Oprogramowanie EDA, narzędzia i zestawy startowe dla mikrokontrolerów są kluczowe dla rozwoju elektroniki i prac projektowych

Krajowy rynek narzędzi projektowych rozwija się w szybkim tempie z uwagi na rosnącą liczbę mikrokontrolerów w układach elektronicznych, stały wzrost znaczenia układów programowalnych, rozwój technologii komunikacyjnych oraz dostępność oprogramowania takiego jak Linux i Android. Mimo że mamy coraz więcej dostępnych darmowych narzędzi, bibliotek, rynek uznaje się za nienasycony, a konkurencja wcale nie jest taka silna.

Poza narzędziami do mikrokontrolerów i programatorami pamięci Flash, które stanowią naturalną bazę tego sektora rynku, warto podkreślić znaczenie zestawów uruchomieniowych dla potrzeb M2M i radiokomunikacji. Takie nowe obszary również przyczyniają się do wzrostu potencjału omawianego sektora, tworząc nowe otwarcia. Wiele modułów komunikacyjnych to złożone konstrukcje zawierające procesor aplikacyjny, pamięć i układy peryferyjne, dające możliwość programowania. Do ich obsługi potrzebne są narzędzia programowe i sprzętowe, podobne jak do mikrokontrolerów.

Obudowy bezwyprowadzeniowe są standardem

Specjaliści uważają, że dostępne narzędzia projektowe są drogie, ale ich wysoka cena odpowiada wysokim możliwościom projektowym. Co piąty pytany był natomiast zdania, że narzędzia mają dobrze zbalansowane możliwości oraz ceny. Widać, że wraz z ofensywą narzędzi bezpłatnych oraz subsydiowanych i programów open source rynek się polaryzuje, tworząc dwa bieguny. Równocześnie możliwości wielu bezpłatnych narzędzi są coraz większe, przez co produkty te wypychają z rynku mierne wyroby, o ograniczonych możliwościach, ale i te, które do tej pory określane były właśnie jako mające „dobry stosunek ceny do parametrów”.

Najważniejszym czynnikiem odpowiedzialnym za szybką popularyzację zestawów projektowych jest niewątpliwie miniaturyzacja w elektronice. Większość nowych układów scalonych wytwarzana jest w maleńkich obudowach bezwyprowadzeniowych, jak BGA i QFN. Jeszcze kilka lat temu były one zarezerwowane dla złożonych układów cyfrowych, takich, które stanowią jądro systemu cyfrowego (procesor, układ graficzny, matryca programowalna), ale widać, że obecnie montowane są w nich także układy średniej skali integracji, na przykład sterowniki zasilaczy, wzmacniacze audio i operacyjne, układy komunikacyjne i podobne.

Wraz z kryzysem i coraz większym znaczeniem elektroniki konsumenckiej na rynku wytwórcy ograniczają liczbę dostępnych obudów. Co więcej, gęstość upakowania stale rośnie, a rastry wyprowadzeń chipów maleją. Innymi słowy, montaż nawet płytki prototypowej wymaga skorzystania z pełnego procesu SMT, co nie zawsze jest możliwe, łatwe, tanie i szybkie. Dlatego płytka ewaluacyjna, nawet jeśli zawiera jedynie chip i złącze, jest dla konstruktora tak samo cenna, jak dekadę temu bezpłatne próbki, zaś same układy zaczynają przypominać ciastko za szybą.

Wypromowanie nowego innowacyjnego układu, np. mikrofonu MEMS, który ma wielkość ziarnka gorczycy, bez zestawu projektowego jest dla producenta elektroniki bez porównania trudniejsze, bo konstruktor od razu staje przed koniecznością kosztownego prototypowania, zanim będzie mógł ocenić przydatność proponowanego rozwiązania. Innymi słowy, tworzenie zestawów projektowych jest korzystne dla obu stron.

Zestaw ewaluacyjny elementem wsparcia technicznego

Warto zauważyć, że wielu producentów chipów ma w ofertach układy scalone o podobnych funkcjach jak konkurencja. W zakresie podzespołów standardowych liderzy rynku mają wiele rozwiązań podobnych do siebie, nierzadko różniących się tylko drobnymi niuansami. Stąd cały łańcuch dystrybucji wkłada wiele wysiłku, aby swoje produkty przedstawić i zaproponować konstruktorom jak najwcześniej, najlepiej na samym początku procesu projektowania.

