L’inarrivabile micro

MICROCONTROLLORI –

I microcontrollori rappresentano una delle più importanti tecnologie per lo sviluppo dei sistemi embedded e per questo motivo i produttori di silicio considerano strategico avere nel proprio portafoglio di prodotti microelettronici questo importante dispositivo.

Malgrado siano state proposte varie soluzioni alternative al microcontrollore come elemento centrale dello sviluppo dei sistemi embedded, in particolare la logica programmabile, la soluzione del microcontrollore rimane pur sempre quella più efficace e conveniente, pur essendo una soluzione general purpose e quindi potenzialmente ridondante rispetto ai requisiti applicativi. Per questo motivo il microcontrollore si è evoluto in maniera tale da soddisfare nella maniera migliore possibile i requisiti applicativi dei sistemi embedded. In particolare, i microcontrollori si sono specializzati per campi applicativi (automotive, telecomunicazioni, robotica, strumentazione, ecc.) e per requisiti applicativi (basso consumo, piccole dimensioni, basso costo, ecc.). Questo approccio ha portato ad una enorme proliferazione di soluzioni tale da rendere disponibile idealmente un microcontrollore su misura per una specifica applicazione. Molte tecnologie alternative a quelle del microcontrollore sono state assorbite e integrate in questo, come per esempio la tecnologia della logica programmabile nel caso dei Programmable System-on-Chip di Cypress, o dei MicrocontrolloriDsp di Texas Instruments. In tal modo è stata preservata la peculiarità essenziale del microcontrollore (dispositivo di elaborazione general purpose) integrando l'essenziale delle tecnologie application specific. I requisiti delle applicazioni embedded, anche quelli più stringenti, come il real-time e le ridottissime dimensioni, sono nella maggior parte dei casi soddisfabili con una soluzione single chip di natura system-on-chip. Anche i requisiti di costo e consumo di potenza risultano soddisfabili con tali soluzioni microcontrollori, grazie agli elevati volumi di produzione di questi componenti e alla continua sfida in atto tra i produttori di microcontrollori a battere al ribasso i record di basso consumo energetico. A questo proposito le soluzioni di energy harvesting sono sempre più ricorrenti e integrate all'interno del microcontrollore il quale, anche grazie alla sua intelligenza on-board è in grado di gestire in maniera attiva ed efficiente per ridurre i consumi di potenza fino a raggiungere durate dei applicazioni basate su batteria che arrivano fino a 20 anni senza sostituzione della batteria.

Microcontrollori per applicazioni smartphone
Il mobile computing è uno dei mercati a più rapida crescita nel mondo dell'elettronica e non ha mai mostrato segni di cedimento, nemmeno in tempi di grave crisi economica come quella attualmente in atto. Gli analisti di mercato sono tutti d'accordo sul fatto che questo impetuoso andamento di crescita sarà tale almeno fino al 2020. La spinta a questa crescita viene dalla combinazione tra connettività a larga banda e aumento della potenza computazionale degli stessi smartphone. Le applicazioni basate su smartphone stanno diventando sempre più importanti. In parte queste sono supportate dalle risorse interne dello stesso smartphone, ma sempre più spesso è necessario abbinare allo smartphone un dispositivo front-end che consenta di disporre della necessaria funzionalità che permette allo smartphone stesso di supportare efficacemente l'applicazione finale. In particolare si tratta di accessori intelligenti, di interfacce utente intelligenti, di interfacce verso il mondo fisico come i front-end analogici per applicazioni biomedicali consumer oppure per applicazioni di navigazione indoor non assistita da Gps. Il punto critico di queste applicazioni basate su smartphone è la connettività e la modalità di alimentazione, oltre ovviamente alla non invasività dell'add-on dell'accessorio. Il microcontrollore svolge in questi casi il ruolo di tecnologia abilitante in quanto consente di pervenire a svariate soluzioni solo modificando il firmware. Ovviamente i microcontrollori devono essere pensati per soddisfare questi requisiti e soprattutto supportati da strumenti e ambienti di sviluppo mirati.
Microchip ha sviluppato un portafoglio di strumenti, Smartphone Accessory, costituito da schede di sviluppo e da ampie librerie software orientate all'applicazione. Le schede di sviluppo includono anche i reference design necessari a fornire allo sviluppatore lo start up per la progettazione dell'applicazione, soprattutto quando si tratta di affrontare per la prima volta problematiche applicative che fanno riferimento a piattaforme smartphone. L'utilizzo di standard nelle schede di sviluppo è essenziale per la connettibilità immediata alle piattaforme smartphone (Apple iOS e Android), ma di fatto rappresenta già una parte consistente dello sviluppo. Per esempio, il 16/32 bit Mcu Accessory Development kit di Microchip rappresenta di fatto una base per l'implementazione immediata di un GPS car kit per iPhone. L'estesa libreria software di funzioni, già verificate per un ampio dominio applicativo è l'altro importante elemento chiave di accelerazione dello sviluppo enbedded. Questo software viene fornito senza costo di licenza e royalty-free e mantenuto nel tempo in modo da essere perfettamente compatibile con le ultime versioni di Apple iOS e Android. Il PIC24 or PIC32 Accessory Development Starter Kit di Microchip per Android mette a disposizione dello sviluppatore quanto serve per dialogare e scambiare dati con una piattaforma Android. La piattaforma mette a disposizione una libreria di accesso e dialogo con Adroid attraverso l'Open Accessory Framework (Android versione 2.3.4 o 3.1 e successive). La 16-/32-bit Accessory Development Platform di Microchip per Made-for-iPod è disponibile attraverso il canale di distribuzione di Apple. Anche il campo applicativo audio è ben supportato tramite una suite di funzioni di input, output, elaborazione dell'audio, filtraggio e mixing.

Microcontrollori per sistemi real-time critici
I sistemi real-time critici riguardano soprattutto il campo industriale, ma anche quello atomotive, ove l'operatività dell'applicazione implica sia una risposta in tempo reale, sia la garanzia di funzionamento in tutte le condizioni. I microcontrollori in questo caso sono realizzati con caratterizzazioni adatte a garantire questi requisiti. Infineon ha sviluppato una famiglia di microcontrollori (XMC4000) finalizzata a soddisfare i requisiti applicativi dei sistemi real-time critici. L'aspetto innovativo riguarda l'integrazione di una serie di periferiche, sviluppate dalla stessa Infineon, con un core Arm Cortex M4 caratterizzato da un set istruzioni molto potente e di natura Dsp. L'obiettivo di questa famiglia di microcontrollori è quella di soddisfare i requisiti di progettazione tipici del mondo industriale, tra cui l'efficienza energetica, il supporto di protocolli di comunicazione avanzati e un ciclo di sviluppo del prodotto sempre più ridotto.

Microcontrollori System-on-Chip
Il microcontrollore System-on-Chip è una delle più efficaci risposte alla ottimizzazione di questo dispositivo in quanto consente di ottenere l'architettura di sistema su misura per l'applicazione, riducendo al minimo necessario la ridondanza del sistema. Grazie ai progressi ottenuti nel campo dell'integrazione di sistema a livello microelettronico, la metodologia SoC è stata portata a livello di sviluppatore, consentendo a questo di costruire in casa un'architettura di sistema su misura rispetto alla sua applicazione. Il PSoC (Programmable System-on-Chip) di Cypress è una delle soluzioni più avanzate attualmente sul mercato, caratterizzata fondamentalmente da una ricca disponibilità di moduli funzionali e da un ambiente di sviluppo molto intuitivo. Il software di sviluppo del PSoC (PSoC Creator) è fatto in modo da soddisfare in maniera completa ed efficace le esigenze di sviluppo dei sistemi embedded. La metodologia di sviluppo è ad oggetti grafici mentre quella di integrazione è in un certo senso simile a quella delle Fpga. A differenza delle Fpga i cui elementi di programmazione dell'hardware sono le porte logiche, il modello di integrazione del PSoC si basa sui moduli funzionali dei microcontrollori, Cpu, periferiche, memorie, system clock, ecc. Utilizzando moduli già ottimizzati a livello hardware e allo stesso tempo compatibili con gli standard, i tempi di sviluppo sono enormemente più brevi di un equivalente sviluppo Fpga. In particolare, PSoC Creator 2.2 Component Pack 5 ha introdotto nuove funzionalità di progettazione che accelerano ulteriormente lo sviluppo delle applicazioni embedded. Questo ambiente di sviluppo consente di creare e di condividere periferiche completamente custom utilizzando un modello di progettazione gerarchico e un meccanismo di place and route automatico. Inoltre, PSoC Creator è un ecosistema con una catena di compilazione integrata (tra i compilatori C è supportato anche il Misra C) e varie soluzioni di Real Time Operating System.

Microcontrollori ultra-small
Le dimensioni giocano un ruolo importantissimo nello sviluppo dei sistemi embedded della prossima generazione. La riduzione delle dimensioni è quindi una delle priorità che i produttori di microcontrollori si stanno ponendo già da alcuni anni, soprattutto con l'espandersi delle applicazioni embedded indossabili.
Freescale ha recentemente introdotto una versione ultra miniaturizzata dell'architettura di computing Arm, il Kinetis KL02 Mcu, una Mcu a 32 bit di dimensioni di solo 1,8 x 2,0 mm. Il Kinetis KL02 Mcu è una Mcu wafer-level chip-scale package. La sua dimensione e il package che facilitano la realizzazione dei circuiti stampati in quanto consentono di minimizzare le problematiche degli effetti elettronici indotti, di migliorare la conduttività termica e la durata in ambienti sfavorevoli. Il core di questo microcontrollore è il Cortex-M0+, un core particolarmente efficiente in termini energetici. Anche le periferiche sono ottimizzate per il basso consumo di potenza in quanto della serie power smart. L'ottimizzazione del consumo di potenza è stato fatto anche relativamente alle batterie che potenzialmente verrebbero utilizzate (per esempio le batterie dei dispositivi portatili di tipo lithium-ion) le quali non sono in grado di sopportare picchi di corrente elevata normalmente richiesta nella fase di boot.

MicrocontrolloriDsp
Anche le applicazioni embedded real-time necessitano di soluzioni basate sulla tecnologia dei microcontrollori per sfruttarne opportunamente i vantaggi derivanti dalle piccole dimensioni, basso cosumo e basso costo. I requisiti real-time sono quelli dell'elevata velocità di esecuzione delle attività di elaborazione, della rapida risposta alle interruzioni e del trasferimento di grandi quantità di dati in tempi molto ridotti. Questi requisiti vengono soddisfatti da processori application specific come i Dsp oppure da Fpga programmate per eseguire in maniera dedicata algoritmi matematici più o meno complessi. Queste soluzioni ovviamente non sono flessibili come i microcontrollori, capaci di funzionare come processori (quindi di ospitare il software di gestione dell'applicazione, per esempio un kernel di sistema operativo real-time) ed allo stesso tempo di funzionare come macchine di controllo (quindi di interagire in maniera fisica rispetto al processo sotto controllo, per esempio di acquisire dati analogici, eseguire misure e attuare un controllo fisico sul processo). Quello che manca a un microcontrollore classico è quindi la connotazione Dsp per poter soddisfare i requisiti real-time più impegnativi in applicazioni industriali come gli strumenti di misura, l'automazione industriale, il controllo di funzionalità auto motive critiche, ecc. Quello che manca ad un Dsp sono le funzionalità del microcontrollore. L'utilizzo congiunto di due processori, un microcontrollore e un Dsp, porta inevitabilmente alla duplicazione e ridondanza di risorse. Quindi il microcontrolloreDsp è la soluzione ottimale in applicazioni embedded real-time di fascia bassa e media, soprattutto quando il dispositivo ha tutte le risorse necessarie on-chip. Un campo applicativo particolarmente importante dei microcontrolloriDsp è quello del controllo motore, in cui il connubio tra architettura microcontrollore e architettura Dsp centra perfettamente i requisiti applicativi, soddisfacendo in pieno anche quelli dell'embedding (dimensioni, costo e consumo di potenza elettrica). Texas Instruments, particolarmente attiva nella produzione di Dsp ad elevate prestazioni, ha da tempo dedicato la famiglia di Dsp di fascia bassa (la famiglia C2000) alle applicazioni real-time di controllo, caratterizzandola con funzionalità tipiche dei microcontrollori, ed allo stesso tempo con funzionalità dedicate al particolare campo applicativo del controllo motore. Recentemente ha introdotto dispositivi della famiglia C2000 che integrano una funzionalità di controllo motore che consente di mettere a punto una completa applicazione in pochi minuti. La nuova soluzione si chiama InstaSpin-Foc (Field oriented-control) ed elimina il sensore di rotazione meccanica del motore. Questa soluzione riducendo considerevolmente i costi e i tempi di sviluppo, in quanto il firmware che implementa l'algoritmo encoder, è completamente embedded nella Rom del microcontrolloreDsp a 32 bit C2000 Piccolo di Texas Instruments (InstaSpin-Foc fa parte di una serie di software di controllo motore che Texas Instruments rende disponibile agli sviluppatori).

Microcontrollori per applicazioni sicure
L'utilizzo di microcontrollori in applicazioni sicure come gli accessi o i documenti elettronici è fondamentale per soddisfare i requisiti applicativi particolarmente stringenti come quelli del basso consumo (in generale sono applicazioni in cui la batteria deve durare quanto il ciclo di vita dell'applicazione), le dimensioni (in molte applicazioni il microcontrollore deve essere integrato nel materiale dell'applicazione stessa), il costo (spesso si tratta di applicazioni di natura usa e getta e di grandi volumi). I microcontrollori devono quindi essere capaci di elaborare flussi dati anche consistenti (per esempio dati di natura biometrica) e allo stesso tempo di elaborarli in tempo reale, oltre ad avere la capacità di memorizzazione di dati non volatili di natura identificativa e di scambiare dati con il mondo esterno in maniera non invasiva. STMicroelectronics sta da tempo sviluppando microcontrollori con architettura a 8/16 bit con connotazioni funzionali utili a supportare le applicazioni contactless intelligenti. Un esempio è la ST32 Dual Interface Secure Mcu dotata di 160 KBytes Eeprom, di un enhanced security e Nescrypt cryptoprocessor e di un RF Type B (Contectless High end ID-Passport/PKI). Si tratta di un microcontrollore ad accesso seriale dotato di soluzioni che lo rendono particolarmente idoneo a supportare le applicazioni smartcard sicure. Basato sull'architettura avanzata del core ST a 8/16 bit, il microcontrollore offre fino a 16 Mbyte di indirizzamento lineare per i dati e utilizza una tecnologia Eeprom Cmos ad elevata affidabilità.
La peculiarità sta nell'interfaccia RF integrata che comprende un RF universal asynchronous receiver transmitter capace di un flusso dati di 848 Kbits/s compatibile con lo standard Iso 14443-B standard e di abilitare la comunicazione Innovatron (type B'). Il microcontrollore rende disponibile anche una periferica di comunicazione Iso/Iec 7816-3 EMV-compliant asynchronous receiver transmitter.

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