Mikrokontrolery i oprogramowanie narzędziowe. Przegląd dostawców

Rys. 1. Zebrane odpowiedzi na pytanie "Czego oczekujemy od dostawcy mikrokontrolerów?"

Mikrokontroler jest też tematem wielu dyskusji zawodowych, bywa obiektem zainteresowań i preferencji zawodowych, a nawet bywa podzespołem, którego rozwój technologiczny śledzi się na pierwszych stronach gazet. Dlatego w październikowym raporcie "Elektronika" przyglądamy się krajowym dostawcom mikrokontrolerów, próbując przybliżyć czytelnikom szczegóły tego rynku i ułatwić wybranie najlepszego dostawcy.

Ogromna liczba wykonań i typów mikrokontrolerów dostępnych w sprzedaży wynika przede wszystkim z tego, że dzisiaj element ten jest jednostką centralną aplikacji i dąży się do tego, aby skupić wewnątrz niego jak najwięcej obwodów i układów peryferyjnych części sprzętowej. Rynek już dawno odszedł od pierwotnej koncepcji, gdzie mikrokontroler składał się głównie z procesora oraz pamięci i szybkim krokiem poszedł w kierunku systemu-na-krzemie, gdzie pojedynczy układ stanowi praktycznie całość lub przynajmniej większość warstwy sprzętowej aplikacji.

Takie działanie jest jak najbardziej słuszne, gdyż dla producenta półprzewodników różnicy w kosztach produkcji układów prostych i złożonych prawie nie ma. Dla nowych technologii powierzchnia krzemu montowanego w obudowie nierzadko jest ograniczana od dołu przez warunki montażu w obudowie. Dla wielu wytwórców półprzewodników celem stało się obecnie posiadanie uniwersalnego i wyczerpującego portfolio mikroprocesorów, po to aby można było dobrać idealnie pasujący model do wymagań narzucanych przez projektowaną aplikację.

Kryteriów wyboru jest sporo, nawet jeśli ograniczymy się tylko do podstawowych różnic technicznych. Wydajność, zasoby pamięci, pobór mocy, obudowa, narzędzia deweloperskie, cena i układy peryferyjne charakterystyczne dla zastosowania, takie jak USB, PWM, LCD, tworzą liczne kolumny do tabeli selekcji, które producenci wypełniają jeszcze większą liczbą wierszy po to, aby pokryć jak najwięcej kombinacji. Efekt jest taki, że dzisiaj nie mówimy o mikrokontrolerach, myśląc o pojedynczych i konkretnych układach, ale o całych rodzinach bazujących na określonym rdzeniu.

To uproszczenie pojęć wcale nie oznacza, że proces selekcji układu do aplikacji stał się prostszy. Dla producentów półprzewodników wspomniany centralny element aplikacji jest bardzo atrakcyjną częścią biznesu, o którą warto się starać i nierzadko okazującą się kołem zamachowym napędzającym sprzedaż w wielu innych grupach elementów. Konstruktorzy, kupując mikrokontroler, nierzadko sięgają też po dopasowane do niego układy pomocnicze i wykonawcze, które lepiej pasują od produktów konkurencyjnych, a dodatkowo w ramach sprzedaży kompleksowej mogą być w ostatecznym rachunku tańsze.

Ponieważ bardzo często projektowanie eurządzenia zaczyna się od wyboru mikrokontrolera, elementowi temu poświęca się wiele uwagi, traktując go, jako strategiczny oręż do walki z konkurencją. Dla klientów silna konkurencja na rynku z pewnością jest korzystna. Dzięki niej korzystają z niższych kosztów zaopatrzenia, szerokiego spektrum produktów, ale niestety nie da się powiedzieć, aby przyczyniała się do łatwiejszego i lepszego wyboru.

Czołowi producenci mikrokontrolerów, pomijając kilka drobnych 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 mikroprocesorami. Różnice pojawiają się w aplikacjach specjalistycznych, na przykład związanych z systemami dla motoryzacji, komunikacją bezprzewodową, aplikacjami o bardzo niskim poborze mocy, ale też nierzadko nie są to rozwiązania wyjątkowe, tylko alternatywne technologie.

Nie tylko utrudnia to wybór, ale też paraliżuje dyskusje fachowców, którzy są w stanie bez końca przekonywać o wyższości rozwiązania, które zastosowali w swoim projekcie, mimo że wcale nie bywa ono wyjątkowe ani nierzadko optymalne. Do niedawna wiele takich dylematów rozwiązywali sami klienci, którzy zwykle preferowali określone architektury mikroprocesorów, związane z poszczególnymi producentami, a więc na przykład układy AVR Atmela, PIC Microchipa lub rodzinę ST7 STMicro.

Związane było to z wcześniejszym doświadczeniem zawodowym, a więc poprzednimi zrealizowanymi projektami, posiadaniem gotowych bibliotek i fragmentów kodu, które można było traktować jako wsparcie na początku. To samo dotyczyło posiadanych narzędzi projektowych i oprogramowania, które miały swoją wartość i uważane były za dorobek, którego się nie porzuca bez wyraźnej przyczyny. W miarę upływu lat te ograniczenia stają się coraz słabsze.

Z jednej strony zestawy projektowe są coraz tańsze, bo producenci zrozumieli, że nic tak nie przekonuje inżynierów jak dobry sprzętowy projekt referencyjny. Nierzadko zestawy ewaluacyjne są rozdawane na seminariach i targach, stanowiąc reklamówki. Producenci coraz rzadziej traktują zestawy uruchomieniowe jako źródło dochodów, z drugiej strony, wbudowane do wnętrza struktur mikrokontrolerów mechanizmy sprzętowe związane z programowaniem w układzie i wspierających uruchamianie powodują, że zestawy deweloperskie nie są już tak złożone od strony sprzętowej.

To samo dotyczy oprogramowania, gdyż coraz liczniej producenci udostępniają za darmo środowiska programistyczne, biblioteki procedur, np. dotyczące obsługi elementów dotykowych. Zacząć dzisiaj pracę z nową rodziną układów nie jest już tak trudno jak kiedyś i nie jest to tak kosztowne.

ARM-y - temat rzeka

Rys. 2. Zestawienie wzrostów i spadków obrotów w latach 2007-2009 dla krajowych dostawców mikrokontrolerów i narzędzi projektowych

Trudno w tekście o mikrokontrolerach nie wspomnieć o układach ARM, ale zamiast analizować drobiazgi techniczne, warto skupić się przez chwilę nad źródłem ich popularności. Podstawą ich sukcesu rynkowego z pewnością są dobre parametry, współczynniki wydajności do mocy i podobne kryteria, niemniej należy uznać je tylko za warunek konieczny do sukcesu i z pewnością niewystarczający. Sukces układów firmy ARM wydaje się wynikiem istnienia kilku dodatkowych czynników, z których wymienić warto przede wszystkim znaczącą kompatybilność po stronie narzędzi projektowych i szeroki front dostawców.

Te dwa kryteria w dzisiejszych realiach mogą być odpowiedzialne za mniejsze ryzyko biznesowe inwestycji w ARM-y, gdyż szeroki rynek daje gwarancję, że rozwój technologii będzie szybki. ARM-y osiągnęły już na tyle dużą popularność, że można również mówić o przekroczeniu masy krytycznej w mikrokontrolerach, która niesamowicie przyspiesza rozwój rynku.

Nowe rdzenie, czy też innymi słowy rodziny mikrokontrolerów, pojawiają się mniej więcej co rok, tworząc dla firm, które postawiły na ARM-y, ogromną przestrzeń rozwoju i dając pewność, że biuro konstrukcyjne nie będzie ograniczane niedostatecznymi możliwościami procesorów. ARM-y stały się dla środowiska inżynierskiego tym, czym dawniej była słynna "51". Powszechna znajomość tej architektury i jej możliwości pozwalały na sprawne poruszanie się wśród licznych klonów tego procesora.

Inżynierowie decydowali się na "51", bo znali możliwości i ograniczenia i wiedzieli, że w tym przypadku będzie im łatwiej. Wydaje się, że podobnie jest dzisiaj z układami ARM, które w największym stopniu są wspólną platformą i architekturą dla branży. Do licencjonobiorców ARM-a należy wiele firm, w tym Atmel, NXP, TI, ST Microelectronics, które wytwarzają te układy równolegle z własnymi architekturami. Z kolei Microchip, Renesas i kilku innych producentów rozwija własne rozwiązania i pozostaje w opozycji do tego trendu.

Niewątpliwie taka struktura rynku wydaje się mało stabilna w perspektywie najbliższych lat. Im układy ARM będą bardziej popularne i proponowane przez liczniejsze firmy, tym pozycja dostawców architektury własnej będzie trudniejsza, zwłaszcza w zakresie rozwiązań o dużej wydajności, takich przeznaczonych do najbardziej złożonych aplikacji. Podobnie im ARM-y będą popularniejsze, tym rynek, jaki pozostanie dla firmowych rozwiązań, będzie niestety mniejszy i bardziej skoncentrowany na zastosowaniach specjalistycznych i aplikacjach profesjonalnych.

W świecie biznesu zapewne największe szanse rynkowe ma ten, kto będzie w stanie zaoferować możliwie największe spektrum produktów. Jest to szczególnie istotne w półprzewodnikach, które zawsze bazowały na małym zysku na wielu produktach. Dlatego wydaje się, że w miarę upływu lat pozycja dostawców rozwijających swoje własne produkty w stronę aplikacji specjalistycznych, takich jak na przykład ST i TI, oraz jednocześnie mocno zaangażowanych w ARM-y, może okazać się silną presją dla wymienionej reszty. Wiele firm oferujących Corteksy to też szansa na korzystne wskaźniki ceny do parametrów technicznych.