Wiadomo, że projektanci mają coraz mniej czasu i są pod nieustanną presją konkurencji oraz koniecznością obniżania kosztów. Dlatego każde wsparcie, które ułatwi im pracę i ograniczy ryzyko, jest chętnie przyjmowane. Niewątpliwie zestawy projektowe, narzędzia i oprogramowanie zaliczają się do takich działań.

Kolejnym czynnikiem pozytywnie oddziałującym na rynek narzędzi jest to, że na rynku elektroniki wiele się dzieje. Praktycznie każdego dnia pojawiają się jakieś nowości mniejszego kalibru, większe premiery najczęściej są rocznicami, a te przełomowe to mniej więcej pięć lat. Z punktu widzenia wiedzy projektanta, jego doświadczenia zawodowego oraz tego, ile ma czasu na samokształcenie i pogłębianie wiedzy, to wszystko jest bardzo mało, tym bardziej że złożoność wielu technologii jest znaczna i wykraczająca poza możliwość poznania ich poprzez zwykłe przeczytanie dokumentacji.

Przykładem mogą być nowoczesne technologie komunikacji sieciowej lub IoT. Zapanowanie nad tymi procesami wsparcia się nowoczesnym oprogramowaniem i platformami sprzętowymi jest w zasadzie niemożliwe, stąd dostępność rozbudowanych zestawów, narzędzi i oprogramowania staje się dzisiaj często wręcz kluczowa.

Oprogramowanie darmowe czy komercyjne?

Główni odbiorcy oprogramowania i narzędzi projektowych w Polsce. Na czołowej pozycji są producenci elektroniki profesjonalnej, a więc firmy wytwarzające specjalistyczne i niszowe aplikacje. Ale niewiele słabiej oceniono uczelnie wyższe i placówki badawcze, które jak wynika z ankiet są ważnym i liczącym się na rynku odbiorcą narzędzi i programów. Są one potrzebne do prowadzonych badań naukowych, prac realizowanych w ramach grantów i nauczania studentów i zwykle dotyczą zaawansowanych wersji. Dół wykresu przypadł firmom zagranicznym obecnym w Polsce oraz producentom kontraktowym. Ci pierwsi zwykle wyposażenie takie przywożą ze sobą z rynków macierzystych, poza tym wiele firm projektowych, korzystających z naszych zasobów kadrowych, już jest w kraju od dawna i największe inwestycje ma za sobą. Ci drudzy zwykle nie zajmują się projektowaniem.

Projektowe oprogramowanie inżynierskie nigdy nie było tanie i nie będzie. Zaawansowane narzędzia projektowe, a zwłaszcza takie przeznaczone do mikrokontrolerów, procesorów sygnałowych o dużych możliwościach weryfikacji, emulacji i kontroli działania w czasie rzeczywistym też sporo kosztują. Niemniej poza obszarem produktów o charakterze czysto komercyjnym na rynku jest wiele narzędzi bezpłatnych lub prawie bezpłatnych, które tworzą producenci chipów.

Szczególnie imponująco wygląda oferta dla mikrokontrolerów 32-bitowych, gdzie można znaleźć kilkanaście kompletnych platform o różnym stopniu zaawansowania. Takie zestawy producenci sprzedają po cenie równoważącej im koszty produkcji, nierzadko rozdają na seminariach i warsztatach technicznych uczestnikom, traktując takie działania jako formę promocji.

Własne wersje opracowują także więksi dystrybutorzy podzespołów elektronicznych. Firmy tworzą i udostępniają starter kity konstruktorom po kosztach, wychodząc z założenia, że nic lepiej nie napędzi sprzedaży chipów. Niekiedy możliwości takich zestawów są na tyle duże, że dla wielu firm okazują się one całkowicie wystarczające, co przekonuje, że jest to działanie, które ma spory wpływ na rynek.

Podobnie jest z oprogramowaniem. Większość producentów mikrokontrolerów rozwija i oddaje bezpłatnie użytkownikom zintegrowane środowiska projektowe (IDE) zawierające kompilator, debugger, programator i emulator, za pomocą których można tworzyć nawet złożone projekty. Dostępne są też biblioteki, drivery, stosy, ułatwiające rozpoczęcie pracy, dzięki czemu orientujący się w tematyce inżynier jest w stanie zrealizować nawet duży projekt.

