Przegląd rynku mikrokontrolerów 2024

Piątek, 01 Marzec 2024

W dzisiejszym świecie mikrokontrolery stanowią fundament wielu urządzeń, od prostych sprzętów codziennego użytku, po zaawansowane systemy automatyzacji i robotyki. Branża ta cały czas się rozwija i na rynku pojawiają się nowe układy. Niektóre z nich przechodzą inkrementalny rozwój, inne są propozycjami wręcz przełomowymi, a jeszcze inne dostarczają znanych od lat, niezmiennych możliwości, ale przy niższym zużyciu energii czy niższej cenie. Przyjrzyjmy się, jakiego rodzaju układy wprowadzono w ostatnim czasie na rynek.

Mikrokontrolery to niewielkie, specjalizowane układy scalone, które odgrywają kluczową rolę w sterowaniu różnymi funkcjami elektronicznymi. Ich wszechstronne zastosowanie obejmuje obsługę czujników, wykonywanie obliczeń, kontrolę włączania i wyłączania elementów wykonawczych oraz komunikację z innymi urządzeniami. Mikrokontroler łączy w sobie procesor, pamięć programu, pamięć danych, różne interfejsy wejścia/wyjścia oraz inne funkcjonalności, takie jak przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC) i cyfrowo-analogowe (DAC).

Omawiany rodzaj układów scalonych zaprojektowany został do wykonywania pewnych z góry określonych zadań, przy ograniczonych zasobach – np. w układach o niewielkich rozmiarach i relatywnie małym zużyciu energii. Taka uniwersalność po części wynika z elastyczności, jaką stwarza programowalność, a po części z ogromnej liczby różnorodnych mikrokontrolerów dostępnych na rynku. Niektóre z nich są przeznaczone do ogólnych zastosowań, ale istnieje wiele układów, które dedykowane są do realizacji zadań w bardzo wąskiej niszy. Mikrokontrolery wykorzystywane są zatem do sterowania szeroką gamą konstrukcji, od systemów automatyki domowej, przez aplikacje medyczne, samochodowe systemy sterowania, po elektronikę przenośną, AGD czy urządzenia audio/wideo. Można je znaleźć w niemalże każdym urządzeniu elektronicznym, jakie mamy w domu.

W tym artykule skupimy się na najnowszych trendach w sektorze mikrokontrolerów oraz możliwościom, jakie oferują nowe układy. Przyjrzyjmy się, jakie rodziny mikrokontrolerów zadebiutowały w ostatnim czasie, a także: jakiego rodzaju mikrokontrolery zyskują, a jakie tracą na popularności, ze względu na kierunek rozwoju branży.

8-bitowce wiecznie żywe

Układy AVR to rodzina ośmiobitowych mikrokontrolerów, stworzona przez firmę Atmel. Obecnie produkowane są przez Microchipa, który w 2016 roku kupił Atmela. AVRy obecne są na rynku od 1997 roku i zdobyły od tego czasu ogromną popularność, głównie dzięki swojej prostej budowie i łatwemu programowaniu. Do dalszego ich upowszechniania przyczyniło się wykorzystanie układów z tej rodziny w szalenie popularnych wśród hobbystów modułach Arduino.

AVRy nie ograniczają jednak się do zastosowań hobbystycznych. Układy te często stosowane w urządzeniach konsumenckich czy przemysłowych, tym bardziej, że w ofercie firmy dostępnych jest wiele linii AVR, wyposażonych w funkcje dostosowane do bardzo wyspecjalizowanych wymagań.

Podobnie jest z nową rodziną układów AVR DD, opracowanych do zastosowań ogólnych i przemysłowych (oferują one bowiem wsparcie norm bezpieczeństwa funkcjonalnego).

Rysunek 1. Flagowy przedstawiciel rodziny AVR DD – układ AVR32DD14

Rodzina mikrokontrolerów AVR DD bazuje na znanym rdzeniu AVR ze sprzętowym mnożnikiem działającym w dwóch cyklach zegara, pracujący z prędkością taktowania do 24 MHz. Rdzeń ten pozwala na dostęp do wyjść i wejść w jednym cyklu zegara, ma wbudowany dwupoziomowy kontroler przerwań.

Mikrokontrolery AVR DD wyposażane są w pamięć Flash o pojemności 16, 32 lub 64 kB, SRAM o pojemności 2, 4 lub 8 kB oraz EEPROM o pojemności 256 bajtów, w zależności od układu – i są dostępne w obudowach 14-, 20-, 28- oraz 32-pinowych (VQFN, TQFP, SSOP, SOIC, jak i SPDIP). Zasilane są napięciem w zakresie od 1,8 V do 5,5 V.

Producent określa wytrzymałość pamięci na zapis i wymazywanie: dla Flash jest to 10 000 cykli, a dla pamięci EEPROM: 100 000 cykli. Retencja danych wynosić ma 40 lat w temperaturze 55°C. Podawanie tych informacji na pierwszej stronie karty katalogowej nie jest typowe, ale powinno być zrozumiałe, jeśli zwrócimy uwagę na informacje o wsparciu dla norm IEC 61508 oraz ISO 26262. Układ wspiera dodatkowo obliczenia CRC dla pamięci Flash oraz szereg typowych zabezpieczeń, takich jak watchdog, układ Power-on Reset (POR), czy detektor zapadu napięcia (BOD).

