竞争产品使用较旧的Cortex-M4F代替Cortex-M33作为其主CPU,但将其与Cortex-M0或Cortex-M0 +配对以卸载无线电协议,尤其是当芯片处于始终处于待机状态时。在80MHz频率下,M33的速度是其他芯片中M4F的两倍,因此它不需要无线电的额外帮助,但无法与待机时的低功耗相提并论。


由于这些MCU需要有关计算密集型安全处理的帮助,因此它们为相关的加密算法,哈希函数和密钥交换协议提供了硬件加速。所有产品均实现安全启动,以保护芯片免于加载损坏或受损的固件。 Silicon Labs,NXP和ST为闪存中的用户代码添加了保护。这些MCU都没有DRAM接口,而是依靠其内部存储器来存储代码和数据。 Silicon Labs通常在这方面拥有自己的优势,但保留ROM的大小。 TI巨大的256KB ROM还存储了低级802.15.4固件,其他低级驱动程序和TI-RTOS实时操作系统内核,从而为用户代码释放了闪存和SRAM。


EFR32系列2芯片可提供最高的环境温度范围,使其适合必须承受极端高温的应用。特别是,它们专为“智能” LED照明而设计。 (但是,它们不适合用于汽车应用。)为了挤入小灯泡,它们在该组中也是最小的。实际上,它们的4mm QFN略小于STM32WB的4.5mm芯片级封装。为了使尺寸更小,EFR32MG21省略了其他MCU提供的一些I / O接口。最值得注意的是,它缺少STM32WB和Kinetis芯片中标准的USB2.0和基本LCD接口。后者增加了SD卡接口,并且是该组中唯一的数模转换器(DAC),这说明了其较大的封装(多达191个引脚)。


在此比较中,Silicon Labs的有功功耗是最低的。但是,在待机模式下,其他MCU可以关闭主CPU并切换到消耗更少电流的Cortex-M0 / M0 +。在深度睡眠模式下,它们仅饮纳安培的电流。根据我们的估计,EFR32MG21的运行电压无法达到如此低的水平,因此对于使用小型电池的系统来说,这是不合格的。 Silicon Labs计划在今年晚些时候对具有较低睡眠功率的较新版本进行采样。其较早的Series 1 MCU在低睡眠功耗方面表现出色,该公司正在将相同技术应用于新产品。
如果目标应用是在线供电的,则EFR32MG21在此比较中可以与其他MCU有效竞争。尽管它对于IoT穿戴式设备来说足够紧凑,但在深度睡眠模式下会消耗掉小电池的过多电量。


总结

最初的Wireless Gecko Series 2芯片是Silicon Labs物联网处理器的重大升级。最受欢迎的是更强大的安全功能,Silicon Labs认为这对于新的物联网设计是必不可少的。安全威胁已经变得显而易见,以至于负责任的设计人员都无法忽略。幸运的是,更强的安全性几乎不增加芯片成本,并且硬逻辑比在软件中实现相同功能消耗的功率更少。加速器还释放了Arm CPU来处理无线电协议,这些协议以其自己的方式很复杂。


另一个重大升级是80MHz Cortex-M33:其性能是系列1系列40MHz Cortex-M4F的两倍以上。两者都是带有FPU的32位CPU,但是M33具有有价值的新功能。主要是,它实现了Arm v8-M ISA,其中包括TrustZone安全性。与M4F不同,它可以在安全分区中运行关键软件。而且由于M33与M4F软件兼容,因此系列1的客户升级到系列2时应该没有什么麻烦。


增强型无线电为更长距离提供了+ 20dBm选项,使客户可以为其系统设计选择适当的功率分布和无线范围。根据Silicon Labs的说法,无线电的选择性也更好-随着越来越多的无线设备陷入2.4GHz频段,用户将欣赏到这一改进。除了来自Wi-Fi路由器的常规流量外,无线电还必须增强其拒绝来自无人机,对讲机,无绳电话,微波炉,婴儿监视器以及使用此未许可频谱的其他许多消费类设备。


新型2系列芯片采用4mm QFN-32封装,是同类产品中最小的无线MCU。小型封装对于线型物联网产品(如LED灯泡)而言是必需的,它们为适用于电池供电设计的类似紧凑型产品铺平了道路。其异常高的温度范围使其适合于产生高热量或必须在热环境中运行的设备。


但是,通过牺牲USB和LCD接口,新型Wireless Geckos可以在没有外围芯片帮助的情况下限制它们可以解决的应用范围。许多IoT设备的显示屏很小,有些具有用于电池充电的USB端口,因此将来的Wireless Geckos可能会添加这些功能。尽管如此,最初的2系列芯片还是竞争产品的竞争替代品。

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  • 黑夜的平缓 Lv5. 技术专家 2019-12-24
    都是巨头的东西,按自己的需求选取即可。
  • 落花流水 Lv4. 资深工程师 2019-11-20
    学习学习
  • 136******43 Lv7. 资深专家 2019-11-18
    根据型号的不同,集成功率放大器可使无线电输出+ 10dBm或+ 20dBm。发射时,无线电设备到接收器的每一米距离消耗426微安
  • 沙鱼 Lv5. 技术专家 2019-11-08
  • 丝雨 Lv7. 资深专家 2019-11-05
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  • YKS Lv3. 高级工程师 2019-11-02
    支持一下
  • 137******96 Lv4. 资深工程师 2019-11-02
    功能强大啊!
  • ChenKai Lv4. 资深工程师 2019-11-02
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