Mikrokontrolery i układy FPGA

Mikrokontrolery i układy FPGA
Pobierz PDF Download icon
Dynamicznie rozwijający się rynek elektroniczny, szczególnie branża IoT powoduje, że producenci komponentów elektronicznych dostarczają na rynek układy integrujące bloki oraz funkcjonalność niezbędną do kompleksowego pokrycia wymagań aplikacji. Ten trend dotyczy głównie układów programowalnych lub mających możliwości konfiguracyjne, takich jak mikrokontrolery i układy FPGA.

Dla układów MCU głównymi rynkami obecnie napędzającymi produkcję jest IoT oraz automotive. Branża IoT wymaga od mikrokontrolerów wielu różnych cech charakterystycznych, którymi m.in. są: energooszczędność, szyfrowanie i zabezpieczenia sprzętowe, tryby energooszczędne, różnorodność pod względem zasobów, chroniona pamięć aplikacji, różne pojemności pamięci Flash, bezpieczny bootloader, kompatybilność względem wyprowadzeń, komunikacja bezprzewodowa, system czasu rzeczywistego, narzędzia do programowania i debugowania, zestawy do szybkiego prototypowania.

Silicon Laboratories

Jedną z najszybciej rozwijających się firm w zakresie mikrokontrolerów oraz układów bezprzewodowych dla aplikacji IoT jest Silicon Labs. Firma dostarcza na rynek układy dedykowane dla zastosowań w aplikacjach zasilanych bateryjnie, posiadających szerokie spektrum dostępnych zasobów wewnętrznych. Tabela nr. 1 przedstawia główne parametry charakterystyczne dla poszczególnych rodzin układów 32-bitowych z rodziny EFM. Każda z rodzin posiada cechy charakterystyczne dla siebie np. wielkość pamięci, maksymalna częstotliwość pracy, prąd w poszczególnych trybach pracy czy interfejsy.

Kompatybilność pin to pin

Zgodność pod względem wyprowadzeń wewnątrz rodziny oraz z pozostałymi rodzinami umożliwia zamianę danej wersji mikrokontrolera lub rodziny na inną bez większej ingerencji w sprzętowy projekt urządzenia. W tabeli 2 pokazano możliwości zamiany poszczególnych rodzin mikrokontrolerów w zakresie kompatybilności pod względem wyprowadzeń i oprogramowania. Jak wynika z zestawienia, projektant ma możliwość doboru układu z innej rodziny posiadającego wymagane zasoby wewnętrzne lub interfejsy.

EMS – Energy Management System

W celach optymalizacji zużycia energii oraz ułatwieniu konfiguracji producent zdefiniował sześć trybów pracy dla rodzin mikrokontrolerów, które odpowiadają za wyłączenie pracy poszczególnych bloków układu. Całość operacji związanej z zarządzaniem energetycznym układu kontrolowana jest przez EMS. Na rysunku 1 pokazano pracę poszczególnych bloków w zależności od trybu pracy mikrokontrolera. Patrząc na dane umieszczone w tabeli 1 widzimy, iż dla trybu EM4H pracy pobór prądu spada do 0,4…0,6 mA, natomiast dla EM0 wartości prądów pracy wynoszą od 63 mA do 225 mA/MHz.

Zabezpieczenia sprzętowe

W celu zapewnienia zwiększonego bezpieczeństwa dla urządzeń pracujących w systemach IoT, układy Silicon Labs, zarówno MCU jak i SoC (z wbudowanym transceiverem radiowym) są wyposażane w bloki kryptografii sprzętowej umożliwiające szyfrowanie SHA, ECC, AES oraz mające funkcję TRNG.

Zabezpieczenia oprogramowania

W celu zwiększenia bezpieczeństwa w aplikacjach wykorzystujących układy SoC, producent udostępnia również cztery wersje Bootloadera: Field Upgradeable, Secure Boot, Signed GBL Firmware Update Image File, Encrypted GBL Firmware Update Image File.

Protokoły komunikacji bezprzewodowej

W dobie Internetu Rzeczy dużą rolę odgrywa komunikacja bezprzewodowa. Konstruktorzy oraz firmy projektujące szukają rozwiązań kompleksowych, mogących uprościć i przyśpieszyć opracowywanie i rozwój projektu. Firma Silicon Labs oprócz mikrokontrolerów dostarcza również układy SoC umożliwiające komunikację w najpopularniejszych standardach przeznaczonych dla IoT (rysunek 2). Układy EFR32 pod względem budowy oraz organizacji wewnętrznej bazują na rozwiązaniach MCU z rodziny EFM32.

