Na rynku jest tak dużo różnych mikrokontrolerów, że wybranie odpowiedniego nie jest łatwe. W niniejszym artykule Andrea Riverso z firmy Farnell element14 przygląda się niektórym z dostępnych obecnie opcji.

Rynek

Przeglądając rynek mikrokontrolerów można by łatwo wywnioskować, że dominacja architektury ARM wprowadziła stagnację. W rzeczywistości jest to bardzo dalekie od prawdy. Rynek pozostaje ożywiony dzięki wielu nowym układom, opartym o różnorodne architektury.

ARM jest oczywiście zdecydowanym faworytem, szczególnie w obszarze 32-bitowych mikrokontrolerów do systemów wbudowanych. Architekturę tę wspiera ponad 1000 firm, tworzących układy scalone, narzędzia deweloperskie i oprogramowanie. W sumie wyprodukowano już ponad 100 miliardów procesorów z rdzeniami ARM. Większość z wiodących dostawców mikrokontrolerów oferuje układy (czy to MCU, czy CPU) z rdzeniami ARM, ale istnieje też wiele świetnych, alternatywnych architektur, z czego dwie najbardziej interesujące to MIPS i RISC-V.

MIPS to jedna z pierwotnych architektur RISC, wywodząca się z Uniwersytetu Stanford, z lat 80. Jako jedne z pierwszych procesorów w swoich czasach, MIPSy miały wielki wpływ na nauczanie architektury komputerów.

RISC-V to relatywnie nowa architektura, ale dostępna w postaci rdzenia na licencji open source. Stanowi darmowy i otwarty zestaw instrukcji, który został zaprojektowany pod kątem zastosowania w nowoczesnych urządzeniach komputerowych, takich jak komputery w wielkich chmurach, najnowocześniejsze telefony komórkowe i najmniejsze systemy wbudowane. Wszystkie one wymagają wysokiej wydajności i sprawności. RISC-V nie wymaga ponoszenia kosztów drogich opłat licencyjnych i daje swobodę użytkownikom.

Rynek jest szerszy

Ciekawym przykładem jest firma Texas Instruments. W jej ofercie znajdują się nie tylko 32-bitowe mikrokontrolery, oparte o rdzeń ARM, ale też podzespoły z własnym rdzeniem TI, nazywanym MSP430. Został on zaprojektowany pod kątem bardzo niskiego poboru mocy, w efekcie czego stanowi wspaniały wybór dla aplikacji takich, jak systemy sterowania procesami. W zastosowaniach tego typu, pojedyncze jednostki czujnikowe muszą zajmować się zarówno analizą danych, jak i komunikacją. To sprawiło, że producenci wbudowują mikrokontrolery do czujników, by umożliwić realizację tych dodatkowych funkcji.

Kolejną popularną, 32-bitową architekturą, która znalazła zastosowanie w szeregu procesorów do systemów wbudowanych jest IBM Power Architecture. Najczęściej jest ona stosowana w aplikacjach centrów danych (serwery IBM, stacje robocze, superkomputery) i we wbudowanych procesorach firmy NXP, szczególnie przygotowanych pod kątem motoryzacji, aplikacji sieciowych, konsumenckich i przemysłowych.

Głównym czynnikiem, decydującym o koszcie układu scalonego jest powierzchnia płytki krzemowej, potrzebna do zbudowania układu. Oznacza to, że bardziej złożone procesory są droższe. Wraz ze zmniejszaniem się wymiarów charakterystycznych procesów produkcyjnych, dla wielu mikrokontrolerów ograniczeniem staje się liczba i wielkość wyprowadzeń. To oznacza, że dodatkowy koszt potrzebny do budowy 32-bitowego rdzenia przestaje być tak znaczący. Natomiast procesory o mniejszej długości słowa są często produkowane w tańszych procesach technologicznych niż układy 32-bitowe.

Nie tylko 32 bity

Dla większości aplikacji wbudowanych 32-bitowy rdzeń zapewnia wystarczającą wydajność, by spełnić wszystkie wymagania. Dlatego 64-bitowe rdzenie są używane praktycznie tylko w systemach wymagających dużej mocy obliczeniowej lub przetwarzania dużych ilości danych. Można do nich zaliczyć m.in. systemy wielozadaniowe czasu rzeczywistego, narzędzia do projektowania wspomaganego komputerowo, systemy zarządzania bazami danych oraz niektóre projekty naukowe i technologiczne. Zarówno w ramach rodzin ARM jak i MIPS znaleźć można układy 64-bitowe.

Można też iść w drugą stronę. Układy 4-bitowe są stosowane obecnie bardzo rzadko, a jeśli już to raczej w zdalnych systemach sterowania pracujących z podczerwienią lub w systemach alarmowych. Na rynku znaleźć można natomiast wiele układów 8-bitowych, zazwyczaj cechujących się niezbyt wysoką wydajnością, ale znacznie niższą ceną niż rdzenie 32-bitowe. Układy 8-bitowe pozwalają też zmniejszyć pobór mocy, gdyż do ich działania potrzeba przełączać mniejszą liczbę tranzystorów. W końcu długość używanych przez nie słów jest 4-krotnie mniejsza niż w rdzeniach 32-bitowych.

Microchip to wiodący producent mikrokontrolerów 8-bitowych, oferujących zarówno układy z rdzeniami PIC, jak i AVR. Rodzina AVR pojawiła się u Microchipa wraz z przejęciem firmy Atmel. Sprawiło to, że Microchip obecnie oferuje około 1200 różnych 8-bitowych mikrokontrolerów. Firma korzysta z technologii peryferiów niezależnych od rdzenia (CIP – Core Independent Peripherals), które pozwalają na wykonywanie powtarzających się zadań bez zajmowania zasobów rdzenia. Oznacza to, że niektóre z 8-bitowych układów mogą być nawet bardziej wydajne niż mikrokontrolery 32-bitowe, w przypadku wykonywania częstych, prostych operacji.

Niektórzy znawcy rynku przewidywali niechybną śmierć rynku 8-bitowych mikrokontrolerów już od lat, ale w rzeczywistości okazuje się, że jest zupełnie odwrotnie. W praktyce na rynku pojawia się więcej nowych projektów 8-bitowych MCU niż mikrokontrolerów 32-bitowych. Wpłynęły na to przede wszystkim postępy technologiczne, takie właśnie jak peryferia niezależne od rdzenia.
Większość producentów mikrokontrolerów, których produkty dostarcza Farnell element14, oferuje układy 8-bitowe. Jest więc zupełnie jasne, że w przypadku aplikacji niewymagających dużej mocy obliczeniowej, zapotrzebowanie na układy 8-bitowe pozostaje duże. To właśnie ta grupa układów najbardziej skorzystała na popularyzacji Internetu Rzeczy (IoT). Wiele z tzw. „rzeczy” wykonuje jedynie proste operacje, takie jak dokonanie pomiaru i przesłanie danych dalej, na potrzeby przetwarzania. Wybudzają się tylko wtedy, kiedy zachodzi taka potrzeba i pobierają bardzo mało mocy. Są to więc zadania, w których najnowsze 8-bitowe układy sprawdzą się najlepiej.

Procesory specjalistyczne

Czasem procesory muszą być w stanie zapewnić odpowiednią wydajność dla konkretnego rodzaju aplikacji. Układy DSP (Digital Signal Processors) czyli tzw. procesory sygnałowe, to mikrokontrolery, w których zastosowano architekturę specjalnie przystosowaną do wykonywania dużej liczby obliczeń. W tak intensywnych obliczeniowo aplikacjach, bardzo popularne są układy DSP firmy Texas Instruments.

Układy marki Texas Instruments sprawdzają się w złożonych aplikacjach, takich jak widzenie maszynowe, które często wykorzystuje się w automatyce przemysłowej oraz do sterowania robotami. Układy DSP pozwalają na przetwarzanie obrazów na potrzeby analizy, dając maszynom możliwość widzenia swojego otoczenia.

W przypadku aplikacji wykorzystujących sztuczną inteligencję (AI), też warto sięgnąć po specjalistyczne układy. Wielu producentów półprzewodników rozpoczęło projekty, których celem jest opracowanie nowych procesorów, mających na celu zwiększenie wydajności działania systemów wbudowanych oraz przygotowanie specjalistycznych bibliotek, wspierających sztuczną inteligencję.

Wnioski

O ile na pierwszy rzut oka może się wydawać, że ogromny sukces firmy ARM sprawił, że rynek mikrokontrolerów stał się mniej ekscytujący, wiele firm angażuje się i inwestuje znaczące środki w rozwój nowych mikrokontrolerów i mikroprocesorów, bazując na różnorodnych rdzeniach. W ten sposób starają się spełnić potrzeby rosnących rynków Internetu Rzeczy i Sztucznej Inteligencji.
Mając tak bogaty wybór mikroprocesorów i mikrokontrolerów, wielu inżynierów zwraca się o pomoc do dystrybutorów, takich jak Farnell element14, aby uzyskać porady ekspertów. Co ważne, są one najczęściej nieobciążone koniecznością promocji żadnych konkretnych rozwiązań, dzięki czemu faktycznie ułatwiają poruszanie się w labiryncie dostępnych produktów i pozwalają znaleźć idealny MCU, MPU czy zestaw deweloperski, który ułatwi ukończenie planowanego projektu.