Polscy dystrybutorzy mikrokontrolerów

Malejące ceny mikrokontrolerów, jak również ogromna oferta rynku pozwalająca dobrać optymalnie pasujący układ pod względem zasobów i wydajności powoduje, że po komponenty te sięga się dzisiaj w każdej sytuacji nawet, gdy realizowane zadanie jest banalne. Dlatego w tym miesiącu przyglądamy się zjawiskom panującym na rynku mikrokontrolerów w Polsce, próbując uchwycić wszystkie najważniejsze trendy.

Problem z wyborem

Mikrokontrolery oferuje duża część dystrybutorów podzespołów elektronicznych, gdyż dzisiaj są to już produkty standardowe, prawie takie same jak wiele innych elementów elektronicznych. Jednak obojętnie, z której strony nie spojrzymy na to co jest dostępne rynku okazuje się, że wiele mikrokontrolerów jest do siebie podobnych.

Dopóki poruszamy się w zakresie rozwiązań uniwersalnych i nie sięgamy po wersje specjalizowane, na przykład z wbudowanymi kodekami audio, pasujący element udaje się dobrać z ofert większości producentów. Jest to naturalna konsekwencja opisanych wcześniej działań wytwórców polegających na maksymalnym poszerzeniu asortymentu po to, aby być obecnym na wszystkich rynkach. Ta wydawałoby się zaleta komplikuje jednak relacje na rynku dystrybucji.

Skutkiem tego procesu jest to, że producenci przykładają wiele uwagi do tego, w jaki sposób zbudowana jest siatka sprzedaży ich wyrobów. Za najlepsze rozwiązanie uważa się, gdy firma dystrybucyjna oferuje mikrokontrolery jednego producenta lub takie "linie" układów, które nie stanowią dla siebie konkurencji. Pozwala to w pełni skupić się na pracy i daje możliwość uniknięcia dylematów, gdy dwa produkty konkurencyjnych dla siebie firm wytwarzających te elementy są jednakowo dobre. Z tego powodu najtrudniejszą sytuację mają duże korporacje, reprezentujące wielu producentów mikrokontrolerów. Opisane problemy zmuszają te firmy do dzielenia oferty między sieć zależnych spółek po to, aby stworzyć namiastkę konkurencji. Doskonały przykład tworzy tutaj dystrybucja układów programowalnych firm Xilinx i Altera, które nigdy nie są oferowane w ramach jednej firmy, ale w obrębie korporacji firm już tak.

Zjawiska te są również doskonale widoczne w zbiorczym zestawieniu ofert podanym w tabeli 1, które podzielone jest na pięć kategorii różniących się przeznaczeniem mikrokontrolera. Dla wielu firm wpisy dotyczą produktów wyłącznie jednej reprezentowanej firmy, co jest naturalne. Znacznie rzadziej pojawiają się różne firmy, co potwierdza opisane problemy, natomiast duże firmy takie jak Avnet lub Spoerle nie przysłały ankiet, gdyż prawdopodobnie ich wybór mógłby okazać się źródłem uwag a nawet problemów.

Rynek mikrokontrolerów dawno już przekroczył granice percepcji wielu konstruktorów, co widać po tym, że istniejące przyzwyczajenia projektantów do danych rodzin produktów i producentów są silnym ograniczeniem rozwoju technologicznego rynku, nad którymi wiele firm musi się mocno napracować, aby coś zmienić.

Zebrane na przestrzeni wielu lat doświadczenie, znajomość architektury i niuansów technicznych, rozbudowane biblioteki programów, procedur obsługi układów peryferyjnych, tworzą potężny kapitał wiedzy, którego żadna firma nie pozbędzie się bez wyraźnej przyczyny. Ta sama uwaga dotyczy części sprzętowej projektowania obejmującej programatory, emulatory, własne konstrukcje układów peryferyjnych takich jak układy akwizycji danych, sterowniki w urządzeniach embedded, sprzęt pomiarowy i wiele innych.

Dlatego dystrybutorzy nie zawsze podejmują się przekonania klienta, że warto zainwestować czas i pieniądze w coś nowego, zwłaszcza w takich jak opisane przypadkach. O wiele większy sens ma skierowanie wysiłku w stronę nowych aplikacji, aktualnie tworzonych projektów, a więc obszarów rynku, w których bariera wejścia nie jest tak ogromnie wysoka.

Z dużą inercją i przyzwyczajeniami projektantów walczy się najczęściej za pomocą nowych technologii proponując projektantom układy o znacznie poprawionych parametrach i funkcjach. Większa wydajność, niski pobór mocy lub rozbudowane układy peryferyjne są w stanie przekonać do inwestycji w nowe rozwiązania. Każdy inżynier-konstruktor musi przecież dbać o swój rozwój zawodowy, także żadna firma nie stoi w miejscu i z czasem modyfikuje swoje wyroby lub tworzy nowe, co powoduje, że niechęć do zmian nie jest paraliżująca.