Nowe układy programowane są przy pomocy jednoliniowego, zintegrowanego interfejsu do programowania i debugowania (UPDI), podobnie jak wszystkie inne nowoczesne mikrokontrolery AVR.

Opisywaną rodzinę układów mikrokontrolerów wyposażono w zintegrowane bloki CIP. Elementy te redukują obciążenie procesora dzięki wykorzystaniu rozbudowanego systemu obsługi zdarzeń i konfigurowalnych peryferiów niestandardowych (CCL). MVIO rodziny AVR DD umożliwia dwukierunkową komunikację z układami pracującymi w innej w domenie zasilania, co eliminuje konieczność stosowania zewnętrznych konwerterów poziomów logicznych. Elastyczność nowych mikrokontrolerów sprawia, że są doskonałe do zastosowań wymagających sterowania w czasie rzeczywistym w systemach kontroli procesów przemysłowych, urządzeniach gospodarstwa domowego, instalacjach samochodowych czy urządzeniach Internetu Rzeczy (IoT). Mikrokontrolery AVR DB są dobrze radzą sobie też z przetwarzaniem sygnałów – wyposażone są w trzy wbudowane wzmacniacze operacyjne, 12-bitowy przetwornik ADC, 10-bitowy przetwornik DAC, a także układ detekcji przejścia przez zero i komparator analogowy. Peryferia te ułatwiają m.in. budowę interfejsów użytkownika opartych na pojemnościowej technologii dotykowej.

Wszystkie mikrokontrolery AVR są w pełni obsługiwane przez kompleksowy ekosystem rozwojowy, obejmujący środowisko MPLAB X i Studio – bezpłatne IDE Microchipa z wbudowanym kompilatorem GCC oraz potężne narzędzia konfiguracji kodu MPLAB Code Configurator (MCC) i START, generujące fabrycznie zwalidowany kod w C, który pomoże w poprawnym rozpoczęciu każdego projektu. Szybkie prototypowanie urządzeń z mikrokontrolerami AVR DD ułatwia zestaw ewaluacyjny AVR4DD32 Curiosity Nano Evaluation (patrz rysunek 2).

Rysunek 2. AVR4DD32 Curiosity Nano Evaluation kit firmy Microchip

Microchip oferuje również licencję na MPLAB® XC8 Functional Safety Compiler, która jest certyfikowanym przez TÜV SÜD pakietem kompilatora, obsługującym mikrokontrolery 8-bitowe PIC i AVR.

Popularne STM32 w nowej odsłonie

W 2023 roku firma STMicroelectronics wprowadziła do swojej oferty dwie nowe linie układów z rdzeniem ARM: STM32U5 oraz STM32C0. Różnią one się diametralnie zarówno parametrami, jak i docelowym zakresem aplikacji.

Seria STM32U5 to pierwsze mikrokontrolery ogólnego przeznaczenia, które otrzymały certyfikat NIST dla ich wbudowanego źródła entropii – generatora prawdziwie losowych liczb, przeznaczonego do wsparcia algorytmów szyfrowania. Certyfikat ten upraszcza i przyspiesza wdrożenie aplikacji, które potrzebują końcowej certyfikacji SP800-90B.

Nowe mikrokontrolery rozszerzają pojemność pamięci Flash do 4 MB i SRAM do 3 MB. Dzięki bogatemu wyposażeniu peryferyjnemu (obejmującemu nawet akcelerator graficzny 2,5D) nowe mikrokontrolery idealnie nadają się do aplikacji, takich jak sensory środowiskowe, napędy przemysłowe, automatyzacja budynków, inteligentne urządzenia AGD, urządzenia przenośne, sterowanie e-mobilnością i inne rozwiązania, zwłaszcza te stosowane w odległych, trudno dostępnych miejscach. Ponieważ miliardy takich urządzeń są wdrażane na całym świecie w miarę upowszechniania inteligentnych rozwiązań do pracy i codziennego użytku, te właśnie mikrokontrolery mają szansę zrewolucjonizować wiele aspektów naszego życia, poprawiając sprawność energetyczną urządzeń i wzmacniając bezpieczeństwo cybernetyczne. Seria STM32U5 wykorzystuje najnowszą ich generację rdzenia ARM – Cortex-M33 – która wprowadziła ulepszenia zwiększające wydajność, sprawność oraz odporność na ataki hackerskie.

Rysunek 3. Zestaw deweloperski Discovery z układem STM32U5A9NJH6Q do testowania możliwości graficznych układu

Nowe funkcje oszczędzania energii, obecne w układach z serii STM32U5, obejmują autonomiczne peryferia i tryb autonomiczny o niskim poborze mocy (LPBAM). LPBAM pozwala aplikacji zachować krytyczną funkcjonalność, podczas gdy rdzeń i inne nieużywane bloki przechodzą w dowolny z elastycznych trybów oszczędzania energii. Z tego stanu mikrokontroler może szybko wybudzić rdzeń, aby efektywnie przetworzyć partię danych, a następnie przejść z powrotem w tryb energooszczędny.

