Specyficzne układy peryferyjne

Rosnąca liczba zastosowań mikrokontrolerów powoduje, że rośnie znaczenie specjalizowanych wersji przeznaczonych pod kątem pracy w określonych aplikacjach. Jednym z przykładów mogą być systemy sterowania silnikami bezszczotkowymi i indukcyjnymi, dla których wiele producentów tworzy wersje wyposażone w układy peryferyjne pomagające w uzyskaniu wysokich parametrów projektu.

W wymienionym przypadku wsparcie to jest na tyle znaczące, że pozwoliło na stworzenie wielu nowych aplikacji wykorzystujących napędy, w których mikrokontroler okazał się kluczowym elementem pozwalającym na ich powstanie. Układy PWM, specjalne wykonanie timerów do odmierzania interwałów czasowych, jak również wsparcie ze strony zestawu instrukcji sprowadziło skomplikowany technicznie system generacji wielofazowych sygnałów zmiennych koniecznych do zasilania uzwojeń silnika dosłownie do kilku elementów.

Podobne zjawiska widać w wielu innych dziedzinach - można kupić mikrokontrolery z wbudowanym sterownikiem wyświetlacza LCD, które znakomicie sprawdzają się w aplikacjach pomiarowych takich, jak mierniki zużycia mediów, sterowniki przemysłowe, sprzęt AGD i podobnych. Z kolei do aplikacji audio można wykorzystać układy wyposażone w kodeki zapisane w ROM umożliwiające na przykład odtwarzanie plików mp3, co znakomicie ułatwia tworzenie aplikacji posługujących się komunikatami głosowymi w telefonii, automatyce, systemach informacyjnych, motoryzacji i dziesiątkach innych.

Podane przykłady nie pokrywają oczywiście wszystkich dostępnych możliwości i opcji, których jest bez liku. Pokazują jednak, że zamiast na siłę rozwiązywać problemy metodami programowymi, koniecznie trzeba dokonać precyzyjnej analizy rynku pod kątem dostępnych układów. Coraz częściej okazuje się, że można znaleźć rozwiązanie, które w projektowanym zastosowaniu okazuje się lepszym wyborem.

Włodzimierz Dubasiewicz Freescale Semiconductor Jakie są przyczyny ciągłego wprowadzania na rynek nowych mikrokontrolerów przy tak szerokiej ofercie rynku?   Można odnieść wrażenie, że dostępna na rynku oferta mikrokontrolerów z powodzeniem zaspokaja potrzeby każdej aplikacji. Dlaczego więc pojawiają się wciąż nowe produkty wprowadzane na rynek? Odpowiedź jest prosta - mikrokontrolery opracowane przez różnych producentów nie są ze sobą zgodne na poziomie architektury, rdzenia, peryferii, obudowy itp. Różnią się też pod względem środowiska i narzędzi programistycznych. Konstruktor poszukujący idealnego mikrokontrolera do swojego projektu często staje przed trudnym zadaniem: konieczność wyboru elementu bogatszego o jedną pożądaną cechę zmusza do przejścia na zupełnie nowy produkt, często wyposażony "nadmiarowo" w innym zakresie. Potrzebny jest więc nowy produkt i producenci starają się taki dostarczyć. Dla konstruktora ideałem byłaby oferta elementów różniących się narastająco tylko jedną cechą, np. wielkością pamięci, liczbą kanałów przetwornika A/C lub timera, liczbą dostępnych I/O, w miarę możliwości w obudowie zgodnej co do rozkładu wyprowadzeń. Czy istniej szansa na pojawienie się w przyszłości mikrokontrolera idealnego? Próba zbliżenia się do ideału to na przykład koncepcja "8 to 32-bit MCU Continuum", w ramach której mikrokontrolery o podobnym wyposażeniu są umieszczane w takich samych, zgodnych obudowach - umożliwia to migrację projektu w miarę rosnących potrzeb, ale bez zmian pozostałej części projektu. Przykładem realizacji idei Continuum jest 32-bitowy rdzeń ColdFire V1 przewidziany do zastosowania w mikrokontrolerze zgodnym z 8-bitowym odpowiednikiem HCS08. Wyposażenie i peryferia pozostają takie same, jedyna różnica to większa wydajność. W obecnej ofercie Freescale Continuum rozpoczyna się od najmniejszych mikrokontrolerów z rdzeniem RS08, z którymi zgodne są (obudowa i wyprowadzenia) małe mikrokontrolery z rdzeniem HCS08. W miarę wzrostu wydajności i wyposażenia Continuum obejmuje MCU 16-bitowe, 32-bitowe ColdFire i mikrokontrolery z rdzeniem zgodnym z PowerPC.

Mikrokontroler w pliku?

