L'ottimizzazione dei consumi rappresenta senza ombra di dubbio una delle nuove frontiere dell'elettronica. A questa logica non sfuggono ovviamente i microcontrollori, dove spesso si concentra una fetta importante del budget energetico. In passato, a causa delle difficoltà e degli oneri legati all'integrazione delle funzioni di energy management (che inevitabilmente comportano un aumento dei costi), il tema dei consumi era un aspetto affrontato solo nei microcontrollore più sofisticati. Grazie ai nuovi prodotti della famiglia di Mcu EFM32 Zero Gecko di Silicon Labs (società nota per i suoi circuiti integrati a segnali misti ad alte prestazioni e a forte contenuto analogico), anche i sistemi più economici possono ora contare su capacità di risparmio energetico degne dei prodotti di fascia alta.
Sofisticate nella gestione dell'energia
L'annuncio riguarda una nuova linea di microcontrollori a 32 bit basati sul core Arm Cortex -M0+ e caratterizzati da un'efficienza energetica particolarmente spinta.
La nuova famiglia è stata espressamente progettata per assicurare dei consumi più bassi a livello di sistema e sono pertanto destinati a una vasta gamma di dispositivi normalmente alimentati a batteria (che assorbono correnti dell'ordine dei nA), come ad esempio terminali mobili per applicazioni medicali e fitness, orologi “intelligenti”, smart meter, monitor indossabili, apparati di sicurezza, nodi per sensori wireless. I nuovi prodotti sono ovviamente ideali anche per le applicazioni con alimentazione in harvesting (cioè che ricavano energia dall'ambiente), quindi prive di batterie. Le Mcu EFM32 Zero Gecko dispongono di un sistema per la gestione dell'energia particolarmente sofisticato, che prevede cinque differenti modalità operative. Le cinque modalità operano accendendo e spegnendo i blocchi circuitali per consentire alle applicazioni di rimanere in uno stato ottimale in termini di consumi, riducendo il più possibile il tempo trascorso negli stati responsabili della maggior parte degli assorbimenti. In modalità "deep sleep" le Mcu Zero Gecko sono caratterizzate da un consumo di corrente in standby di soli 0,9 μA: in questa modalità vengono mantenuti i contenuti della Ram e della Cpu e alcune funzioni chiave quali Rtc a 32,768 kHz, rilevamento di fenomeni di brown-out (cali di alimentazione) e Por (Power-On-Reset) restano attive. In modalità "attiva" il consumo di potenza è pari a 110 µA/MHz a una frequenza di 24 MHz nel caso di esecuzione di un codice reale (algoritmo di ricerca dei numeri primi) contenuto nella flash. In modalità "shut-off" il consumo di corrente scende a soli 20 nA. Il tempo di risveglio estremamente breve (solamente 2 μs) dallo stato di stand-by contribuisce a ridurre ulteriormente i consumi. Come tutti i prodotti della serie EFM32 Gecko, le MCU Zero Gecko integrano la struttura di interconnessione Prs (Peripheral Reflex System) che permette di migliorare significativamente l'efficienza energetica a livello di sistema. Il Prs effettua il monitoraggio di eventi complessi a livello di sistema e consente alle differenti periferiche della Mcu di colloquiare direttamente tra di loro in modo autonomo, senza coinvolgere la Cpu. Sfruttando la struttura Psr, una Mcu EFM32 può controllare il verificarsi di una serie di eventi specifici prima di svegliare l'unità di elaborazione, mantenendo quindi il core Cortex-M0+ in modalità di stand-by a basso consumo il più a lungo possibile. Le Mcu EFM32 Zero Gecko integrano numerose periferiche analogiche di precisione, già presenti sui dispositivi delle famiglie Tiny Gecko, Giant Gecko e Wonder Gecko di Silicon Labs. Tra queste periferiche a bassissimo consumo, si possono annoverare un comparatore analogico, un comparatore della tensione di alimentazione, un sensore di temperatura e un convertitore A/D (ADC) a 12 bit caratterizzato da un consumo di corrente di 350 μA a una velocità di campionamento di 1 MHz.
Le caratteristiche della serie EFM32 Zero Gecko
I dispositivi della serie EFM32 Zero Gecko sono le sole Mcu basate sul core Cortex-M0+ al momento disponibili a integrare un convertitore D/A in grado di erogare o assorbire una corrente programmabile (IDAC). L'Idac analogico di precisione genera una corrente di polarizzazione compresa tra 0,05 e 64 µA con un overhead di soli 10 nA. Esso permette un'accurata polarizzazione e il controllo di altri circuiti esterni tra cui amplificatori, sensori, ponti di Wheatstone e reti a scala di resistenze, eliminando il ricorso a componenti esterni in numerose applicazioni dove il costo rappresenta un elemento critico. Un altro primato della linea Zero Gecko è rappresentato dal fatto di essere le sole Mcu con core Cortex-M0+ ad includere un blocco hardware Aes (Advanced Encryption Standard) a 128-bit. Grazie al supporto integrato dell'accelerazione delle operazioni di cifratura secondo lo standard Aes, le Mcu Zero Gecko offrono una soluzione ideale per i transceiver e i trasmettitori RF usati nei dispositivi per reti Internet of Things. La serie EFM32 Zero Gecko è compatibile a livello sia software sia di pin con l'ampio portafoglio di Mcu EFM32 Gecko, composto da circa 250 modelli. Grazie a questa compatibilità, le nuove Mcu si propongono per gli sviluppatori come un prodotto entry level a basso consumo della famiglia Gecko. Qui si segnalano i prodotti a prestazioni più elevate, compresa la nuova linea Wonder Gecko i cui componenti dispongono di un set di istruzioni Dsp completo e un'unità matematica in virgola mobile dedicata.
L'ambiente di sviluppo
Al fine di accelerare il time to market e ridurre i costi di sviluppo, la famiglia EFM32 Zero Gecko è supportato dalla suite software Simplicity Studio, un ambiente GUI completo che può essere utilizzato sulle più diffuse piattaforme di elaborazione. Disponibile a titolo gratuito con lo starter kit di Zero Gecko, Simplicity Studio permette agli sviluppatori di accedere, con un semplice click, a tutte le informazioni, alla documentazione, ai tool energyAware e alle librerie software necessarie per realizzare in tempi rapidi applicazioni a basso consumo.
I principali componenti di Simplicity Studio sono energyAware Profiler, un tool di debug semplice ma ad alte prestazioni per lo sviluppo di sistemi embedded a basso consumo, ed energyAware Designer, un tool preposto alla gestione delle problematiche, di solito onerose in termini temporali, del debug dei conflitti tra i pin di I/O. Utilizzando i tool energyAware, gli sviluppatori possono accedere alle linee di codice che sono responsabili del maggior consumo di energia. Simplicity Studio include anche una libreria software energyAware realizzata a partire dal livello di astrazione CMSIS standard di ARM, e supportato dalla più diffuse tool chain. Tra i numerosi tool forniti da terze parti si possono annoverare Embedded Workbench di IAR, MDK-ARM di Keil e CrossWorks di Rowley Associates.