Seria STM32U5 wykracza poza typowe ograniczenia wydajności graficznej, które zwykle dotyczą oszczędnych energetycznie mikrokontrolerów. Układy z zaawansowaną jednostką przetwarzania grafiki (GPU) NeoChrom mogą obsługiwać rozbudowany interfejs graficzny, co wcześniej było możliwe tylko w drogich systemach opartych na dużych mikroprocesorach. Teraz mały mikrokontroler może zapewnić doświadczenia użytkownika podobne do tych znanych ze smartfonów, a w ramach rozwoju interfejsu graficznego można wykorzystać framework TouchGFX, który obecnie obsługuje format SVG i bogate zasoby graficzne.

Mikrokontrolery STM32U5 są dostępne w kompaktowej obudowie LQFP100, co pozwala na uproszczenie konstrukcji PCB przy minimalnej liczbie warstw. Konstruktorzy mogą szybko dostarczać nowe projekty, korzystając z zasobów, takich jak pakiety oprogramowania STM32CubeU5, nowe płytki deweloperskie NUCLEO-U545RE i NUCLEO-U5A5ZJ oraz zestaw demonstracyjny STM32U5A9J-DK.

Seria STM32U5 wzmacnia bezpieczeństwo cybernetyczne dzięki rdzeniowi Cortex-M33 z jednostką ochrony pamięci i architekturze TrustZone firmy ARM. Mikrokontrolery te wyposażone są również w akceleratory kryptograficzne do obsługi zaawansowanych algorytmów AES i wsparcie architektury klucza publicznego (PKA), zapewniają też odporność na ataki fizyczne. Obsługa kodów korekcji błędów (ECC) w pamięciach Flash i SRAM zapobiegają jednocześnie uszkodzeniom danych.

STMicroelectronics poszerzył także swoją linię ekonomicznych mikrokontrolerów, wprowadzając przystępną cenowo serię STM32C0. Firma kieruje ją do producentów m.in. urządzeń AGD, pomp przemysłowych, wentylatorów, czujników dymu itp., w których zazwyczaj wykorzystywane są prostsze mikrokontrolery 8-bitowe i 16-bitowe. Nowoczesny, 32-bitowy design STM32C0 pozwala na wprowadzenie ulepszeń przy zachowaniu zbliżonego kosztu oraz zużycia energii. Jednocześnie prostota omawianych komponentów i bezpłatny, rozbudowany ekosystem deweloperski (obejmujący narzędzia sprzętowe oraz pakiety oprogramowania) ułatwiają nowym użytkownikom wejście do świata 32-bitowych mikrokontrolerów. Seria STM32C0 jest objęta 10-letnim programem długowieczności ST dla produktów przemysłowych, aktualizowanym w cyklu rocznym.

ST zaprojektowało nową serię STM32C0 tak, aby projektanci mogli zdziałać więcej przy mniejszym wysiłku: mikrokontrolery umieszczone są w małych i ekonomicznych obudowach z tylko jedną parą pinów zasilania, co pozwala na wykorzystanie większej liczby linii I/O na potrzeby aplikacji, przy jednoczesnym obniżeniu kosztów materiałowych systemu. Ponadto na pokładzie znajduje się dokładny (1%) oscylator, co eliminuje potrzebę stosowania zewnętrznych układów taktowania. Ze względu na potrzebę zachowania „ciągłości produktowej” STM32, układy STM32C0 umożliwiają łatwą migrację do serii STM32G0 przy zachowaniu spójnego układu wyprowadzeń.

Rysunek 4. Zapowiedź rodziny mikrokontrolerów STM32C0

Seria STM32C0 integruje różne peryferia, w tym ADC z szybkością próbkowania do 1,7 MSps i sprzętową obsługą nadpróbkowania 16-bitowego, a także wiele timerów, w tym zaawansowany timer kontrolny do np. sterowania silnikiem. Dzięki rdzeniowi ARM Cortex-M0+, taktowanemu zegarem do 48 MHz, układy te osiągają do 44 DMIPS i uzyskały CoreMark o wartości 114, pobierając prąd zasilania na poziomie 80 µA/MHz.

Seria STM32C0 ułatwia projektantom wejście w świat cenionego ekosystemu rozwojowym STM32. Dostępna jest tania płytka deweloperska STM32C0 Nucleo (NUCLEO-C031C6) oraz dwa zestawy demonstracyjne STM32C0 Discovery (STM32C0116-DK i STM32C0316-DK). Zasoby oprogramowania obejmują narzędzie konfiguracyjne STM32CubeMX, wsparcie dla Microsoft Azure RTOS oraz pakiet STM32CubeC0 z warstwą abstrakcji sprzętowej (HAL) i bibliotekami niskopoziomowymi.

