Microcontrollori sempre più simili ai System-on-Chip

microcontrollori rappresentano per lo sviluppatore il paradigma di progettazione elettronica digitale più efficace ed effettivo, soprattutto perché l’elevato livello di integrazione che tale componente ha raggiunto negli ultimi anni ha caratteristiche tali da assimilarlo al system-on-chip, al costo di un semplice circuito integrato. I microcontrollori si sono arricchiti nel tempo di funzionalità on-chip che hanno sottratto complessità e dimensionalità al sistema discreto, riducendo il footprint del Pcb, facendo migrare l’implementazione delle applicazioni da dimensioni significative difficilmente compatibili con la tendenza alla miniaturizzazione imposta dallo sviluppo della tecnologia di rete IoT. Tra le più importanti funzionalità che i microcontrollori hanno integrato on-chip, il sottosistema di connettività wireless, i front-end analogici, il sottosistema di gestione della potenza elettrica, il sottosistema di gestione dell’interfaccia utente, ecc.

Mcu con connettività Rf

La connettività Rf è ormai una funzionalità fondamentale nelle applicazioni embedded di ultima generazione, soprattutto quelle orientate al contesto applicativo di rete IoT. La disponibilità on-chip del sottosistema transceiver Rf è sicuramente un grande vantaggio sia in termini di riduzione della complessità del sistema che di ottimizzazione dei consumi di potenza elettrica. La serie di Mcu wireless di Nxp Semiconductors integra un core processor avanzato come l’Arm Cortex M3 con un sottosistema wireless radio transceiver a 2.4 GHz. Per esempio, la Mcu JN517x di Nxp oltre a integrare on chip il transceiver Rf, è anche una ultra-low power Mcu con una capacità di configurare la potenza trasmissiva in uscita fino a +10 dBm, che unita alla bassissima corrente operativa in ricezione (con sensibilità in ricezione a -96 dBm) fino a 12,7 mA in operatività normale e 0,6 µA in modalità sleep, consente a questa Mcu di operare direttamente con una batteria a bottone (fino a 10 anni di durata) come nodo attivo di una rete wireless, grazie anche alle modalità di power save implementate on chip. Il sottosistema transceiver Rf implementa la modalità Antenna diversity (Auto RX) semplificando la gestione della funzionalità di antenna in modalità di ricezione. L’ottimizzazione dei consumi di potenza elettrica è anche il risultato della integrazione di uno sleep oscillator ultra low-power che consuma solo 6 µA con un consumo di solo 100 nA in condizioni di deep sleep, pur offrendo la possibilità di risveglio da evento esterno.

Mcu ultra-low power

La caratteristica ultra low-power delle Mcu di ultima generazione è una peculiarità che sta assumendo un’importanza crescente nell’ambito delle applicazioni di natura embedded. STMicroelectronics offre una piattaforma Mcu ultra low-power basata su una tecnologia proprietaria ultra-low leakage. L’offerta si articola dall’architettura a 8 bit (STM8L) fino al quella a 32 bit (Arm Cortex M4) inclusa la Mcu STM32L0, (Arm Cortex M0+) ed STM32L1 (Arm Cortex M3). Queste Mcu raggiungono il limite minimo di consumo di 170 nA nella modalità più estrema di low power pur mantenendo i dati nella Ram statica e garantendo un tempo di wake-up dallo stato di stop di solo 3.5 µs. Particolarmente interessante è la Mcu STM32L4 che oltre ad essere ultra low-power è capace di 100 Mips con istruzioni Dsp e aritmetica floating-point hardware supportata da Fpu, oltre ad essere dotata di una quantità considerevole di memoria flash on-chip (1 Mbyte). Le Mcu STM32L4 utilizzano lo scaling dinamico della tensione per ottimizzare i consumi di potenza elettrica e periferiche a basso consumo attive in modalità Stop della Cpu. Da segnalare anche la ricca dotazione di funzionalità analogica e mixed signal che contribuiscono all’ottimizzazione dei consumi di potenza elettrica e alla riduzione delle dimensioni a livello di sistema finale integrato sulla scheda Pcb.

Mcu ad alte prestazioni computazionali

Le prestazioni computazionali delle Mcu sono determinanti quando la complessità dell’applicazione che devono supportare è molto elevata e sono da gestire funzionalità real-time molto stringenti. Le Mcu non sempre sono capaci di offrire capacità computazionali elevate se non sono ottimizzate a tale scopo e di conseguenza l’alternativa sono i processori Asp (Application Specific Processor), i quali però non hanno le peculiarità delle Mcu (basso consumo, basso costo, piccole dimensioni, ecc.). Microchip, sin dall’ingresso nel settore delle Mcu ha puntato sull’efficienza computazionale sceglendo architetture innovative come quella Harvard ad 8 bit. Ora, che la maggior parte dei produttori di Mcu utilizzano il core Arm Cortex M4 per avere efficienza computazionale di natura Dsp a 32 bit, Microchip ha scelto l’architettura Mips per le sue Mcu a 32 bit, la famiglia PIC32MZ che utilizza il core microAptiv che consente al PIC di triplicare le prestazioni computazionali con particolare riferimento a quelle Dsp. A questo aspetto di efficienza computazionale, l’architettura Mips microAptiv, grazie alla Istruction Set Architecture (micro Mips) consente di ridurre il footprint della memoria di programma di un terzo (la Mcu richiede meno tempo per caricare ed eseguire il codice applicativo).

Mcu non volatili

La non volatilità della memoria per le Mcu è stata una delle principali innovazioni che hanno conferito a tale dispositivo l’importante proprietà di ritenzione del codice di programmazione e dei dati. La prima innovazione in fatti di memoria non volatile per i microcontrollori si ebbe quando furono integrate on chip le prime memorie Rom Otp (Once time programmable) che consentivano la memorizzazione del codice di programmazione in modalità non volatile su una Rom programmabile una sola volta. Pur essendo quella delle memorie Otp una tecnologia innovativa all’epoca in cui la non volatilità della memorizzazione era garantita solo da tecnologie come le Rom non programmabili, le Eprom e le Eeprom, tutte tecnologie di memorizzazzione off-chip, cioè esterne al chip e operanti come memorie esterne, non adatte ad essere programmate run-time in tempo reale. L’avvento delle memorie Flash ha completamente cambiato lo scenario della volatilità delle memorie on chip per i microcontrollori, altamente integrabili on-chip le memorie flash erano anche capaci di elevata densità e di gestire con molta flessibilità le operazioni di lettura e scrittura del dati oltre che del codice di programmazione. Le prime Mcu con memoria flash on-chip hanno rappresentato un momento di innovazione fondamentale per lo sviluppo di sistemi embedded di nuova generazione. Poiché la memoria per le Mcu è una componente di sistema da cui dipende il successo implementativo dei requisiti applicativi, la ricerca di nuove soluzioni di memorizzazione non volatile che garantiscono tali requisiti è sempre attiva. Le Memorie non volatili Fram sono state proposte come valida alternativa alle memorie Flash soprattutto per la capacità di emulare la modalità operativa delle Ram, relativamente alla fase più critica di accesso, quella in scrittura. La latenza in scrittura delle memorie Fram rispetto alle memorie Flash è talmente bassa da poter considerare le Fram come le Ram. Le Mcu basate sulle tecnologie di memoria Flash impegnano fino al 10% del tempo di Cpu per gestire il processo di scrittura (le memorie Flash necessitano di un ciclo di pre-erase di circa 20 ms per poter essere disponibili alla scrittura) mentre le memorie Fram, per loro natura non richiedono cicli di pre-erase per rendersi disponibili alla scrittura, quindi le Fram risultano almeno 100 volte più veloci in scrittura rispetto alle Flash (potendo essere scritte alla velocità di 125 µs per byte). Texas Instruments si è impegnata da tempo a integrare nelle sue Mcu della famiglia MSP430 la memoria Fram come memoria di sistema, offrendo in tal modo una opportunità di soluzione di problematiche applicative di data logging efficiente, pur mantenendo le prerogative avanzate delle Mcu di ultima generazione (ultra low-power, architettura computazionale avanzata, elevata integrazione di sistema, ecc). Per esempio la Mcu MSP430FR5962 di Texas Instruments integra on-chip 128 kbyte di Fram, 8 kbyte di Sram, e varie periferiche mixed signal come l’Adc a 12 bit multiplato su 20 canali dotato di un window comparator, il comparatore analogico a 16 canali, e varie funzionalità di supporto al computing intensivo, come il moltiplicatore hardware a 32 bit, il Dma a 6 canali. L’architettura computazionale della Mcu MSP430FR5962 è Risc capace di operare fino a 16 MHz.

I vantaggi della memoria Fram

Fram è l’acronimo di Ferroelectric Random Access Memory. Si tratta di una tecnologia di memorizzazione non volatile basata sul controllo della polarizzazione di campi elettrostatici che mantengono lo stato fisico/logico anche dopo la rimozione dell’alimentazione elettrica, per cui risultano non volatili. Il principale vantaggio della tecnologia di memorizzazzione non volatile Fram rispetto alle altre tecnologie tradizionali di memorizzzazione non volatili (come Eeprom e Flash) è la velocità del ciclo di scrittura (una cella di memoria può essere scritta in meno di 50 ns, cioè 1000 volte più veloce rispetto alla scrittura equivalente su Eeprom/Flash). Inoltre il ciclo operativo della scrittura della Fram è decisamente più semplice ed equivalente a quello di lettura (come avviene nelle Ram), mentre le Eeprom/Flash richiedono la sequenzializzazione di due comandi, quello di scrittura e di un successivo comando di lettura/verifica che ovviamente impegna per alcuni cicli di clock le istruzione di controllo la Cpu in fase di scrittura, rendendo la scrittura su Eeprom/Flash lenta rispetto alla memoria Ram. Le Fram garantiscono un minor consumo di potenza elettrica in quanto la scrittura della cella opera a bassa tensione, per cui è necessaria pochissima corrente per cambiare lo stato di una cella (1,5 V contro i 10-14 V richiesti dalle Flash). Ciò implica, oltre a un minor consumo di potenza elettrica, un’elettronica di controllo dell’alimentazione decisamente più semplice che favorisce il fattore di minor complessità circuitale delle Fram rispetto alle Eeprom/Flash. Un altro particolare vantaggio è l’affidabilità. Le Fram sono state verificate affidabili fino a 100.000 miliardi di cicli di lettura/scrittura, molto più di quanto offra la migliore tecnologia Eeprom/Flash. Infine, un vantaggio significativo della Fram è di natura sistemistico, cioè unifica il modello di memoria (Ram/Rom), la Rom viene considerata operativa come la Ram (le istruzioni di lettura e scrittura sono equivalenti tra loro in termini di numero di cicli di clock necessari al loro completamento).

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