Un mondo di embedded

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Tecnologia e sistemi embedded sono il più importante motivo di innovazione tecnologica cui le aziende fanno riferimento soprattutto in questo momento di crisi economica, come ha dimostrato l’Embedded World 2010.

Lo sviluppo della tecnologia embedded non sembra subire rallentamento in conseguenza del critico momento economico in cui siamo pienamente immersi. La tecnologia embedded e i sistemi embebbed in generale, si stanno rivelando come lo strumento principale di innovazione per quasi tutte le aree applicative, da quella industriale a quella consumer. I temi di maggiore attualità sono la densità e la versatilità della memoria nei sistemi embedded, i bassi consumi di potenza elettrica, il metering e la domotica intelligente.

Processori embedded
La nuova serie di Mcu Si10xx di Silicon Labs soddisfa allo stesso tempo le esigenze di consumi bassissimi e di prestazioni efficienti in radiofrequenza, requisiti essenziali per la fattibilità di sistemi per home automation alimentati a batteria, dei sistemi di metering intelligenti e dei sistemi di sicurezza. Queste Mcu integrano un core 8051 a 25 MHz, il transceiver RF operante a frequenze inferiori al GHz (EZRadioPRO), fino a 64 kb di flash e un convertitore A/D con risoluzione massima di 12 bit in un package di dimensioni pari a soli 5 x 7 mm. Si tratta di Mcu wireless su chip singolo estremamente efficienti dal punto di vista energetico. Nella modalità attiva il consumo è di 160 μA per MHz, mentre in modalità sleep questo scende a 615 nA (con un Rtc attivo operante a 32,768 kHz) e a 315 nA (con un Rtc attivo e un oscillatore a bassa frequenza). In modalità deep-sleep, infine, il consumo è di soli 25 nA con completa ritenzione dei dati nella Ram. L’architettura a bassissima dissipazione e i brevissimi tempi di wake-up (2 μs) permettono di aumentare in maniera considerevole la durata delle batterie nelle applicazioni che utilizzano batterie al litio e alcaline. Queste nuove Mcu wireless di Silicon Labs si distinguono anche per le elevate prestazioni RF in quanto assicurano la massima sensibilità e potenza di uscita a fronte di bassissimi consumi nel passaggio alla fase di risveglio. L’amplificatore di potenza e l’amplificatore a basso rumore integrati consentono di ottenere un link budget (bilancio di potenza) maggiore di 140 dB senza richiedere la presenza di elementi esterni attivi. Soluzioni come il microcontrollore Vinculum VNC2 di Ftdi, sfruttano al massimo la tecnologia SoC per mettere a disposizione dello sviluppatore un sistema completo su singolo chip per la realizzazione di applicazioni che hanno la connettività Usb come riferimento centrale. Il chip integra una Mcu a 16 bit (ad architettura Harvard), 256 kByte di memoria e-Flash programmabile on-chip per il programma e 16 kByte di Sram per i dati. Svariate periferiche di comunicazione sono disponibili, tra cui Spi slave controller, Spi master controller, Uart ad alta velocità (fino a 3 Mbaud), Pwm a 8 canali e 16 bit di precisione. La peculiarità di questo dispositivo sta soprattutto nel fatto che la connettività Usb è integrata in un contesto di sistema (Mcu/memoria/periferiche) che consente allo sviluppatore di risolvere l’intera applicazione con un singolo chip. Inoltre, con gli strumenti di sviluppo che Ftdi mette a disposizione per l’implementazione delle applicazioni (automotive, medicale, storage portatile, telefonia mobile, videocamere da connettere ai display, macchine industriali, scanner), lo sviluppatore sfrutta al massimo i vantaggi della soluzione SoC. Tra gli innumerevoli requisiti da soddisfare nelle applicazioni embedded quello di proteggere le applicazioni da azioni di clonazione o di contraffazione ha una priorità sempre più elevata sia in campo consumer, sia in campo industriale. Atmel, tra le varie soluzioni Mcu, propone il dispositivo AT90SO4, che consente di implementare facilmente applicazioni sicure certificate che prevengono la clonazione e la contraffazione delle applicazioni consumer in ambiti sensibili come quello bancario e quello governativo, ma anche in altri ambiti in cui semplicemente si vuole proteggere la proprietà intellettuale, per esempio nelle cartucce di inchiostro per le stampanti, nelle consolle dei giochi, negli elettrodomestici, nei riproduttori MP3, negli auricolari Bluetooth, ecc. Per i bassi consumi, la tecnologia nanoWatt XLP che Microchip ha implementato nei suoi microcontrollori PIC di ultima generazione rappresenta un importante avanzamento per quanto riguarda le Mcu. Con una corrente attiva estremamente bassa (meno di 50 µA/MHz), queste Mcu possono migliorare l’efficienza energetica globale nell’ambito di un vasto spettro di applicazioni. A questo scopo sono state create 14 nuove istruzioni che permettono di ottenere in livello di efficienza di esecuzione del codice C fino al 40% superiore rispetto alla precedente generazione di Mcu PIC16 a 8 bit.