Nowi członkowie rodziny PIC

Mikrokontrolery PIC firmy Microchip są bodajże najstarszą z prezentowanych tutaj rodzin mikrokontrolerów. Pierwszymi układami z tej rodziny były PIC1650 i PIC1655. Przez wiele lat układy PIC ewoluowały, by stać się finalnie jedną z najpopularniejszych i wszechstronnych rodzin mikrokontrolerów na świecie. Większość procesorów PIC to układy 8-bitowe, choć w ofercie Microchip znajdują się też układy 16-bitowe (PIC24 oraz dsPIC30) oraz 32-bitowe (PIC32MX). W ostatnim czasie rodzina PIC powiększyła się o cztery układy 8-bitowe: PIC16F13145, PIC16F171, PIC16F181 oraz PIC18Q71.

PIC16F131 to kolejny krok w wykorzystaniu programowalnej logiki w mikrokontrolerach. Omawiana rodzina 8-bitowców ma wbudowane nowe moduły logiki konfigurowalnej (CLB), oferujące rozwiązania sprzętowe na miarę potrzeb i eliminujące konieczność stosowania zewnętrznych komponentów logicznych.

Mikrokontrolery te wyposażono również w niezależne moduły peryferiów (CIP), co w połączeniu z CLB umożliwia w pełni sprzętową realizację rozmaitych funkcji na bazie logiki kombinacyjnej, bez potrzeby angażowania samego procesora do tego celu. Proces opracowywania oprogramowania jest dodatkowo uproszczony dzięki narzędziu graficznemu, które pomaga syntetyzować niestandardowe projekty logiczne do implementacji w CLB. Rodzina PIC16F131 została zaprojektowana do aplikacji wykorzystujących niestandardowe protokoły czy też sterujących procesami czasie rzeczywistym, np. w przemyśle czy w motoryzacji.

Dzięki CLB mikrokontrolery wkraczają w teren zdominowany dotychczas przez układy programowalne (FPGA), umożliwiając użycie tych mikrokontrolerów w nowych obszarach rynku. Ponieważ działanie CLB nie zależy od prędkości zegara, prezentowane rozwiązanie wyróżnia się niskim zużyciem energii. CLB może być używany do podejmowania prostych decyzji podczas uśpienia procesora, co dodatkowo zwiększa energooszczędność. Mikrokontrolery z tej rodziny wyposażone zostały ponadto w szybki, 10-bitowy przetwornik ADC, 8-bitowy DAC, komparatory, timery oraz moduły komunikacji szeregowej (I²C i SPI), dzięki czemu mogą wykonywać wiele zadań na poziomie systemowym, bez użycia CPU. Rodzina ma być dostępna w różnych obudowach – od 8 do 20 pinów. Układy te wyposażono w maksymalnie 24-kilobajtową pamięć. Maksymalna częstotliwość taktowania to 32 MHz.

PIC16F171 to z kolei nowa rodzina mikrokontrolerów wyposażonych w rozbudowany zestaw analogowych peryferiów, umożliwiających zastosowania układu np. w aplikacjach czujnikowych. Układy dostępne są w obudowach z wyprowadzeniami w liczbie od 8 do 44, w wersjach z pamięcią Flash 7 kB do 28 kB i taktowaniem do 32 MHz. Mikrokontrolery te zawierają wbudowany niskoszumny wzmacniacz operacyjny, 12-bitowy ADC z możliwością pracy w trybie różnicowym, dwa 8-bitowe przetworniki DAC, do czterech 16-bitowych peryferiów dedykowanych do generacji sygnałów PWM i wiele innych peryferiów przeznaczonych do sterowania i komunikacji. Podobny charakter ma rodzina mikrokontrolerów PIC16F18146 – zawierająca dodatkowo wydajny zestaw niezależnych od rdzenia peryferiów (CIP), predysponujący ją do projektów systemów o ograniczonych rozmiarach, które pracują m.in. z wieloma czujnikami.

Dzięki 12-bitowemu ADC z wbudowaną opcją wykonywania prostych obliczeń, dwóm 8-bitowym DAC i kilku interfejsom komunikacyjnym, omawiana rodzina pozwala na łączenie różnych rodzajów czujników w jednym projekcie. Mikrokontrolery PIC16F171 mogą działać jako prcesory towarzyszące w bardziej złożonych systemach, takich jak automatyka domowa, sterowanie procesami przemysłowymi, motoryzacja czy Internet rzeczy (IoT).