System czasu rzeczywistego

Rosnące wymagania dla układów komunikacji bezprzewodowej oraz brak jednego idealnego standardu komunikacji zmusza konstruktorów do stosowania rozwiązań niekiedy mogących obsługiwać minimum dwa standardy sieci. Wymusza to na dostawcach oferowanie rozwiązań kompleksowych pod względem software, zarządzania pracą układu oraz obsługi stosów komunikacji bezprzewodowej. Firma Silicon Labs po przejęciu firmy Micrium oferuje inżynierom możliwość zarządzania pracą aplikacji przy użyciu systemu czasu rzeczywistego, co pozwala na m.in.  dynamiczne przełączanie pomiędzy sieciami bezprzewodowymi oraz optymalizację efektywności pracy układu.

Maxim Integrated

Rosnący rynek IoT spowodował, że firmy wcześniej niemające rozwiązań z tego zakresu zaczęły oferować produkty dopasowywane do specyfiki rynku Internetu Rzeczy, łącząc zalety swoich dotychczasowych produktów oraz wymagań nowych produktów. Idealnym przykładem takich rozwiązań jest firma Maxim Integrated, która dotychczasowo dostarczała głównie mikrokontrolery z branży secure micro (secure payment, PIN pads, secure access control). Obecnie w rozwiązaniach producenta znalazły się rozwiązania przeznaczone do systemów bateryjnych łączących zwiększone kwestie bezpieczeństwa, komunikacji bezprzewodowej oraz low power.

Wiele wersji, duża różnorodność, zwiększone bezpieczeństwo

Na rysunku 4 pokazano zestawienie dostępnych i przyszłych rozwiązań od Maxim Integrated. Układy charakteryzują się dużym zróżnicowaniem wielkości pamięci wewnętrznej FLASH, minimalistycznym wykonaniem niektórych wersji (MAX32660), zaawansowanymi blokami AFE (MAX32600) oraz komunikacją bezprzewodową (MAX32656 oraz MAX32566). Ponadto, wersje układów /31, /21, /26 posiadają dodatkowo wbudowany TPU (Trust Protection Unit) rysunek 5.

PMU – zaawansowana energooszczędność

Podobnie jak w przypadku układów firmy Silicon Labs, układy Maxim Integrated mają siedem energooszczędnych trybów pracy, odpowiadających za pracę poszczególnych bloków. Za obsługę trybów pracy oraz minimalizację zużycia energii odpowiedzialny jest PMU (Power Management Unit). Na rysunku 6 zaprezentowano wartości zużycia energii w poszczególnych trybach pracy mikrokontrolerów, dla najniższego trybu układ pobiera około 230 nW mocy oraz 13 mW dla pełnej pracy przy 96 MHz.

TPU – zwiększone bezpieczeństwo

Dla zwiększenia bezpieczeństwa układy oznaczone /31, /21, /26 mają wspomniany wcześniej blok Trust Protection Unit, oferujący funkcjonalność taką jak:

- Modular Arithmetic Accelerator (MAA), True Random Number Generator (TRNG),
- Secure Nonvolatile Key Storage, SHA-256, AES-128/192/256,
- Memory Decryption Integrity Unit, Secure Boot ROM.

Maksymalną ochronę przed atakiem z zewnątrz, mającym na celu zmianę lub skasowanie oprogramowania zapewnia Secure Bootloader (rysunek 7). Bootloader taki zwiększa bezpieczeństwo aplikacji po przez m.in. sprawdzanie autentyczności oprogramowania, przywracanie oryginalnej kopii systemu przy próbach wymazania programu gdzie sam jest umieszczony w pamięci niedostępnej i niemożliwej do skasowania.

Wiele rozwiązań, wiele możliwości, precyzyjny wybór

Spośród wszystkich dostępnych rozwiązań, konstruktorzy mają duży wybór i wiele możliwości dla zbudowania wymaganej aplikacji przy użyciu właściwego układu. Wiele z powstających aplikacji koncentruje się na prostych funkcjonalnościach odczytu danych, przetworzenia oraz wysłaniu ich przy pomocy medium komunikacyjnego. Coraz więcej powstających projektów koncentruje się na wprowadzeniu dodatkowych kwestii związanych z bezpieczeństwem lub komunikacją w kilku bezprzewodowych standardach. Dla takich aplikacji bardzo ważne jest zarówno wykonanie energetyczne jak i cena jednak większą rolę odgrywa tutaj funkcjonalność samego układu, aby uniknąć dokładaniu kolejnych zewnętrznych scalaków, realizujących poszczególne zadania. Dlatego ważną kwestią jest wybranie odpowiedniego rozwiązania, pokrywającego niezbędne wymagane funkcje. Wielkość rynku rozwiązań komponentów jest duża, dlatego też kontakt z inżynierami aplikacyjnymi pomagają w zawężeniu spektrum poszukiwań oraz przy sprecyzowanych parametrach pozwalają na wybór konkretnego rozwiązania.

Kamil Prus
Inżynier Aplikacyjny
Computer Controls Sp. z o.o.
kamil.prus@ccontrols.pl

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
lipiec 2018
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Zobacz też
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik marzec 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio kwiecień 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje marzec 2020

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna marzec 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich kwiecień 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów