Microcontrollori sempre più integrati

MICROCONTROLLORI –

La tecnologia dei microcontrollori si è molto evoluta negli ultimi anni per soddisfare al meglio le applicazioni in tutti i settori, dall’industriale al consumer, integrando su un singolo chip tutte le tecnologie necessarie alle applicazioni; wireless, digital signal processing ed Fpga.

I microcontrollori si sono evoluti notevolmente negli ultimi anni con l’obiettivo di soddisfare la più ampia gamma possibile di applicazioni. Oltre a implementare architetture di computing sempre più efficienti, i microcontrollori di ultima generazione hanno integrato tecnologie che prima erano completamente estranee a questo sistema, come ad esempio la tecnologia wireless, la tecnologia analogica e la tecnologia della logica programmabile. I microcontrollori sono diventati la tecnologia abilitante sia in campi applicativi esistenti, ma ad elevato livello di embedding, come quello automotive, sia in campi applicativi emergenti come il i dispositivi elettromedicali portatili e gli elettrodomestici.

Microcontrollori e wireless
L’integrazione della tecnologia wireless on-chip rappresenta una delle più importanti innovazioni tecnologiche di cui si è avvantaggiato l’architettura system-on-chip del microcontrollore. Il microcontrollore con tecnologia RF on chip consente di ottimizzare in termini di consumo di potenza e di ingombro una grande quantità di applicazioni in cui queste prestazioni ne hanno fortemente limitato la diffusione.
La connettività è diventata una delle tecnologie abilitanti più importanti nelle applicazioni embedded attuali e, in prospettiva, la più importante per le applicazioni di prossima generazione. Uno degli ambiti applicativi che trarrà maggior vantaggio dalla disponibilità della tecnologia wireless a livello di microcontrollori è sicuramente quello consumer. Il microcontrollore wireless JN5148 di NXP integra su singolo chip un Mcu a 32 bit ad architettura Risc (Reduced Instruction Set Computer) avanzata e un transceiver RF compatibile Ieee 802.15.4. Grazie a questa integrazione, questo microcontrollore indirizza in maniera altamente ottimizzata applicazioni di networking a basso consumo energetico. La Cpu avanzata a 32 bit consente di ottenere codice estremamente efficiente e compatto grazie al formato istruzioni a lunghezza variabile, al multi-stage instruction pipeline e al low power operation basato sulla velocità di clock programmabile e su varie modalità di sleep. L’integrazione on-chip di 128 kbyte di Rom e di 128 kbyte di Ram, insieme a un’ampia varietà di periferiche analogiche e digitali, caratterizzano questo dispositivo come soluzione SoC (System-on-Chip) particolarmente avanzata per applicazioni RF. Infatti, l’ampia disponibilità di memoria on-chip consente a questo dispositivo di eseguire internamente stack di rete come ZigBee Pro o altri protocolli proprietari. Il bassissimo consumo di potenza elettrica è una importante peculiarità di questo dispositivo, considerando che il suo modo operativo è al di sotto dei 18 mA, cioè è in grado di operare direttamente da una batteria a pasticca. Il livello di embedding risulta in tal modo estremamente avanzato e consente di affrontare applicazioni che richiedono un ridottissimo ingombro e un’operatività a lungo termine. Oltre al transceiver RF, questo microcontrollore integra un processore per la codifica sicura Aes a 128-bit, un acceleratore Mac, 128 kbyte di Ram e di Rom e varie periferiche analogiche e digitali. L’ampia memoria on-chip consente la codifica dell’intero stack ZigBee Pro oltre al codice applicativo. Il clock può essere ridotto a 4 MHz in low power sleep mode. Altre periferiche sono i contatori di impulsi a basso consumo attivi in sleep mode e l’interfaccia audio a 4 fili I2S direttamente interfacciabile al Codec audio.
Un altro esempio di integrazione della tecnologia wireless a livello di microcontrollore viene da Atmel. Anche in questo caso si tratta di tecnologia RF compatibile con lo standard Ieee 802.15.4 integrata con l’architettura microcontroller AVR in una soluzione single-chip. Lo standard RF supporta le bande a 700/800/900 MHz, rendendo in tal modo implementabili applicazioni RF nelle varie aree geografiche. Particolarmente interessante per applicazioni embedded avanzate ZigBee sono i moduli compatti 802.15.4/ZigBee che consentono un elevatissimo livello di integrazione. Il microcontrollore Atmel ATmega128RFA1 compatibile Ieee 802.15.4 è un single-chip che combina la tecnologia AVR con quella RF a 2.4 GHz. Questo microcontrollore si caratterizza anche per il basso consumo di corrente in tutte le modalità operative e i tempi brevissimi per il wake-up dalla modalità sleep. Le modalità di power-down sono varie e tra queste interessante è quella wake-on-radio che tiene il ricevitore RF attivo mentre il microcontrollore è in modalità sleep. Questo microcontrollore RF combina la tecnologia microcontroller AVR con un transceiver RF 2.4 GHz. Inoltre è un dispositivo a basso consumo di potenza elettrica, dotato di degradation-free supply fino a 1.8 V. Grazie all’antenna diversity feature il dispositivo è in grado di selezionare il miglior segnale da due antenne per ogni frame in arrivo. Il dispositivo supporta il controllo di amplificatori di potenza esterni per disporre di un range esteso. Il data rate è disponibile fino a 2 Mbit/s per supportare le applicazioni Ism a 2.4 GHz.
Quanto sia importante la soluzione RF a livello di microcontrollori è evidente anche in soluzioni come il sistema di sviluppo da polso di Texas Instruments, ez-430 Chronos. Questo è infatti un sistema di sviluppo “indossabile” ad elevatissima integrazione basato sul CC430F6137 (con le sembianze di un orologio da polso). Il CC430F6137 è un effettivo System-on-Chip per applicazioni RF a bassissimo consumo. Basato sul core MSP430, una Cpu Risc a 16 bit, questo microcontrollore integra il sottosistema RF sub 1 GHz CC1101, un transceiver specificamente ottimizzato per applicazioni industriali, scientifiche e mediche e per la realizzazione di dispositivi a raggio breve (315, 433, 868 e 915 MHz). Il bassissimo consumo caratterizza in generale i microcontrollori della famiglia MSP. Ma in particolare quelli della famiglia MSP430F5xx consumano solo 165 microampere/Mips in modalità attiva e 2,5 microampere in modalità standby. Ciò significa avere la possibilità di realizzare applicazioni senza batteria, cioè alimentati da celle solari, da vibrazioni o dal calore corporeo. Fondamentale è comunque il brevissimo tempo di attivazione dallo stato di stand-by e di sleep (solo 5 microsecondi) e la possibilità di eseguire comunque lo scambio dati in modalità stand-by. La gestione dei consumi di potenza è affidata al modulo Pmm, il quale consente di scegliere dinamicamente la tensione di alimentazione ottimale per il core.

Microcontrollori e Dsp
I microcontrollori di ultima generazione hanno raggiunto prestazioni computazionali molto avanzate, ma non abbastanza per affrontare problematiche applicative ove il livello computazionale è molto elevato, come per esempio le applicazioni di controllo basate su algoritmi matematici più o meno complessi. Il Dsp ha rappresentato la soluzione ottimale per l’esecuzione real-time degli algoritmi matematici, richiedendo però un microcontrollore per le altre componenti applicative. L’integrazione tra microcontrollore e Dsp, sia come dual-core, ma soprattutto come architettura Dsp modificata per supportare anche la funzionalità Dsp, si è dimostrata una strategia di successo, soprattutto per ottenere un elevato livello di embedding. Il microcontrollore-Dsp MC56F8006 di Freescale è un esempio di ottimizzazione di un’architettura di computing intensivo nell’ottica del microcontrollo efficiente e veloce. In questa tipologia di microcontrollori è determinante il livello di integrazione on-chip di funzionalità che diversamente richiederebbe l’integrazione su scheda, con un conseguente abbassamento del grado di embedding. Un esempio di funzionalità integrata on-chip è il Pga (Programmable Gain Amplifier), fondamentale per l’utilizzo ottimale del convertitore Adc in quanto consente di tenere sotto controllo la dinamica dei segnali da acquisire e garantisce un ottimo rapporto segnale/rumore per i piccoli segnali, evitando la distorsione per i grandi segnali. Con una frequenza di clock di solo 32 MHz e operando a 3,3 V di alimentazione, il consumo di corrente è solo di 50 mA. Grazie alla tecnologia per il basso consumo che prevede la disabilitazione mirata delle periferiche inutilizzate, l’efficienza energetica è per questo dispositivo estremamente alta.

Microcontrollori e logica programmabile
La combinazione tra microcontrollori e logica programmabile rappresenta il futuro più probabile per la progettazione di sistemi embedded. La flessibilità e versatilità di un sistema programmabile come la Mcu e l’elevato livello di embedding ottenibile con la logica programmabile è esattamente quello di cui necessitano i progettisti. Non a caso i produttori di logica programmabile sono particolarmente interessati a integrare sulle loro piattaforme i core microcontroller di maggiore successo, ma allo stesso tempo anche i produttori di microcontrollori sono molto interessati a integrare la logica programmabile con le loro Mcu. Vi è quindi una convergenza tra microcontrollore e logica programmabile che troverà presto una sua caratterizzazione ottimale in funzione delle esigenze emergenti di progettazione embedded. Per esempio, Lattice Semiconductor offre LatticeMico8 come intellectual proprierty core. LatticeMico8 è un microcontrollore soft a 8 bit, con istruzioni a 18 bit e con bus di indirizzamento configurabile da 8 a 24 bit. Il set di registri interni è configurabile da 16 a 32 bit. Un altro esempio viene da Xilinx. Questa offre una soft processing unit a 32 bit, MicroBlaze, combinabile con la logica programmabile e con altre IP, come ad esempio la floating-point unit, e integrabile sulla Fpga Spartan e Virtex. In entrambi questi casi si tratta di soluzioni che intendono ottenere il massimo possibile da entrambe le tecnologie, senza rinunciare alla soluzione SoC. A tale scopo, oltre al core Mcu, vengono rese disponibili anche le IP relative a periferiche standard sia di natura digitale, sia di natura analogica.
Il caso più emblematico è SmartFusion di Actel-Microsemi che integra la logica Fpga, l’elettronica mixed-signal, la Mcu Arm Cortex-M3 e la tecnologia analogica programmabile. Si tratta di una soluzione di natura system-on-chip che è competitiva rispetto all’offerta dei microcontrollori standard, ma allo stesso tempo è innovativa della filosofia del microcontrollore. L’innovazione sta proprio nell’integrazione della parte analogica programmabile: Adc (8-/10-/12-bit Sar), Dac (12-bit sigma-delta), signal conditioning block, comparatori, monitor di corrente, monitor di temperatura, monitor di alte tensioni bipolari.
L’approccio PSoC di Cypress è un’ulteriore conferma di questa tendenza all’integrazione tra logica programmabile e microcontrollore. In particolare il PSoC 5 integra la Mcu Arm Cortex-M3, un convertitore Adc a 20 bit e una Pld con 48 datapaths in cascata. La riconfigurabilità dinamica è una delle peculiarità di questo dispositivo che consente di utilizzare le risorse interne su richiesta.

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