Poza oprogramowaniem narzędziowym można znaleźć też bezpłatne pakiety oprogramowania do projektowania płytek drukowanych, symulatory, narzędzia do projektowania filtrów - takich pozycji jest naprawdę wiele. Zakres wsparcia płynącego ze strony producentów mikrokontrolerów w przypadku danego producenta nie jest taki sam ani też nie ma reguł, co oddaje się za darmo, a za co trzeba już płacić. Niemniej trudno nie zauważyć, że zwykle popularne mikrokontrolery są właśnie w ten sposób silnie wspierane.

Dyskusja bazująca na tym, czy lepsze są narzędzia komercyjne, czy też te dostarczane przez producentów gratis, nie może i pewnie nigdy nie będzie miała rozstrzygnięcia, bo wszystko zależy od konkretnego przypadku. Z pewnością wiele prostych projektów daje się zrealizować za pomocą bezpłatnych środowisk programistycznych oraz interfejsów umożliwiających programowanie układu i debugowanie kodu.

Producenci układów programowalnych pokrywają też zdecydowaną większość rynku w zakresie prostych i mało skomplikowanych aplikacji, gdyż zwykle ich bezpłatne oprogramowanie plus płytki demo mają wystarczające możliwości. Projektanci, którzy tworzą aplikacje profesjonalne, takie gdzie jakość i niezawodność potwierdzane są badaniami i certyfikatami, mogą preferować dopracowane produkty komercyjne.

Inni, zwłaszcza ci, który dysponują czasem i wiedzą, mogą wybrać narzędzia bezpłatne. Wszystkie rozważania trzeba też odnieść do skali przedsięwzięcia, bo im jest ona większa, tym koszt narzędzi w przeliczeniu na sztukę jest mniejszy, co sprzyja narzędziom komercyjnym. Niemniej czynników wyboru jest naprawdę wiele.

Patrząc na te procesy w perspektywie lat, można powiedzieć, że koszt pracy inżynierskiej stale rośnie, na dodatek dobrych projektantów elektroniki zawsze brakuje, zwłaszcza w zakresie układów analogowych. Wydajne narzędzia, które są w stanie przyspieszyć projektowanie, ograniczyć liczbę wykonywanych prototypów i takie, które pozwalają zrobić więcej przy mniejszych zasobach kadrowych, zawsze będą poszukiwane i pewnie z czasem nawet bardziej niż dzisiaj.

Firmy mają sporą świadomość niezbędności tego typu oprogramowania, nie szukają drogi na skróty w zakresie technologii i zwykle większość problemów z oprogramowaniem EDA ma już dla nich charakter wyłącznie biznesowy, czyli ogranicza się do tego, jak wydając minimalną kwotę pieniędzy, otrzymać potrzebne narzędzia.

Firmy decydują się na płatne oprogramowanie także wówczas, gdy chcą korzystać ze wsparcia technicznego, ci, którzy potrzebują gotowych bibliotek na przykład obsługujących zaawansowane układy peryferyjne, korzystają z systemów operacyjnych, realizują złożone systemy, do tworzenia których przydają się dostępne w płatnych pakietach funkcje optymalizacyjne i analityczne.

Pozytywnym aspektem tych procesów jest też spadek cen narzędzi projektowych, sprzyjający popularyzacji rozwiązań i technologii. Otrzymana za darmo płytka startowa nierzadko jest przyczyną zainteresowania daną architekturą studentów i pracowników biur projektowych, którzy później mogą podjąć decyzję o większym zaangażowaniu właśnie w tym, znanym już kierunku. Wiadomo, że grono projektantów jest inercyjne i zmiany w wykorzystywanych architekturach układów programowalnych nie są częste. Wiedza plus posiadane już narzędzia tworzą bariery, które można przełamać w taki sposób.

Wzrost zainteresowania open source

Profile dostawców oprogramowania i narzędzi projektowych

Kryzys gospodarczy ostatnich lat i związane z nim poszukiwanie wszelkich możliwych oszczędności spowodowały wzrost zainteresowania darmowym oprogramowaniem oraz także platformami sprzętowymi open source. W ten sposób zaczęły powstawać otwarte projekty urządzeń, które zawierają schemat, projekt PCB, wykaz elementów oraz oprogramowanie.