Rodzina układów PIC18-Q71 łączy w sobie potężne CIP z wysokim poziomem integracji bloków analogowych, co ma w zamyśle uprościć prowadzenie pomiarów, a jednocześnie optymalizować wydajność systemu oraz obniżać koszty urządzenia. Mikrokontrolery te zawierają 12-bitowy, różnicowy ADC, konfigurowalne wzmacniacze operacyjne, szybkie komparatory analogowe oraz 8-bitowy port do routingu sygnałów z peryferiów cyfrowych. Dodatkowo na pokładzie znalazły się dwa zintegrowane, 16-bitowe modulatory PWM, 20-bitowy oscylator programowalny oraz 32-bitowy licznik uniwersalny. Bogaty zestaw bloków CIP – w połączeniu z menedżerem peryferiów analogowych (APM) – umożliwia prostą konfigurację bloków analogowych oraz szybkie reagowanie na zdarzenia systemowe. Nowa rodzina produktów dostępna jest w różnych opcjach obudów i wersjach pamięci do wielu zastosowań, w tym oświetlenia LED, systemów konserwacji predykcyjnej, urządzeń medycznych, automatyki domowej, sterowania procesami przemysłowymi, motoryzacji i Internetu Rzeczy (IoT).

Wszystkie nowe mikrokontrolery PIC programowane mogą być przy użyciu zintegrowanego środowiska MPLAB X. Ten darmowy pakiet IDE to oprogramowanie o dużej elastyczności, zawierające potężne narzędzia wspierające konfigurację, rozwijanie i debugowanie mikrokontrolerów Microchipa. Oprócz samego IDE, firma oferuje wiele darmowych i płatnych akcesoriów w ramach ekosystemu MPLAB. Dostępne są również płytki rozwojowe do omawianych mikrokontrolerów, które pozwalają na szybką ocenę przydatności tych układów w naszych zastosowaniach.

Mikrokontrolery ze wsparciem dla uczenia maszynowego

Firma Infineon wprowadziła w zeszłym roku nową rodzinę mikrokontrolerów do portfolio znanych układów PSoC (Programmable System on a Chip), opartych na architekturze ARM Cortex. PSoC Edge został zaprojektowany z myślą o nowej generacji aplikacji związanych ze sterowaniem i przetwarzaniem danych, dlatego oferuje sprzętowe wsparcie uczenia maszynowego (ML). Omawiana rodzina układów zapewnia nowy poziom doświadczeń użytkowników, ponieważ umożliwia tworzenie bardziej inteligentnych produktów o wyższej użyteczności, a ponadto obniża barierę interakcji między ludźmi a maszynami i dodaje świadomość kontekstu do aplikacji końcowych. Czyni to przy zachowaniu wysokiego poziomu ochrony prywatności i bezpieczeństwa, dzięki zastosowaniu wbudowanych technologii Infineon Edge Protect.

Układy PSoC Edge są oparte na wydajnym rdzeniu ARM Cortex-M55 ze wsparciem dla DSP Helium w połączeniu z ARM Ethos-U55 – lub na rdzeniu ARM Cortex-M33 w połączeniu z modułem NNLite od Infineon o niskim zużyciu energii. NNLite to własny akcelerator sprzętowy Infineona, przeznaczony do przyspieszania obliczeń sieciach neuronowych, wykorzystywanych w uczeniu maszynowym i aplikacjach AI. Wsparcie włączonych przez cały czas czujników i gwarancja szybkiej odpowiedzi sprawiają, że układy te są idealne do zaawansowanych segmentów IoT oraz przemysłowych, takich jak inteligentny dom, systemy bezpieczeństwa, urządzenia noszone, robotyka i wiele innych. Rodzina procesorów PSoC Edge charakteryzuje się dużą ilością pamięci wbudowanej, w tym nieulotną pamięcią RRAM oraz obsługą szybkiej, bezpiecznej pamięci zewnętrznej. Układy oferują skalowalność w coraz bardziej zaawansowanych, inteligentnych systemach nowej generacji, a jednocześnie zapewniają przenośność oprogramowania.

Możliwości obliczeniowe rodziny PSoC Edge rozszerzają wsparcie zaawansowanych aplikacji graficznych, głosowych, dźwiękowych i opartych na widzeniu maszynowym na istniejące portfolio PSoC. Nowe układy sprzyjają łatwej migracji aplikacji w obrębie rodziny oraz ścieżkę aktualizacji z istniejących konstrukcji (korzystających ze starszych generacji PSoC).

Wspierani przez bogaty zestaw narzędzi, programiści mogą wykorzystać zalety PSoC Edge do swoich obecnych i przyszłych potrzeb projektowych. Dzięki kompleksowej dokumentacji i uznanemu w branży oprogramowaniu ModusToolbox (z integracją z systemem AI Imagimob Studio), PSoC Edge skraca czas wprowadzenia nowych produktów na rynek.

Platforma oprogramowania ModusToolbox firmy Infineon zapewnia zbiór narzędzi deweloperskich, bibliotek i zasobów uruchomieniowych do systemów wbudowanych, umożliwiających elastyczne i wszechstronne działania deweloperskie. ModusToolbox obsługuje szeroki zakres aplikacji, w tym systemy konsumenckie, IoT, aplikacje przemysłowe, systemy inteligentnego domu, urządzenia noszone i inne. Imagimob Studio to platforma do rozwoju Edge AI, zintegrowana z ModusToolbox, która umożliwia kompleksowy rozwój ML, od akwizycji danych do wdrożenia kompletnego modelu ML. Gotowe projekty przykładowe i modele Imagimob sprawiają, że rozpoczęcie pracy z uczeniem maszynowym jest bardzo proste. Wspólnie z PSoC Edge, Imagimob umożliwia wdrożenie zaawansowanych modeli uczenia maszynowego w zastosowaniach brzegowych, z wykorzystaniem wsparcia akceleratorów, oferowanych w tej rodzinie mikrokontrolerów.