Oprócz układów gotowych w postaci krzemowej na rynku oferowane są mikrokontrolery w postaci programowej, czyli jako bloki IP. Projekty te są kompletnymi układami mikrokontrolerów lub innych układów istniejących w postaci programowej, opisane w języku VHDL. Takie bloki można łączyć ze sobą w jedną funkcjonalną całość tworzącą kompletny system, które następnie zleca się do wykonania w krzemie w jednej z wielu fabryk półprzewodników. Opcja ta daje największe i najpełniejsze możliwości konfiguracji układu, jak również pozwala w sposób optymalny stworzyć docelową aplikację z uwagi na koszty.

Z układów w postaci bloków IP korzysta się najczęściej w projektach tworzonych w większej skali, co jest optymalne pod względem finansowym, na przykład w sprzęcie powszechnego użytku. Od tej reguły jest wiele wyjątków, ale nie tworzą one silnego nurtu zamówień. Przykładem mogą być projekty, w których istotne jest bezpieczeństwo wkładu intelektualnego - indywidualny projekt dla potencjalnego włamywacza jest z pewnością nieporównywalnie trudniejszy do złamania. Dlatego niejednokrotnie zamawia się tylko próbki.

Przykładem krajowej firmy, która oferuje mikrokontrolery w postaci bloków IP jest Evatronix. Jej oferta nie została zamieszczona w tabeli zbiorczej, aby nie zaciemniać obrazu prezentowanych tam danych, jednak warto wspomnieć o oferowanych możliwościach. Evatronix oferuje 8-bitowe mikrokontrolery o zwiększonej wydajności zgodne z 8051, 16- i 32-bitowe procesory dedykowane do produkcji systemów embedded z rdzeniem C68000 i C80186TX. Oferowane mikrokontrolery mogą być indywidualnie konfigurowane i oferowane są do niech różne układy peryferyjne.

Tadeusz Górnicki Prezes Zarządu WG Electronics Ponad ćwierć wieku jest zajmuje się pan mikrokontrolerami, wykładał pan na uczelni, projektował aplikacje. Co zmieniło się na rynku na przestrzeni tych lat? Pracę zaczynałem z popularnym mikrokontrolerem 8048, przeszedłem przez rodzinę 8051 i dziś widzę, że młodzi wchodzą w ARM-y. Jeśli chodzi o zmiany, poza oczywistym postępem technologii i nowymi 3-woltowymi układami nie widzę rewolucyjnych zmian jakościowych. Nie widzę wyraźnych różnic w metodologii projektowania aplikacji. W odniesieniu do zamierzchłych pionierskich czasów podkreśliłbym tylko zamykanie się rynku mikrokontrolerów dla pół-amatorskich rozwiązań wynikające ze stopnia złożoności architektury i konieczności stosowania drogich profesjonalnych narzędzi. Na przestrzeni lat można natomiast zaobserwować więcej stałych tendencji - nieustannie dynamicznie rosnący rynek i rosnącą skalę integracji. Dla mikrokontrolerów charakterystyczna jest też wyraźna okresowa polaryzacja rynku tzn. przyjęcie jednej, maksimum dwóch rodzin procesorów opartych na wspólnym rdzeniu za powszechnie stosowany w danym momencie standard. Czy czeka nas zatem era ARM-ów? Jeśli mam prognozować, to odpowiedź brzmi - tak. Potwierdzają to plany i strategie naszych partnerów firm Keil, IAR, JTAG oferujących szeroko rozumiane narzędzia projektowe. Oni oraz producenci mikrokontrolerów siły i środki koncentrują na tych układach. Żartobliwie mówiąc, wszyscy się zbroją i pieniądze inwestują w ARM-y. Czy zatem powinniśmy bez zwłoki włączać się w ten trend? Jeśli jest rzeczywista konieczność zmiany typu stosowanych w firmie procesorów to kierunek jest słuszny. W wielu jednak projektach ARM to "ARMata" na wróble, z której pierwszym zakupem wiążą się wbrew pozorom wysokie koszty wdrożeniowe. Producenci jak np. Silicon Laboratories oferują wiele szybkich procesorów o doskonale znanym projektantom rdzeniu 8051 z rozbudowanymi i dobrymi układami peryferyjnymi typu "mixed-signal". Znakomicie pasują one do wielu zastosowań. Pojawiają się też nowe mikrokontrolery z rozbudowanymi układami peryferyjnymi szyte na miarę pewnych klas zastosowań np. firmy Cyan Technology. Osobiście uważam, że zawsze będzie czas by się przesiąść do nowego środka "transportu", jeśli tylko, auto, które mamy, lubimy i jest ono komfortowe oraz wystarczające. Czasami wygodniej też kupić mniejszy pojazd np. do jazdy miejskiej. Nie przemyślana zmiana to kosztowna fanaberia. Zaraz będą i tak nowe modele. Poza tym mikrokontrolery się nie zużywają. Czy rozwój architektury mikrokontrolerów przestał być już wykładnikiem postępu? W pewnym sensie tak jest. W aplikacjach istotna jest szybkość przetwarzania cyfrowego rdzenia mikrokontrolera i tu obserwuję stały postęp. Nowatorstwo natomiast widzę w rozbudowanych układach peryferyjnych często typu analogowo-cyfrowego, które to otwierają nowe obszary zastosowań. Coraz bardziej rozbudowane układy peryferyjne będą integrowane ze standardowym cyfrowym rdzeniem tworząc mikrokontrolery dedykowane dla pewnych klas zastosowań, tworząc wręcz kompletne rozwiązania jednoukładowe. Puszczając wodze fantazji być może niedługo "każdy" skroi sobie mikrokontroler na miarę. Taka jest właśnie filozofia, pomysłodawcy nowego standardu, naszego partnera - firmy ARM, która oferuje stosowne narzędzia.

