Krajowi dostawcy mikrokontrolerów i oprogramowania projektowego

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.

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.