ARM to nie wszystko

W sektorze mikrokontrolerów zauważyć można pewną dominację układów z rdzeniem ARM, z wyjątkiem opisanych wcześniej procesorów 8-bitowych. Nie oznacza to jednak, że na rynku nie ma obecnie innych rozwiązań. Są one cały czas rozwijane, czego przykładem mogą być nowe produkty firmy Renesas.
Wprowadzona do sprzedaży we wrześniu zeszłego roku nowa rodzina mikrokontrolerów RL78/G24 firmy Renesas to układy, które charakteryzują się najwyższą wydajnością spośród wszystkich mikrokontrolerów w rodzinie RL78. Ta popularna linia produktowa obejmuje MCU 8- i 16-bitowe, przeznaczone do aplikacji energooszczędnych. Dzięki dedykowanemu akceleratorowi FAA oraz szybkiemu procesorowi, zdolnemu do osiągnięcia częstotliwości pracy do 48 MHz, układ ten może zaoferować bardzo wiele, nawet przy swoim niezwykle małym poborze prądu.

Rysunek 5. Mikrokontrolery z rodziny RL78/G24

Nowy mikrokontroler wzbogacony został o poszerzony zestaw peryferiów, w tym nowe funkcje analogowe i zegarowe, dzięki czemu idealnie sprawdza się w aplikacjach sterowania silnikami, zasilaniem czy oświetleniem. Dzięki FAA układ może ponadto sprawnie i niezależnie od procesora dystrybuować zadania do peryferiów (sterowanie falownikiem, szyfrowanie, pomiary czy proste operacje arytmetyczne), co znacząco zwiększa osiągi procesora.

Mikrokontrolery z omawianej serii wyposażono w 12-bitowe ADC z trzema kanałami o jednoczesnym próbkowaniu. Przetwornik oferuje wbudowane funkcje przetwarzania danych z szybkością do 1 µs na próbkę. Na pokładzie znalazł się też szybki komparator (do 50 ns opóźnienia). Mikrokontrolery z omawianej rodziny wyposażono w DALI-2 – standardowy interfejs do komunikacji z systemami oświetlenia. Układy te dostępne są w opcji z 64 lub 128 kB pamięci programu, 12 kB RAM, od 16 do 58 GPIO w obudowach QFN, QFP, SSOP i LGA. Najmniejszy z dostępnych układów w rodzinie mierzy zaledwie 3 mm × 3 mm.

Renesas dostarcza również od pewnego czasu moduł RX23W – z pełnym wsparciem dla Bluetooth 5.0 Low Energy, przeznaczony do sterowania i komunikacji bezprzewodowej w urządzeniach końcowych IoT. Wyposażony jest on w 32-bitowy rdzeń taktowany częstotliwością do 54 MHz, zintegrowane peryferia obsługujące komunikację Bluetooth Low Energy, antenę, oscylator i inne kluczowe komponenty toru radiowego. Moduł jest certyfikowany zgodnie z wymaganiami Bluetooth SIG. Bardzo mała obudowa LGA (6,1 mm × 9,5 mm) o 83 pinach umożliwia projektowanie kompaktowych urządzeń, z mniejszą liczbą zewnętrznych komponentów, co zmniejsza koszty materiałowe systemu. Układ oferuje również funkcję bezpieczeństwa – Trusted Secure IP (TSIP) – która zapewnia ochronę przed zagrożeniami urządzeń IoT, takimi jak podsłuchiwanie, manipulacja czy wirusy. Ponadto mikrokontroler RX23W wyposażony jest w bogaty zestaw interfejsów, niezbędnych w wielu aplikacjach IoT – w tym wsparcie klawiszy dotykowych, USB i CAN.

Do programowania nowego modułu RX23W przeznaczone jest to samo środowisko deweloperskie, co w przypadku innych mikrokontrolerów Renesas (RX, RL78 itd.), czyli Renesas CS+. Wbudowany Smart Configurator umożliwia automatyczne generowanie kodu dla peryferiów i Bluetooth za pomocą GUI, a także konfigurowanie ustawień pinów. Środowisko wspiera niestandardowe profile Bluetooth, z kolei Bluetooth Test Tool Suite dostarcza graficznego narzędzia do wstępnej oceny systemów bezprzewodowych i weryfikacji funkcjonalności BLE.

Rysunek 6. Mikrokontrolery z rodziny RX32W

NXP dla przemysłu i systemów Internetu Rzeczy

Firma NXP wprowadziła na rynek na początku tego roku nową serię mikrokontrolerów MCX – rodziny A14x oraz A15x. Są to uniwersalne mikrokontrolery, będące częścią większej rodziny MCX, która współdzieli ten sam rdzeń ARM Cortex-M33. Rodzina MCX powstała z myślą o połączeniu najlepszych elementów popularnych układów NXP z nowymi, innowacyjnymi funkcjami.