Uczestnicy raportu

Firmy uczestniczące w raporcie zwykle powiązane są autoryzowanymi umowami z producentami, co pozwala im, oprócz samych układów, zaoferować klientom wsparcie techniczne, narzędzia projektowe oraz literaturę techniczną w szerszym zakresie niż ta, która dostępna jest w Internecie. Współpraca dystrybutora ze znanym i renomowanym producentem mikrokontrolerów jest dla wielu firm ogromną szansą na ciekawą i dochodową działalność, ale jednocześnie dużym wysiłkiem organizacyjnym, aby współpraca przynosiła pożądaną skalę efektów.

Przykładem takich firm są krajowi dystrybutorzy jak Contrans TI - autoryzowany dystrybutor Texas Instruments, producenta mikrokontrolerów i układów DSP. W ofercie firmy wyróżniają się 16-bitowe mikrokontrolery RISC MSP430 do zastosowań pomiarowych o ultraniskim poborze mocy, w tym specjalizowane mikrokontrolery do liczników zużycia energii i wody oraz mikrokontrolery stosowane w osobistych urządzeniach medycznych. Forma ma spory dorobek opracowań z procesorami MSP430 i TMS320.

Drugim dystrybutorem jest gliwicka firma JM elektronik - autoryzowany dystrybutor firmy Atmel. Główny nurt sprzedaży stanowią układy 8-bitowe z rdzeniem AVR, charakteryzujące się dużą wydajnością. W ofercie znajdują się również mikrokontrolery z rdzeniem 51 oraz o architekturze 32-bitowej wyposażone w rdzeń ARM7, ARM9 oraz AVR32. JM do wszystkich rodzin mikrokontrolerów oferuje narzędzia uruchomieniowe.

Szerszy profil rynkowy w zakresie mikrokontrolerów ma firma Gamma, która reprezentuje firmy Microchip, Freescale i NetSilicon. Gamma skupia się na wspieraniu procesu projektowania i wdrożenia dla mikrokontrolerów 8-, 16- i 32-bitowych w aplikacjach wykorzystujących interfejsy komunikacyjne: CAN, USB, Ethernet, Zigbee. Oferuje również rozwiązania związane ze sterowaniem wyświetlaczami LCD i silnikami. Drugą firmą o takim profilu jest WG Electronics - dystrybutor firm: Silicon Laboratories, Maxim, Cyan Technology i Elan. WG skupia się na szybkich mikrokontrolerach z rdzeniem 8051 typu "mixed-signal" z rozbudowanymi układami analogowymi o wysokich parametrach technicznych oraz z rozbudowanymi układami interfejsów.

Tabela 1. Zestawienie zbiorcze ofert dystrybutorów mikrokontrolerów - układy szybkie, tanie i o niskim poborze mocy	Tabela 2. Zestawienie zbiorcze ofert dystrybutorów mikrokontrolerów - układy do zastosowań DSP i dowolne

Wśród pozostałych firm warto zauważyć ofertę firmy MSC, reprezentującej w Polsce interesy firm takich jak NEC, Renesas, Atmel i Cypress. Firma kładzie nacisk na produktach pierwszych dwóch firm, które charakteryzują się długim czasem dostępności, co predestynuje je do zastosowań przemysłowych i medycznych.

Mikrokontrolery oferują również firmy, które nie są powiązane formalnymi umowami z producentami, jak na przykład Elhurt, który oferuje szeroką gamę mikrokontrolerów 8-, 16- i 32-bitowych a szczególnie na produktach firmy NXP z rdzeniem ARM7. Elhurt oferuje bezpłatne próbki, pomoc inżyniera aplikacyjnego, a także inżynierów z NXP.

Tabele

Zestawienie ofert dostawców mikrokontrolerów przedstawione jest w tabelach umieszczonych w tabeli 1. Oferta rynku została podzielona na pięć kategorii: układy szybkie, mikrokontrolery z niskim poborem mocy i wersje tanie. Tabela 2 zawiera dwie kategorie: mikrokontrolery do zastosowań DSP oraz tzw. układ dowolny, a więc propozycję interesującą zdaniem dostawcy lub taką, którą nie dało się zmieścić w innych rubrykach.

W tabeli 3 znaleźć można dane kontaktowe producentów i dystrybutorów. Obserwując dane podane w tabelach na zakończenie należy stwierdzić, że szkoda, iż tak mało firm zdecydowało się podać ceny proponowanych mikrokontrolerów. Czyżby była to aż taka tajemnica?

Robert Magdziak