Niska liczba wyprowadzeń

W pogoni za maksymalnym poszerzeniem zastosowań mikrokontrolerów koniecznie jest również obsłużenie tych najprostszych zastosowań, pod względem układowym. Wiele z prostych układów elektronicznych, jak na przykład czujnik metanu lub włącznik zmierzchowy, wymaga użycia kilku tradycyjnych układów scalonych: wzmacniacza operacyjnego oraz logiki cyfrowej.

Koszt takiego tradycyjnego obwodu jest dzisiaj nie tylko porównywalny z ceną mikrokontrolera, ale coraz częściej jest wyższy. Jest to skutek działań producentów, którzy wypuścili na rynek szereg rodzin mikrokontrolerów charakteryzujących się znacznie ograniczoną liczbą wyprowadzeń.

Zasadniczy krok w tym kierunku wykonała firma Microchip wprowadzając na rynek serię PIC10F o 6 końcówkach, ale obecnie układy zawierające około 8 wyprowadzeń znajdują się w ofercie większości firm o uniwersalnej ofercie. Przykładem może być rodzina ATtiny firmy Atmel. Niewielka liczba wyprowadzeń jest szczególnie widowiskowa w połączeniu z małą obudową typu DFN, czy też SOT - mikrokontroler w takiej wersji zajmuje na płytce drukowanej tyle samo miejsca, co większy element bierny.

Cechą charakterystyczną mikrokontrolerów o niewielkiej liczbie wyprowadzeń jest ukrycie sygnału zegarowego wewnątrz struktury, jak również możliwość elastycznego przyporządkowywania funkcji poszczególnym końcówkom. Zasoby sprzętowe takich mikrokontrolerów nie muszą być szczególnie rozbudowane, ale nie należy rozumieć, że kilkukońcówkowym kontrolerom czegoś brakuje.

Do typowych peryferii zalicza się przetwornik analogowo-cyfrowy, licznik/timer, komparator, układ wewnętrznego resetu i oczywiście funkcję programowania pamięci ISP. Mikrokontrolery z omawianej grupy wyposażone są bez wyjątku w pamięć programu Flash o wielkości od 1 do 8-10kB i kilkadziesiąt bajtów pamięci RAM oraz pamięć EEPROM.

Przykładem firmy, która w wyraźny sposób wspiera układy z ograniczoną liczbą wyprowadzeń jest także NEC Electronics, który prowadzi forum dyskusyjne www.lowpincount.com. Powstanie takiego forum jak również widoczna popularność "małych" mikrokontrolerów firmy Atmel, dla których dostępne są kompilatory języka Basic dowodzi, że elektronicy chcą poszerzać liczbę aplikacji wykorzystujących te elementy i oczekują narzędzi, które pozwolą im szybko tworzyć oprogramowanie.

Nikt chyba nie ma wątpliwości, że złożone i wydajne oprogramowanie firmware najkorzystniej jest tworzyć w asemblerze lub C albo w obu tych językach razem. Mikrokontrolery o niewielkiej liczbie wyprowadzeń, ukierunkowane na proste zastosowania, wyłamują się często od tej zasady, gdyż wielokrotnie realizowany przez nie algorytm nie jest krytyczny czasowo i prosty w implementacji, przez co zysk na czasie przy wykorzystaniu wygodnego narzędzia bywa czynnikiem decydującym o zastosowaniu.

Grzegorz Kamiński Senior Product Manager w Elhurt Sp. z o.o. Jakie zmiany zachodzą obecnie na rynku mikrokontrolerów 8-, 16- i 32-bitowych?   Aktualnie na rynku zauważyć można coraz mniejsze zainteresowanie klientów układami 16-bitowymi. Wynika to z faktu, iż z jednej strony zastępowane są one przez coraz wydajniejsze i lepiej wyposażone układy 8-bitowe, charakteryzujące się jednocześnie zdecydowanie niższą ceną. Z drugiej strony w bardziej wymagających aplikacjach coraz większe uznanie zdobywają układy 32-bitowe. Do tej pory zarezerwowane były one jedynie do zaawansowanych urządzeń, gdzie decydujące znaczenie miała wydajność. W chwili obecnej w cenie układu 16-bitowego otrzymać możemy dużo wydajniejszy i lepiej wyposażony mikrokontroler 32-bitowy np. oparty o rdzeń ARM7. Tendencja ta znajduje również odzwierciedlenie w ofercie wielu producentów takich układów. Wyraźnie stawiają oni na rozwój rodzin układów 8- i 32-bitowych, w mniejszym stopniu koncentrując się na układach 16-bitowych. Co jest przyczyną coraz większej popularności 32-bitowych mikrokontrolerów z rdzeniem ARM? Mikrokontrolery 32-bitowe coraz większą popularność wśród polskich konstruktorów zawdzięczają bardzo korzystnej relacji ceny do oferowanych możliwości. Za cenę już od kilku euro można otrzymać bardzo wydajny, dobrze wyposażony układ. Drugą przyczyną jest zastosowanie standardowej architektury ARM. Daje to możliwość wyboru układów jednego z wielu producentów oferujących takie rozwiązania, a nawet jego późniejszą zmianę bez konieczności ponoszenia poważnych kosztów wymiany narzędzi projektowych. Znaczącym faktem jest również uniwersalność takich układów. Ze względu na atrakcyjną cenę z powodzeniem mogą one być użyte w stosunkowo prostych aplikacjach, które później mogą być w łatwy sposób rozbudowywane bez potrzeby zmiany całego projektu. Warto podkreślić, że od kilku lat rynek podbijają mikrokontrolery ARM7, ale na horyzoncie pojawia się coraz więcej możliwości zastosowania układów ARM9 i ARM11.

8, 16, czy 32 bity?

Szerokość szyny danych mikrokontrolera w dużym stopniu określa wydajność jednostki centralnej i do niedawna uważało się, że jest ona prostą funkcją złożoności aplikacji. Zasadniczą część zadań realizowano za pomocą układów 8-bitowych, pozostawiając droższe i bardziej skomplikowane układy 16-bitowe dla złożonych aplikacji sterujących lub przeznaczające je na zadania wymagające dokonywania wielu obliczeń. Ten podział z punktu widzenia aktualnej oferty rynku i zadań, jakie stoją przed mikrokontrolerami oraz ich możliwości jest już nieaktualny.

Przede wszystkim oferta rynku w zakresie mikrokontrolerów jest dzisiaj bogatsza niż kiedykolwiek, a układy 16- i 32-bitowe są oferowane przez większość producentów. Na pewno silnym impulsem, który pchnął zainteresowanie konstruktorów w stronę układów z szeroką szyną danych było upowszechnienie się mikrokontrolerów ARM.

Ceny takich jednostek również stały się o wiele bardziej przystępne, przez co coraz częściej trafiają one do nowych projektów. Mikrokontrolery 16- i 32-bitowe są też dobrym wyborem do sterowania w aplikacjach embedded takich, które wykorzystują system operacyjny - na przykład do systemów czasu rzeczywistego.

Szeroka szyna danych i związana z tym duża wydajność przetwarzania przydają się także w układach zasilanych z baterii. Okazuje się, że z punktu widzenia bilansu energetycznego, korzystniej jest wykonać szybko obliczenia danych, napływających co jakiś czas z czujników, za pomocą wydajnej jednostki 32-bitowej, a potem ją wyłączyć, niż zrobić to samo wolniejszym układem 8-bitowym. Na 32 bitach można zmieścić kod rozkazu i dane albo kilka rozkazów, co powoduje, że liczba taktów zegara do wykonania tej samej części algorytmu jest nieproporcjonalnie mniejsza.

Podany przykład pokazuje, że decyzja o wyborze szerokości szyny danych mikrokontrolera coraz częściej nie jest automatyczna ani też tak jednoznaczna jak kiedyś. Decyduje o tym wiele czynników, nie tylko tych ekonomicznych. Zjawiska te nie oznaczają oczywiście odwrotu od mikrokontrolerów 8-bitowych, które przez cały czas są rozwijane. Zasadnicza część aplikacji wykorzystujących mikrokontrolery może być i jest dalej realizowana z wykorzystaniem 8-bitowych rdzeni, liczy się też przyzwyczajenie konstruktorów, możliwość uzyskania kompatybilności ze starszymi projektami itp.

Niski pobór mocy

Dynamicznie rosnący rynek aplikacji przenośnych, komunikacja bezprzewodowa, telemetria, to niewątpliwie główne siły napędowe współczesnego rynku elektroniki. Wszystkie takie aplikacje opierają się na mikrokontrolerach, opracowanych pod kątem niskiego poboru mocy. Układy zużywające niewiele energii oferowane są przez wielu producentów, ale coraz częściej spotyka się rozwiązania, w których cel ten stał się bezwzględnym priorytetem, jak układy MSP430 firmy Texas Instruments czy też rodzina picoPower firmy Atmel.

Istnieje wiele technik ograniczających pobór mocy przez mikrokontrolery i uzyskanie dobrych rezultatów wymaga w zasadzie od producentów implementacji większości z nich jednocześnie. Należą do nich zarządzanie zasilaniem, za pomocą którego wyłącza się nieużywane w danej chwili bloki procesora i układy peryferyjne.

Minimalizacji zużycia energii sprzyja obniżenie napięcia zasilającego, szczególnie dla szybko działającego rdzenia, dlatego coraz częściej wymagane są dwa napięcia zasilające. 5-woltowe zasilanie jest w tych zastosowaniach wyjątkową rozrzutnością, za standard uważa się możliwość bezpośredniej współpracy z baterią litowo-jonową o napięciu 3V, a niedługo zapewne doczekamy się procesorów współpracujących z baterią 1,5V, czyli działających od 1V.

Oprócz tych zabiegów minimalizuje się liczbę taktów zegara potrzebnych do wykonania poszczególnych instrukcji, gdyż każdy nadmiarowy cykl zegarowy powoduje niepotrzebne straty. To samo dotyczy implementacji trybów ograniczonej aktywności układu, które pozwalają uśpić działanie w czasie oczekiwania na zdarzenie zewnętrzne. Istotne jest również dobranie technologii półprzewodnikowej pod kątem niskich prądów upływu, co staje się coraz bardziej problematyczne w układach CMOS zasilanych niskim napięciem.

Wysiłek producentów mikrokontrolerów doprowadził nas do miejsca, w którym w wielu aplikacjach udaje się osiągnąć średni pobór prądu przez mikrokontroler poniżej 1µA. Jest to tak niewiele, że do łask wraca wiele znanych z początków elektroniki pomysłów na wykorzystanie wolno dostępnej energii światła, dźwięku, pola elektromagnetycznego i podobnych. Być może do łask wrócą nawet odbiorniki detektorowe, odzyskując drugą młodość w roli zasilaczy dla procesorów?