Seria MCX A to mikrokontrolery wielozadaniowe zaprojektowane do obsługi szerokiego spektrum zastosowań, oferujące skalowalność, niskie zużycie energii oraz inteligentne peryferia. Innowacyjna architektura zasilania ma na celu wsparcie efektywnego wykorzystania wejść/wyjść oraz wysokiej sprawności energetycznej przy prostym obwodzie zasilania, możliwym do zrealizowania w mniejszym niż dotychczas formacie. Przeznaczona do obsługi większej liczby pinów GPIO, seria MCX A pozwala projektantom korzystać z mniejszej obudowy, prostszego projektu płytki i niższych kosztów materiałów, a dodatkowo jest wspierana przez środowisko deweloperskie MCUXpresso.

Skalowalność pozostaje ważnym filarem serii MCX. Rodzina układów MCX A odgrywa w tym portfolio znaczącą rolę, jako podstawowa seria układów wielozadaniowych. Jest ona przeznaczona do szerokiego spektrum zastosowań obejmujących wiele rynków, takich jak m.in. komunikacja przemysłowa, inteligentne pomiary, automatyzacja i sterowanie, czujniki oraz urządzenia o niskim poborze mocy i/lub zasilanie bateryjnie.

MCX A14x taktowany jest zegarem o częstotliwości 48 MHz, a MCX A15x – do 96 MHz. Układy występują w obudowach QFN32, QFN48 i LQFP64, a zgodność rozkładu wyprowadzeń z innymi produktami NXP upraszcza migrację oraz aktualizacje systemów. Peryferia są również wspólne, dzięki czemu tworzenie oprogramowania także wymaga mniej wysiłku. Maksymalnie 8 pinów zdolnych jest do obsługi sporego obciążenia (do 20 mA), a dodatkowo są one odporne na na napięcia do 5 V, co w wielu sytuacjach niweluje potrzebę stosowania konwerterów poziomów logicznych.

MCX A używa podsystemu zasilania z LDO niewymagającym kondensatora na wyjściu i zdolnym do pracy w zakresie od 1,7 V do 3,6 V. Kluczową zaletą architektury zasilania MCX A jest jego wyjątkowo wysoka sprawność – 59 µA/MHz w trybie aktywnym (przy zasilaniu 3 V, w temp otoczenia równej 25°C), podczas uruchomienia z wewnętrznej pamięci Flash – lub 6,5 µA w trybie głębokiego uśpienia, z pełną retencją danych w pamięci SRAM i wybudzaniem w czasie 10 µs. Dodatkowo dostępny jest też prawdziwy tryb głębokiego uśpienia z wyłączoną pamięcią, który pozwala osiągnąć pobór prądu na poziomie poniżej 400 nA, niestety kosztem czasu wybudzania (który rośnie do 2,78 ms).

Mikrokontrolery MCX A integrują w sobie wszystkie najważniejsze peryferia, w tym UART, SPI, I²C oraz kilka liczników, choć w strukturze układów znalazło się również kilka godnych uwagi dodatków, które wyróżniają go spośród konkurentów.

MIPI I³C – następca I²C pojawił się w tym układzie nieprzypadkowo. NXP aktywnie uczestniczy w wdrażaniu nowej magistrali MIPI I³C w różnych rodzinach mikrokontrolerów. Interfejs ten został opracowany przez MIPI alliance, aby odświeżyć I²C, zapewniając wyższą prędkość transmisji danych interfejsami dwuprzewodowymi. I³C przedstawiany jest czasami jako alternatywa dla SPI. Wsparcie NXP dla MIPI I³C otwiera nowe możliwości aplikacji, takich jak mostkowanie protokołu I³C oraz inteligentne peryferia z szybkim interfejsem dwuprzewodowym.

Układy MCX A mają również kontroler USB Full Speed ze zintegrowanym PHY – do działania w roli USB Device. Istotną cechą podsystemu USB w MCX A jest programowanie w systemie (ISP) za pomocą boot ROM. Oznacza to, że produkty z tymi mikrokontrolerami mogą być aktualizowane za pomocą interfejsu USB.

Funkcje ISP są wbudowane w boot ROM MCX A. Błędne aktualizacje oprogramowania nie stanowią już problemu, ponieważ dzięki funkcji boot ROM istnieje opcja wgrania programowania zapasowego, gwarantująca działanie niezależnie od zawartości pamięci FLASH. Warto zauważyć, że funkcje ISP są dostępne również poprzez interfejsy UART, I²C i SPI. Ułatwieniem w korzystaniu z funkcji boot ROM jest możliwość wykorzystania narzędzia MCUXpresso SEC, które pozwala na opracowanie własnych procesów programowania produkcyjnego i aktualizacji za pomocą intuicyjnego interfejsu graficznego, z możliwością wyjścia operacji wiersza poleceń dla skryptowania. SDK układów dostępne jest jako open-source, a specjalne SDK do Zabezpieczania Danych (SPSDK) umożliwia zaawansowanym użytkownikom dalsze dostosowanie operacji z wiersza poleceń, jeśli zachodzi taka potrzeba.