Dziedzina ta rozwija się od dawna, jednak dopiero rozwój gotowych platform, które można kupić w kilku produkowanych wersjach i dopasować do własnych potrzeb (Arduino, Amicus18, Beagleboard, Hawkboard, Raspberry Pi a od niedawna Intel Edison), spowodował, że przekroczona została konieczna do rozwoju masa krytyczna zainteresowania.

Jednym z ważniejszych czynników ułatwiających powstawanie platform open hardware i bezpłatnego oprogramowania open source jest znacząca rola społeczności inżynierskiej i hobbystów zgromadzonych wokół forów dyskusyjnych, którzy nie tylko kreują kształt powstających produktów, ale czynnie włączają się w prace nad ich powstawianiem. Termin ten określa się jako crowdsourcing i oznacza on wspólną pracę wielu osób, na dodatek rozproszonych po całym świecie, nad realizacją projektu.

Takie rozproszone działania oparte na gronie w dużej mierze przypadkowych osób niesie za sobą ryzyko błędów i braku optymalności, niemniej gdy grupa pracująca nad projektem dobierze się trafnie i skupi osoby kompetentne, często wynik ich pracy ma charakter innowacyjny.

O ile do niedawna takie produkty były obiektem zainteresowania grup społecznościowych skupionych wokół portali i hobbystów, o tyle obecnie coraz częściej są postrzegane przez biznes jako tanie i innowacyjne narzędzie projektowe. Widać to chociażby po tym, że platformy open hardware są akceptowane w biznesie. Dla firm oznacza to obniżkę kosztów i skrócenie czasu przygotowania produktu.

Oprogramowanie EDA i narzędziowe

Ogromna większość urządzeń elektronicznych zawiera obecnie w sobie mikrokontrolery, często nawet więcej niż jeden. Poza częścią sprzętową w takich systemach konieczne jest przygotowanie oprogramowania firmware zarządzającego działaniem całości. Innymi słowy, poza oprogramowaniem EDA do tworzenia schematu płytki i symulacji konieczne są inne programy narzędziowe mniejszego kalibru, a więc kompilatory, symulatory i debuggery oraz programy związane z interfejsem JTAG do wgrywania kodu, symulacji w czasie rzeczywistym i testowania poprawności montażu.

Projektanci wykorzystują do tego celu zintegrowane środowiska projektowe zawierające komplet potrzebnych programów połączonych ze sobą w jeden spójny system (IDE - Integrated Design Environment). IDE pozwalają na obsługę całej rodziny procesorów o wspólnej architekturze. Z uwagi na ogromną popularność procesorów z rdzeniem ARM coraz większe znaczenie na rynku mają właśnie środowiska IDE dla corteksów, które obsługują wszystkie procesory oraz wspomagają projektowanie aplikacji dla Linuksa i Androida itp. Stąd też konkurencja w zakresie oprogramowania narzędziowego wydaje się największa właśnie w zakresie IDE dla ARM, bo jest to produkt uniwersalny i wykraczający poza jedną firmę i producenta.

Podobnie jak w przypadku własnościowych architektur mikrokontrolerów dla ARM, na rynku prawie każdy producent ma coś własnego (zazwyczaj IDE + GCC), są także dostępne bezpłatne narzędzia producentów m.in. takich jak Keil, Atollic, CrossWorks itp.

Wpływ na rynek dostawców katalogowych się zwiększa

Wraz z tym jak zestawy rozwojowe stały się niezbędnym elementem wykorzystywanym w procesie przekształcania pomysłów w gotowe urządzenia, produkty te stały się atrakcyjną pozycją dla katalogowych dostawców podzespołów elektronicznych. W ostatnich trzech latach wszystkie firmy tego typu znacznie rozbudowały swoje oferty, nawiązały współpracę z producentami narzędzi, a także za pomocą prowadzonych forów dyskusyjnych zaczęły wspierać projekty open source.

Takie działania widać było najbardziej w zakresie promocji komputera jednopłytkowego Raspberry Pi, dzisiaj takich promowanych produktów jest co najmniej kilkanaście. Katalogowi dystrybutorzy w krótkim czasie stali się liczącymi dostawcami narzędzi projektowych, głównie w zakresie sprzętu, ale trzymają rękę na pulsie także w zakresie oprogramowania EDA. Strategia tych działań jest jasna - ofertę trzeba prezentować klientom jak najwcześniej, najlepiej gdy rysują schemat i wybierają elementy.