Drugim pozytywnym czynnikiem wpływającym na rozwój rynku i ewentualne decyzje o zmianie platformy sprzętowej, są malejące ceny narzędzi projektowych. Ogromna część nowych mikrokontrolerów jest programowana za pomocą szeregowego łącza ISP, co powoduje, że programatory i emulatory od strony sprzętowej są proste i tanie.

Płytki uruchomieniowe i zestawy deweloperskie oferowane są w licznych promocjach, dystrybutorzy mają też często możliwość przekazania ich bezpłatnie firmom, co wzmacnia oferowaną klientom wartość dodaną do sprzedaży. Te same uwagi dotyczą oprogramowania projektowego, które często dostępne jest bezpłatnie i z czasem ma coraz większe możliwości. Bariera wejścia nie zawsze jest wysoka.

Ważnym aspektem sprzyjającym rozwojowi jest także zapewnianie przez producentów kompatybilności mikrokontrolerów w ramach własnej rodziny produktów, co ułatwia i przyspiesza modyfikacje projektów. Dla części wytwórców mikrokontrolerów zgodność nowych układów ze starymi pod względem rozkładu i funkcji wyprowadzeń oraz kompatybilność programowa pozwalająca na realizację kodu programu bez konieczności jego rekompilacji jest fundamentalna. Za kamień milowy w kierunku większych możliwości wyboru mikrokontrolerów należy też uznać rosnącą popularność na rynku układów z rdzeniem ARM.

ARM godnym następcą 51

Jeszcze kilka lat temu zasadniczą część rynku stanowiły mikrokontrolery zgodne z procesorem 8051 i wydawało się, że wieloletnia popularność i akceptacja przez konstruktorów dla tego układu tworzą swoisty fenomen rynku, który będzie trwał dowolnie długo i na skutek zaszłości historycznych najprawdopodobniej nie zostanie powtórzony. Porównania do rozwoju rynku pecetów, wiedza i istniejące oprogramowanie dla wymienionej rodziny układów stanowiły ogromny kapitał, wydawałoby się, że nie do zaprzepaszczenia.

Dzisiaj wiadomo, że leciwy procesor 8051, który wciąż jest produkowany w różnych mutacjach przez wielu producentów, jest już niestety w drodze do Muzeum Techniki. Powodem ten dziejowej zmiany jest oczywiście duża popularność układów z rdzeniem ARM, które stały się nową siłą napędową dla branży mikrokontrolerów.

Układy te zyskały uznanie producentów półprzewodników i konstruktorów w zasadzie na skutek tych samych uniwersalnych kryteriów, jakie obowiązywały dawniej, a więc kompatybilności sprzętu i oprogramowania, szerokiej oferty układów i dostępności oprogramowania projektowego nie tylko od producentów procesorów, ale także przedsiębiorstw niezależnych. Są to te same uniwersalne zasady, które sprawdziły się wielokrotnie i zapewniają konstruktorom maksimum wartości dodanej w projekcie.

Mikrokontrolery ARM szybko zyskują na popularności, gdyż producent rdzeni tych układów, firma ARM Ltd nieustannie rozwija swoją ofertę wprowadzając nowe warianty rdzeni ukierunkowane na konkretne zastosowania. Aktualnie na rynku jest około 25 wersji, w tym 4 rodzaje popularnego ARM7.

Różnią się one wydajnością, zestawem instrukcji, poborem mocy, wsparciem dla cyfrowego przetwarzania sygnałów i wieloma podobnymi cechami. Wszystkie te funkcje uzyskuje się przy pełnej kompatybilności programowej między poszczególnymi rodzinami. Atutem procesorów ARM są także wbudowane funkcje ułatwiające uruchamianie programu, zapewniające podgląd rejestrów i zawartości komórek pamięci, pozwalające na ustawianie pułapek.

Innymi słowy realizują one typowe funkcje debbugera i są dostępne za pomocą standardowego portu JTAG. Obserwacja zmian zachodzących na przestrzeni ostatnich 10 lat pokazuje, że kompatybilność wstecz między nowymi i starymi produktami jest także jednym z najważniejszych czynników wpływających na pozycję producenta na rynku w aspekcie długofalowym. Przykład sukcesu firmy Microchip, która z tej cechy uczyniła swój ważniejszy atut oraz zawirowania pozycji rynkowej kilku innych znanych producentów, którzy mniej rygorystycznie traktowali te zagadnienie, dobitnie pokazują, jak jest to ważne.

Układy ARM skutecznie zawojowały obszar aplikacji wymagających niskiego poboru mocy, oferując idealne na rynku połączenie dwóch kluczowych czynników, a więc dużej wydajności charakterystycznej dla układów 32-bitowych z niewielkim poborem prądu. Procesory ARM znajdują się w większości telefonów komórkowych, co jest doskonałym dowodem siły technologicznej tego rozwiązania w zakresie współczynnika wydajności układu do poboru mocy.

Ostatnią ważną cechą wpływającą na popularność układów ARM jest to, że są one produkowane i wspierane przez wiele firm. Duża liczba producentów, m.in. NXP (Philips), Analog Devices, Atmel, Freescale, OKI, ST Microelectronics, Texas Instruments, daje klientom szersze możliwości wyboru dostawcy.

Wpływa też korzystnie na dostępność oprogramowania, systemów operacyjnych jak Windows CE, Symbian, Palm OS, Portable Linux, ARM Linux i wielu narzędzi uruchomieniowych, które dostępne są w konkurencyjnych cenach. Obniża to koszt tzw. bariery wejścia, czyli wydatków, jakie trzeba ponieść, aby zrealizować projekt za pomocą jakiegoś mikrokontrolera.

Przetwarzanie sygnałów cyfrowych

Rozwój rynku mikrokontrolerów przebiega wielowymiarowo i zgodnie z możliwościami, jakie oferuje współczesna technologia półprzewodnikowa. Rośnie szybkość pracy jednostki centralnej oraz często skraca się liczba taktów zegara potrzebnych do wykonania rozkazu, wzrasta pojemność zintegrowanej razem ze strukturą pamięci oraz zwiększa się szerokość szyny danych. Powoduje to, że wydajność przetwarzania kolejnych generacji mikrokontrolerów jest coraz lepsza.

Dlatego w wielu aplikacjach podzespoły te wkraczają w domenę zastosowań zarezerwowanych do tej pory przez procesory sygnałowe. Układy takie mają wbudowane funkcje ułatwiające operacje mnożenia i dodawania, jakie są charakterystyczne dla DSP i są wyposażone są w przetworniki zapewniające realizację interfejsu między światem rozwiązań analogowych, a cyfrowym przetwarzaniem sygnałów.

O możliwości realizacji prostszych aplikacji przetwarzania cyfrowego sygnałów za pomocą mikrokontrolerów mówiło się od dawna i przez długi czas był to temat określany jako trend, który nabierze realnego wymiaru w przyszłości. Ten czas właśnie nadszedł - w ofertach wielu producentów znajdują się układy przeznaczone do przetwarzania sygnałów, jak na przykład rodzina C2000 firmy Texas Instruments, a niekiedy powiązanie z procesorami DSP jest wręcz jasno zasugerowane w nazwie układu, jak na przykład w układach dsPIC firmy Microchip.

Warto podkreślić, że producenci mikrokontrolerów, oprócz wypuszczenia na rynek specjalnie przygotowanych układów pod kątem DSP, włożyli wiele pracy w popularyzację teorii przetwarzania sygnałów cyfrowych wśród konstruktorów. Podkreślić należy ich ogromny wysiłek aplikacyjny, który przekłada się na szereg nowych zastosowań.

W szczególności za cenne ułatwienie należy uznać uwolnienie od konieczności posługiwania się matematyką na poziomie wyższym. Dzisiaj, aby zaprojektować filtr cyfrowy, nie trzeba liczyć transformat ani wyliczać współczynników wielomianów, wystarczy dobry program jak na przykład Matlab, który te wszystkie żmudne obliczenia bierze na siebie. Zasługi Matlaba i podobnych mu programów w dziedzinie przetwarzania sygnałów są ogromne, można powiedzieć wręcz, że Matlab dla aplikacji DSP okazał się tym samym czym Windows dla pecetów.

Większość aplikacji związanych z cyfrowym przetwarzaniem sygnałów wykorzystujących mikrokontrolery bazuje na filtrach cyfrowych lub obróbce sygnału audio. Wykorzystanie mikrokontrolera pozwala na przykład przenieść do jego wnętrza proces filtrowania sygnału analogowego z czujnika i tym samym zredukować złożoność układu sprzętowego o kilka wzmacniaczy operacyjnych.

Oprócz naturalnego zysku ekonomicznego z tej operacji, przeniesienie filtrowania sygnałów do oprogramowania uwalnia od problemów ze stabilnością, wpływem temperatury na wielkość stałych czasowych filtrów lub też ze starzeniem się elementów, co w przypadku zastosowań profesjonalnych ma niekiedy ogromne znaczenie.

Cyfrowa obróbka sygnału przez mikrokontroler daje w końcu możliwość dodania do aplikacji funkcji, które praktycznie nie są możliwe do realizacji w domenie analogowej. Przykładem mogą być tutaj inteligentne systemy alarmowe, które zawierają czujniki i mikrokontrolery analizujące wielowymiarowo docierające sygnały, w tym również badające ich widmo.