W architekturze pamięci MCX A można wyróżnić jeszcze dwie kolejne ważne cechy. Pierwsza to kontroler pamięci cache o niskim zużyciu energii (LPCAC), wspierający obsługę pamięci podręcznej o wielkości 4 kB i dołączony do magistrali ARM Cortex-M33. Dzięki LPCAC dane i instrukcje mogą być dostępne z zachowaniem niskiej latencji. Dodatkowo rośnie też dostępność magistrali dla innych peryferiów, takich jak DMA, ponieważ wydajność procesora może zostać rozprzęgnięta z wydajnością pamięci systemowej. Jeśli mechanizm pamięci podręcznej nie jest wymagany, pamięć LPCAC 4 kB może zostać przekształcona w zwykłą pamięć instrukcji. Krytyczny kod programu i wektory przerwań mogą być umieszczone w tej części pamięci dla zapewnienia przewidywalnego timingu w aplikacjach sterowania w czasie rzeczywistym.

Podsekcja RAM w MCX A ma możliwość skorzystania z ECC, która może być używana w połączeniu z modułem raportowania błędów (ERM) w przypadku aplikacji wymagających większej niezawodności.

MCX A zawiera ADC o prędkości 4 MSPS, a także szybkie komparatory ze zintegrowanym 8-bitowym DAC generującym napięcia odniesienia. Podsystem analogowy może być połączony z podsystemem kontroli silnika, który obejmuje z kolei peryferia FlexPWM.

Połączenie możliwości komunikacji z zaawansowanymi peryferiami analogowymi i podsystemem kontroli silnika pokazuje, że układy MCX A są idealne do zastosowań takich, jak sterowniki napędów BLDC (także z implementacją algorytmów FOC), sterowania precyzyjnych serwomechanizmów w aplikacjach pozycjonowania, ale także w układach rozproszonego zarządzania akumulatorami (BMS).

Dzięki środowisku deweloperskiemu MCUXpresso, wejście w ten ekosystem jest relatywnie nietrudne. NXP oferuje programistom wolność wyboru sposobu tworzenia oprogramowania. Pakiet MCUXpresso oferuje podstawowe zestawy narzędzi deweloperskich (SDK), zintegrowane środowisko programistyczne (IDE) i narzędzia do konfiguracji mikrokontrolera. SDK dla MCX A obejmuje również niskopoziomowe sterowniki peryferyjne, konfiguratory i oprogramowanie Middleware, takie jak np. stos dla urządzenia USB. Jest ono dostarczane na licencji open-source. SDK może być używane również z innymi IDE, np. Visual Studio Code, środowiskami opartymi na Eclipse IDE, IAR Embedded Workbench i ARM Keil MDK.

SDK MCX A zawiera przykłady wszystkich powszechnych przypadków implementacji USB. Warto wspomnieć, że MCUXpresso IDE zawiera zaawansowane narzędzie konfiguracyjne do generowania niestandardowego kodu do urządzeń USB poprzez zarządzanie kodem inicjalizacji i deskryptorami urządzenia.Ciekawym aspektem dostarczanego pakietu narzędzi i SDK jest wsparcie dla nowoczesnych przepływów pracy CI/CD. Coraz więcej projektów systemów wbudowanych rozwijanych jest z zastosowaniem zwinnych metodologii i paradygmatów ciągłej integracji i ciągłego wdrażania. Projekty oparte na samym IDE są powszechne w przypadku rozwoju oprogramowania dla mikrokontrolerów, ale narzędzia dla MCX A obsługują również kompilacje z wiersza poleceń. Wewnątrz SDK znajdują się skrypty CMake, które można użyć w połączeniu z systemami Make lub Ninja.

Wraz z udostępnieniem serii MCX A, NXP ponownie wprowadza na rynek swoją sprawdzoną platformę rozwojową FRDM, tym razem rozbudowaną o nowe funkcje. Płytka rozwojowa FRDM-MCXA153 zapewnia wszystkie narzędzia do szybkiego prototypowania aplikacji opartych na tym nowym mikrokontrolerze.

Podsumowanie

Rynek mikrokontrolerów cały czas się zmienia. Mimo że obserwujemy na nim głównie znane i szeroko stosowane rodziny, to z każdym rokiem są one wzbogacane o kolejne układy z nowymi możliwościami. Opisane w powyższym artykule nowinki na rynku mikrokontrolerów pokazują, jakie są trendy całego rynku elektronicznego. Z jednej strony miniaturyzacja i redukcja poboru mocy przez elementy elektroniczne, z drugiej zaś – rozwój nowych możliwości, głównie w zakresie obsługi coraz większej liczby sensorów, integracji z systemami IoT, czy też – coraz częściej – wsparcia algorytmów AI.

Nikodem Czechowski, EP

Źródła: