wersja mobilna
Online: 504 Sobota, 2016.12.03

Raporty

Krajowi dostawcy mikrokontrolerów i oprogramowania projektowego

środa, 09 stycznia 2013 10:48

Trudno chyba byłoby wymienić bardziej uniwersalny i popularny układ scalony niż mikrokontroler, który stanowi dzisiaj centralne miejsce większości aplikacji, skupiając całość lub przynajmniej większość warstwy sprzętowej aplikacji i w dużej mierze determinuje ich kluczowe parametry takie, jak na przykład pobór mocy. Dla producentów półprzewodników jest on atrakcyjną częścią biznesu, którą warto rozwijać i nierzadko okazującą się kołem zamachowym sprzedaży w wielu innych grupach komponentów. Ponieważ bardzo często projektowanie urządzenia zaczyna się od wyboru mikrokontrolera, elementowi temu poświęca się wiele uwagi, traktując jako strategiczny oręż do walki z konkurencją. Z takich powodów w tym raporcie "Elektronika" przyglądamy się krajowemu rynkowi mikrokontrolerów, próbując przybliżyć Czytelnikom trendy i zjawiska na nim panujące. Staramy się także pomóc w wyborze najlepszego dostawcy.

Spis treści » Miniaturyzacja i niskie koszty
» Niski pobór mocy
» Wersje specjalizowane pod aplikacje
» Raspberry Pi i platformy open hardware
» Narzędzia i oprogramowanie
» ARM-y zaczynają dominować
» Wersje 8-bitowe
» Wsparcie techniczne
» Rynek - koniunktura
» Oczekiwania biznesowe i techniczne
» Firmy
» Wybierz dostawcę na podstawie tabeli
» Pokaż wszystko

Rys. 1. Zestawienie wzrostów i spadków obrotów krajowych dostawców mikrokontrolerów i narzędzi projektowych w okresie 2009-2011

Dla wielu wytwórców półprzewodników celem stało się dzisiaj posiadanie uniwersalnego i wyczerpującego portfolio mikrokontrolerów, po to, aby można było dobrać idealnie pasujący model do wymagań narzucanych przez projektowaną aplikację. Stąd czołowi producenci tych układów, pomijając kilka wyjątków, ścigają się w tych samych obszarach aplikacyjnych.

Jest naturalne, że nikt nie będzie oddawał innym przestrzeni do rozwoju biznesu, ale skutek jest taki, że projektując aplikację, na przykład hipotetycznie związaną z systemem pomiarowym, można wybierać pomiędzy wieloma równorzędnymi układami. Coraz częściej są to różne wersje Cortex-M.

Coraz tańsze zestawy ewaluacyjne, nierzadko proste sprzętowo, ale o dużych możliwościach oraz udostępniane za darmo środowiska programistyczne, biblioteki procedur, np. dotyczące obsługi elementów dotykowych, powodują, że zacząć dzisiaj pracę z nową rodziną układów nie jest już tak trudno jak kiedyś i zmiana platformy nie jest tak kosztowna jak dawniej.

Niemniej pytania, który dostawca jest kompetentny, kogo się radzić w sprawach technicznych i czyje wskazówki brać pod uwagę, są cały czas aktualne a nawet zyskują na ważności. Stąd wybór dostawcy mikrokontrolerów i narzędzi staje się jednym z ważniejszych współczesnych problemów związanych z mikrokontrolerami.

Miniaturyzacja i niskie koszty

Rys. 2. Konkurencja na rynku oceniana jest jako silna lub bardzo silna

Złożone i wydajne mikrokontrolery są zaliczane do ważniejszych czynników umożliwiających miniaturyzację elektroniki. Coraz większa integracja zawsze była zaliczana do najważniejszych czynników rozwojowych, przez co powiązanie miniaturyzacji z nowoczesnymi mikrokontrolerami jest bardzo silne.

Zmniejszanie wymiarów dotyczy samego układu, gdyż podobnie jak w wielu innych komponentach nowe obudowy bezwyprowadzeniowe pozwoliły na schowanie tego elementu w maleńkim kawałku plastiku. Wysoki stopień integracji to także połączenie w ramach jednej struktury pamięci o dużej pojemności, zestawu układów peryferyjnych, w tym wysokiej jakości bloków analogowych.

Większe upakowanie elementów ułatwia nawet możliwość elastycznego przypisywania funkcji do wyprowadzeń fizycznych tego elementu, wbudowanie do wnętrza generatora zegarowego i innych drobnych obwodów zewnętrznych. Duża wydajność przetwarzania, rozkazy ukierunkowane na cyfrowe przetwarzanie sygnałów pozwalają dodatkowo realizować niektóre funkcje programowo, bez negatywnego wpływu na parametry.

W efekcie jeden układ mikrokontrolera zastępuje dzisiaj minimum kilka innych chipów i często stanowi całą warstwę sprzętową aplikacji. Procesowi maksymalnej integracji funkcjonalności w mikrokontrolerach sprzyja też to, że są one coraz tańsze.

Mniej widać to w wartościach bezwzględnych, czyli cenach poszczególnych chipów, ale koszt zakupu określonych zasobów (wydajność, pamięć) bardzo szybko maleje.

Ceny wydajnych 32-bitowych jednostek z rdzeniem Cortex-M ze sporą ilością pamięci w hurcie sięgają kilku dolarów, układy o mniejszych możliwościach kosztują odrobinę powyżej dolara za sztukę, a ceny najprostszych mikrokontrolerów 8-bitowych już dawno spadły poniżej granicy jednego dolara. Funkcjonalność, jaką dostaje się za dolara, w cenie jest bardzo wysoka i niemożliwa do osiągnięcia w żaden inny sposób.

Niski pobór mocy

Tabela 1. Przegląd ofert krajowych dostawców mikrokontrolerów

Kolejnym ważnym czynnikiem napędowym rynku mikrokontrolerów jest niski pobór mocy. Wraz z rosnącym znaczeniem elektroniki konsumenckiej i przenośnej, sieci rozproszonych, komunikacji bezprzewodowej oraz na skutek tego, że energia jest coraz droższa, na pierwszy plan w technice wysuwają się aplikacje zużywające do swojego działania minimalną ilość energii.

Producenci co chwila biją w tym obszarze kolejne rekordy, informując o coraz mniejszym poborze prądu w przeliczeniu na jednostkę wydajności lub też o ułamkach ampera pobieranych w którymś z trybów uśpienia w kolejnych wersjach i rodzinach. Zmiany w tym obszarze w porównaniu do tego, co było na rynku pięć lat wcześniej, są duże.

Dawniej wersje energooszczędne zapewniały zwykle małą wydajność przetwarzania, obecnie nie trzeba już dokonywać wyborów między wydajnym a energooszczędnym. Sporą pomoc zapewniają nowe technologie związane z usypianiem działania procesora, szybkim wybudzaniem, automatycznym dopasowaniem wydajności do realizowanych zadań, skalowaniem napięcia zasilania i innymi technikami ograniczającymi pobór mocy.

Szczególnie imponujący postęp widać w technologiach usypiania, gdzie producenci wprowadzili wiele takich trybów różniących się głębokością uśpienia, a dodatkowo zapewnili autonomiczne działanie układów peryferyjnych, które mogą pracować i wymieniać dane bez udziału procesora.

Na rynku są też specjalizowane rodziny układów o niskim poborze mocy - można je odnaleźć u wszystkich większych producentów mikrokontrolerów (np. MSP430), jest też kilku wytwórców mniejszych, jak Energy Micro, którzy wyspecjalizowali się w tym kierunku. Ich dostępność i doskonałe parametry wersji określanych jako ultra-low-power są zalążkiem wielu ciekawych aplikacji związanych z rozproszonymi sieciami akwizycji danych, smartmeteringiem, medycyną i ogólnie elektroniką przenośną.

W zakresie niskiego poboru mocy producenci z pewnością nie powiedzieli jeszcze ostatniego słowa, wraz z kolejnymi rekordami można liczyć na wzrost popularności zasilania energią wolno dostępną (energy harvesting), przed którą widać wielki potencjał.

Tadeusz Górnicki

WG Electronics

  • Czy ARM-y już zdominowały rynek?

Jeśli mówimy o rynku aplikacji pozakomputerowych - absolutnie tak. Proszę wskazać poważnego producenta mikrokontrolerów, który nie ma w ofercie ARM-a. Nowatorska przed laty koncepcja biznesowa - oferować tylko know-how, pozostawiając wytwarzanie wszystkim producentom półprzewodników, którzy tylko chcą - wygrała.

Wszyscy ci producenci, promując pozornie tylko swoje produkty, promują ARM-a, co daje efekt dodatniego sprzężenia. Inną sprawą jest, czy taka dominacja jest dobra? Co w tym złego? Bazowanie w kolejnych projektach na znanej architekturze jest korzystne dla konstruktorów. Przywiązanie do produktu napędza też sprzedaż, ale skutkuje rutyną i inercją w dążeniu do lepszego.

Nowatorskie idee rodzą się wskutek ścierania się poglądów i interesów, czyli konkurencji, a ta przy dominacji zanika. Koncentracja potencjału twórczego wokół ARM-a może zahamować w dłuższej perspektywie rozwój i ograniczyć ofertę na rynku.

Może utrwalić wszechobecną tendencję, że produkt kreuje nie wolny rynek, a dominujące korporacje narzucające w formie promocyjnych pakietów to, co możemy w ogóle kupić. Może ograniczyć nam wolność decydowania o tym, jaki mikrokontroler najlepiej pasuje do naszych aplikacji - bo innego niż ARM nie będzie.

  • Jako partner ARM-a nie widzi Pan zalet jego dominacji?

Oczywiście, że widzę. Zaletą jest unifikacja rdzenia i oprogramowania, elastyczność wyboru konkretnego mikrokontrolera dowolnego producenta z dopasowanymi do aplikacji układami peryferyjnymi, celowość doposażania się w profesjonalne narzędzia projektowe, skracające czas realizacji projektu.

  • Jakie narzędzia najlepiej sprawdzają się w projektach?

Stopień skomplikowania mikrokontrolerów i aplikacji stwarza praktycznie konieczność stosowania sprawdzonych, profesjonalnych narzędzi. Płacąc za procesor, chcemy wykorzystać wszystkie wbudowane mechanizmy debugera. Zabiegając o "urzędnicze" certyfikacje, jesteśmy skazani na analizę kodu i przetwarzania. Musimy dekomponować projekt i synchronizować zadania w systemie czasu rzeczywistego.

Nie tworzymy sami stosu TCP/IP, systemu plików, driverów USB lub CAN, tylko bierzemy gotowe biblioteki. Potrzebujemy wsparcia w aplikacjach Linuksa i Androida. A przy tym wszystkim nie mamy czasu błądzić po meandrach niesprawdzonego oprogramowania narzędziowego. Dlatego liczą się tylko renomowane marki jak Keil i ARM.

Wersje specjalizowane pod aplikacje

Rys. 3. Ocena, jaki okazał się dla sprzedaży mikrokontrolerów 2012 rok

Wraz z każdą kolejną generacją i nową architekturą mikrokontrolery tracą swój ogólny charakter i uniwersalność aplikacyjną. Nie jest to zjawisko, które należy postrzegać jako negatywne, przeciwnie dzięki temu, że oferta rynku jest szeroka, na rynku pojawiają się jednostki dobrze dopasowane do pracy w określonych aplikacjach, lepsze, w ostatecznym rozrachunku tańsze i wygodniejsze w stosowaniu.

Asortyment mikrokontrolerów większości dużych producentów wynosi zwykle kilkaset sztuk. Są one grupowane w rodziny o określonej wydajności (zegar, rdzeń, szerokość szyny danych) i wielkości pamięci. Tak było praktycznie zawsze, ale teraz podział ten rozszerzył się o specjalizację aplikacyjną, polegającą na wyposażaniu w zestaw układów peryferyjnych kompletny z punktu widzenia zastosowań aplikacyjnych.

Przykładem mogą być mikrokontrolery do pracy w napędach silników - zawierające układy PWM, przetworniki A/C, timery i bloki zapewniające szybkie obliczenia charakterystyczne dla DSP. Inne grupy aplikacyjne to smartmetering (o niskim poborze mocy, z wysokorozdzielczym przetwornikiem A/C, blokiem obliczeniowym do kalkulacji zużycia mediów), komunikacja bezprzewodowa (z wbudowanym transceiverem na pasmo ISM), motoryzacji (ze zdublowanymi blokami obliczeniowymi), dla medycyny (z wysokorozdzielczymi i szybkimi przetwornikami A/C), do aplikacji z interfejsem dotykowym, z interfejsem do wyświetlacza graficznego i wiele innych podobnych.

Po stronie jednostki centralnej pojawiają się wersje z rozbudowanymi możliwościami w zakresie cyfrowego przetwarzania sygnałów, zbliżone w możliwościach do tego, co oferują DSP, jak też układy wyposażone w koprocesor arytmetyczny. W ten sposób producenci umożliwiają wydajną programową emulację wielu funkcji, które dotychczas były realizowane blokami sprzętowymi.

Przykładem mogą być pętle sprzężenia zwrotnego w systemach zasilających i korektorach współczynnika mocy lub regulatorach w automatyce, w których dotychczasowe obwody analogowe zastępuje się mikrokontrolerem. Duża szybkość działania i możliwości obliczeniowe dają potrzebną szybkość reakcji układu mikrokontrolera na zdarzenia i np. fantastyczne możliwości programowego kształtowania charakterystyki sprzężenia zwrotnego.