Nowa generacja wchodzących na rynek 32-bitowych mikrokontrolerów celuje w zajęcie sporego fragmentu rynku okupowanego dotychczas przez układy 16-bitowe, dając tym samym nowe możliwości jeśli chodzi o tzw. Internet rzeczy (Internet of Things) i wzrost inteligencji systemów, przy zachowaniu wydajności energetycznej.

Przyszłość jest 32-bitowa

Aby móc stwierdzić, jakie cele przyświecają producentom mikrokontrolerów, musimy spojrzeć na tendencje rynkowe na Dalekim Wschodzie, zwłaszcza w Chinach, które są największym odbiorcą tych układów. Według ostatniego badania firmy analitycznej IHS iSuppli dotyczącego tamtejszego rynku mikrokontrolerów, wg złożonego rocznego wskaźnika wzrostu (Compound Annual Growth Rate, CAGR) najszybciej rosnącymi segmentami są: przetwarzanie danych (CAGR = 12%) i aplikacje mikrokontrolerowe (CAGR = 7%). Wzrost ten napędza przede wszystkim elektronika przemysłowa i motoryzacyjna, co bierze się stąd, że międzynarodowe i krajowe firmy samochodowe zwiększają produkcję swoich fabryk w Chinach.

Dzięki rozszerzeniu oferty 32-bitowych mikrokontrolerów o układy z rdzeniami ARM Cortex projektanci mają większy wybór i nie są już zmuszeni do korzystania tylko z architektur należących do kilku wiodących dostawców. Duży i ciągle rosnący ekosystem, który powstał wokół mikrokontrolerów z rdzeniami ARM, obejmuje także zewnętrzne moduły dla kompilatorów, systemy czasu rzeczywistego, stosy programowe, obsługę wyświetlaczy LCD i inne narzędzia. Dzięki tym motorom wzrostu oraz sukcesowi rdzeni ARM Cortex, dostępnych na zasadzie licencji, segment układów 32-bitowych jest najszybciej rozwijającym się obszarem rynku mikrokontrolerów. Nowe rodziny mikrokontrolerów opartych na rdzeniach Cortex-M3 i –M0 kuszą więc inżynierów możliwością migracji projektów z architektur 8- i 16-bitowych.

Napędzanie Internetu rzeczy

W marcu 2012 roku firma ARM zaprezentowała architekturę „Flycatcher”, dając do zrozumienia, że połączenie lodówek i innych urządzeń AGD, sprzętu medycznego, liczników energii oraz systemów oświetleniowych w domach i biurach w rozproszone, inteligentne systemy może przynieść znaczne korzyści. Rdzeń „Flycatcher”, którego oficjalna nazwa brzmi Cortex-M0+ został zaprojektowany specjalnie pod kątem urządzeń, których nie można podłączyć do sieci energetycznej i które muszą pracować zasilane z baterii. Architektura ta ma dać firmom produkującym mikrokontrolery narzędzie do budowy układów ultraenergooszczędnych, mogących jednak przetwarzać 32-bitowo.

Procesory z rdzeniem Cortex-M0+ mogą mieć powierzchnię nawet 1 x 1 mm², a mikrokontroler z takim rdzeniem powinien zużywać o około 1/3 mniej energii niż jego 8- lub 16-bitowi poprzednicy. Przy projektowaniu rdzenia szczególną uwagę zwrócono też na kwestie upływów, aby zapewnić długie życie baterii przy pracy w trybach uśpienia i wstrzymania, liczone nie w miesiącach, a latach. Urządzenia cechujące się zdolnością do tak długiej pracy i dużymi możliwościami komunikacyjnymi mogą stanowić integralną część inteligentnych systemów energetycznych, reagujących na zmiany obciążenia sieci energetycznych i pomagających je wygładzać.

Szacuje się, że na świecie jest obecnie 12,5 miliarda urządzeń podłączonych do Internetu (średnio dwa na osobę), z których wiele to komputery i telefony. Według firmy Cisco, w 2025 liczba ta wzrośnie do biliona. Mikrokontrolery z rdzeniami ARM mają wtedy kosztować około 13–20 pensów (0,6–51 zł), z czego 1–2% ma stanowić opłata tantiemowa dla firmy ARM, naliczana niezależnie od opłaty licencyjnej. 

Linia Kinetis-L

Firmy NXP Semiconductors i Freescale nabyły już licencję na architekturę Cortex-M0+. Freescale będzie głównym odbiorcą tego rdzenia, w który wyposażył nową linię swoich mikrokontrolerów Kinetis-L. Geoff Lees, wicedyrektor firmy i szef działu mikrokontrolerów stwierdził, że rdzeń M0+ ma „znaczenie strategiczne”. „Chcemy dać naszym klientom, używającym mikrokontrolerów 8- i 16-bitowych możliwość opłacalnego przejścia na układy 32-bitowy. Koszt jest podstawowym kryterium, jakie wezmą oni pod uwagę przy ocenie tego pomysłu” – dodał.

Rdzeń M0+ osiąga 1,77 CoreMark/MHz, a jego wydajność energetyczna to 42,14 CoreMark/nA. Oba te wyniki są wyraźnie lepsze niż jego najbliższych konkurentów wśród układów 8- i 16-bitowych. Warto przy tym pamiętać, że w rozproszonych systemach inteligentnych, z powodu dużej ilości połączeń między urządzeniami, energooszczędność jednego przenoszona na inne daje znaczące oszczędności.

Ulepszenia w procesorach z rdzeniem Cortex-M0+

Układy rodziny Kinetis-L są produkowane w niskoupłwowej technologii 90 nm nazwanej Thin Film Storage (TFS), opracowanej przez firmę Freescale i dostępne w wielu wariantach wbudowanej pamięci flash oraz peryferiów analogowych, komunikacyjnych i interfejsowych (HMI). Ich podstawowe zalety to:

• dwustopniowy potok pozwalający na wykonywanie instrukcji rozgałęziających w mniejszej liczbie taktów zegara i minimalizujący zużycie energii,
• od 2 do 10 razy większa wydajność obliczeniowa od architektur 8- i 16- bitowych
• wiodąca w skali światowej wydajność energetyczna, wydłużająca czas życia baterii i pozwalająca na projektowanie mniejszych i lżejszych urządzeń,
• dostęp do I/O oraz peryferiów w jednym takcie, poprawiający czas reakcji na zdarzenia zewnętrzne,
• liniowa, 4-gigabajtowa przestrzeń adresowa, usuwająca konieczność stosowania skomplikowanych schematów stronicowania i pozwalająca uprościć architekturę oprogramowania,
• specjalny mikrobufor śledzący wykonywanie instrukcji, stanowiący proste i niedrogie rozwiązanie problemu debugowania, pozwalający na szybką identyfikację i naprawę błędów bez konieczności używania dodatkowych zasobów
• Mikrokontrolery serii Kinetis-L współpracują ze standardowymi narzędziami dostępnymi dla całej rodziny Kinetis, w tym ze środowiskiem CodeWarrior, systemem MQX RTOS oraz towarzyszącym oprogramowaniem typu middleware. Przy pracy z nimi można też korzystać ze wsparcia, jakie stanowi cały powstały wokół rdzeni ARM ekosystem.

Rozpoczęcie pracy przy pomocy platformy projektowej Freedom

Firma Freescale w lipcu wprowadziła na rynek pierwszy ze swoich ultraenergooszczędnych zestawów ewaluacyjnych, pozwalający na szybkie prototypowanie i demonstrację możliwości rdzenia Cortex-M0+, nazwany Freedom. Łączy on standardowy format obudowy i szerokie możliwości rozbudowy poprzez moduły innych producentów. Zintegrowany interfejs do debugowania przez USB udostępnia łatwy w obsłudze, pracujący jako Mass Storage Device programator flash, wirtualny port szeregowy i klasyczne funkcje programowania oraz sterowania wykonywaniem programu. Projektanci mogą zamawiać zestaw ewaluacyjny, dostępny jest on wyłącznie poprzez firmę Farnell element14. Szczegółową dokumentację techniczną oraz zestaw narzędzi można znaleźć na stronie element14 knode.

Źródła

Pełne specyfikacje produktów dostępne są na stronie http://bit.ly/FREEDOM-KL25Z.