Szeroki asortyment

Ilustracja, które typy narzędzi cieszą się największym powodzeniem i stanowią główny nurt rynku. Zdecydowanie w czołówce lokują się płytki ewaluacyjne i starter kity, a więc produkty specjalizowane, dostarczane często przez dystrybutorów podzespołów. Na drugiej pozycji uplasowały się narzędzia JTAG zapewne z uwagi na duże możliwości projektowe. Narzędzia i programy dostarczane przez producentów chipów wcale nie są notowane wysoko, prawdopodobnie dlatego, że są one tanie, czasem nawet rozdawane za darmo i tym samym o mniejszym znaczeniu biznesowym.

Rynek narzędzi projektowych jest bardzo różnorodny od strony asortymentu. Praktycznie każdy bardziej złożony układ scalony ma swój zestaw startowy lub płytkę testową. Jest wiele sprzętu ogólnego przeznaczenia: programatory, wersje pracujące równolegle (gang) oraz automaty produkcyjne.

Są emulatory, symulatory, debuggery do co najmniej kilkunastu poszczególnych architektur procesorów, narzędzia JTAG do kontroli poprawności montażu i uruchamiania układów i wiele produktów związanych z komunikacją. Do tego dochodzi równie imponująca liczba pozycji oprogramowania. Całość tworzy na tyle duży rynek, że w zasadzie niemożliwe jest skoncentrowanie większości udziałów rynkowych w jednej lub kilku firmach, zwłaszcza tych typowych dla krajowego rynku, a więc małych i średnich.

Przegląd dostawców oprogramowania projektowego

W zakresie dużych uniwersalnych pakietów oprogramowania EDA, łączących w ramach jednego zintegrowanego systemu wiele narzędzi, takich jak edytor schematów, program do projektowania płytek drukowanych, autorouter, symulator oraz narzędzia wspomagające projektowanie układów programowalnych, na rynku w ostatnim okresie doszło do kilku przetasowań.

Dystrybucją produktów Altium zajęła się firma Computer Controls, firma Evatronix we współpracy z FlowCAD-em zajęła się promocją OrCAD-a. Poza tym zmian nie ma: Gamma jest dystrybutorem programu PADS Mentor Graphics, zaś Eagle oferuje Farnell element14. Dodatkowo Farnell nawiązał współpracę z Altium i będzie miał w ofercie program Circuit Maker, który uzupełni Eagle w trudniejszych projektach.

Poza dużymi pakietami oprogramowania EDA ważną część rynku tworzą narzędzia dla mikrokontrolerów, a więc kompilatory, symulatory i debuggery, stosy programowe oraz środowiska IDE do tworzenia systemów embedded. Dostawcą takich programów jest firma WG Electronics, sprzedająca oprogramowanie firm Keil, ARM i iSystem oraz produkty do "boundary-scan" firmy JTAG Technologies. Kolejnymi firmami tego typu na rynku są RK-System, a także Kamami i JM elektronik. Większość wymienionych firm nie ogranicza oferty do oprogramowania i sprzedaje też narzędzia sprzętowe.

Dostawcy narzędzi sprzętowych

Dostawców narzędzi do projektowania elektroniki można podzielić na dwie wyraźnie zarysowane grupy o zbliżonych profilach. Pierwszą z nich stanowią dystrybutorzy podzespołów elektronicznych, którzy mają też w ofercie powiązane narzędzia. Taki model działalności jest popularny, gdyż komponenty i narzędzia są silnie ze sobą powiązane tematycznie i nierzadko dostępność narzędzi warunkuje sprzedaż podzespołów i odwrotnie.

Przykładem takich przedsiębiorstw są WG Electronics, JM elektronik, EBV oraz dystrybutorzy katalogowi: Farnell element14, TME, Conrad, którzy nierzadko mają silnie konkurencyjną ofertę handlową w porównaniu z resztą.

Drugą grupę tworzą firmy, które produkują samodzielnie narzędzia projektowe, np. Glyn wytwarzający zestawy startowe z mikrokontrolerami Renesasa i wyświetlaczami, Propox, RK-System, produkujący programatory i emulatory oraz Kristech, Kamami. Nie zawsze to, co jest w ofercie, pochodzi tylko z produkcji własnej.