Controllo motore e applicazioni embedded basate su rete richiedono architetture di computing sempre più veloci. L’SH7216 di Renesas è un esempio di come questi requisiti applicativi possano essere soddisfatti. Questo microcontrollore a 32 bit basato sull’architettura Risc SuperH opera a 200 MHz sviluppando una capacità computazionale di 400 Mflops sia in singola che in doppia precisione. Ciò grazie a un core superscalare capace di eseguire due istruzioni contemporaneamente. Il dispositivo, pur considerando la sua potenza computazionale e la capacità di memoria flash (3,75 MB), è di ridottissime dimensioni. L’integrazione tra digitale e analogica per i sistemi embedded è un processo sempre più imposto dai requisiti applicativi. SmartFusion di Actel è un esempio di sistema Fpga mixed-signal intelligente, ovvero una logica programmabile che integra sia un sottosistema microcontrollore completo basato su Arm Cortex-M3, sia la logica Fpga, sia una serie di blocchi analogici programmabili basati sul processo flash. I Dsp sono una delle più importanti tecnologie di computing alla base dei sistemi embedded in tutti i campi applicativi. Il nuovo processore MSC8155 di Freescale è un esempio di integrazione ad elevata densità computazionale (sei core Dsp SC3850 StarCore che funzionano a 1 GHz su un singolo die). Tra le caratteristiche più evolute dell’MSC8155 figurano una versione di seconda generazione di Maple-B2L (Multi-accelerator platform engine acceleration block). L’acceleratore per banda base Maple -B2L incorporato nel Dsp MSC8155 comprende un nuovo turbo encoder ad altissime prestazioni, un turbo decoder con throughput più elevato e motori di accelerazione per la trasformata di Fourier. Maple -B2L raggiunge 200 Mbps nella decodifica Viterbi e 900 Mbps nella codifica Turbo. I motori Fft incorporati supportano fino a 900 Msps di thoughput per la Fast Fourier Transform o 630 Msps per la Discrete Fourier Transform.

Memorie embedded
STMicroelectronics ha introdotto la serie M24LR64 di memorie Eeprom accessibili in doppia modalità, da interfaccia cablata I2C o da interfaccia radio frequenza standard (senza necessità di amplificazione di potenza). Un simile dispositivo di memoria apre innumerevoli campi applicativi nel modo embedded, in particolare per quanto riguarda l’aggiornabilità del firmware e dei dati nelle applicazioni embedded, soprattutto quelle profondamente embedded (per esempio quelle applicazioni che una volta istallate non sono più direttamente accessibili). Le Eeprom M24LR64 sono da 64 kbit utente, 64 bit per la memorizzazione di un identificativo unico, 32 bit per una password di protezione. La tecnologia per l’interfaccia radiofrequenza è Rfid passiva. Par tale motivo non richiede potenza on-board. Rispetto alle esigenze del mercato consumer, i requisiti per le memorie Flash destinate alle applicazioni industriali di natura embedded sono molto differenti e l’esigenza maggiore è ovviamente in termini di robustezza. Apro ha prodotto una nuova serie di driver allo stato solido che utilizzano anche la comunicazione parallela Ata (Bon Series Pata Ssd). Questi dispositivi utilizzano la tecnologia Slc (Single level cell) Flash Nand in un formato da 2,5” e incapsulata in un contenitore robusto di metallo e con capacità da 8 a 128 Gbyte. Oltre alla peculiarità della robustezza, questi drive evidenziano anche quella della velocità operativa, in particolare il fast erase, cioè la cancellazione veloce dell’intero dispositivo sia a comando hardware che a comando software. La robustezza è garantita da un sistema di incapsulamento metallico tale da resistere agli urti e anche a forti escursioni termiche (da -40 + 85 °C), ad altezze elevate (70.000 piedi) e all’umidità. L’affidabilità è di 3 milioni di ore di Mtbf, 2 milioni di cicli di durata e 10 anni di tenuta dei dati.

Sviluppo e prototipazione rapida di sistemi embedded
La nuova piattaforma di sviluppo di Future Electronics, ConnectNet Micro-Blox, consente di utilizzare le famiglie di microcontrollori a 32 bit PIC32MX5, MX6 e MX7 di Microchip per prototipare in maniera rapida utilizzando liberamente le funzioni di gestione dell’energia, di controllo del display, di controllo della memoria e le interfacce di comunicazione che sono rese disponibili con la piattaforma. La scheda è dotata del microcontrollore PIC32MX795F512L e di un Fpga A3P250-1FGG256 ProASIC3 di Actel. Il ProASIC3 viene utilizzato come controller Lcd programmabile e per interfacciarsi alla memoria. La ConnectNet Micro-Blox può essere configurata in modalità stand-alone disponendo delle funzioni essenziali a tale operatività come la conversione della tensione per rail di 3,3 V e 1,5 V da un’alimentazione di 5 V, 256 Mbit di Sdram, due Adc separati, una porta Usb e un’interfaccia per un modulo wireless ZeroG.
li ambienti di sviluppo sono sempre più evoluti e inseguono le esigenze degli sviluppatori. Un esempio emblematico è visualstate di Iar, un set di strumenti sofisticati e allo stesso tempo semplici da usare, per la progettazione embedded basata su macchine a stati. Oltre ad essere un sistema di sviluppo altamente integrato, rende disponibile al progettista la modalità di progettazione grafica delle macchine a stati, basata su Uml (Unified Modeling Language). Tale modalità consente di affrontare in forma grafica la complessa problematica della progettazione delle macchine a stati, con la possibilità di generazione automatica del codice per il target finale. Il tool set è particolarmente efficace per lo sviluppo di sistemi embedded basati su microcontrollori piccoli e a risorse limitate, grazie alla sua capacità di ottimizzare al massimo il codice generato e per il basso carico computazionale richiesto dalle Api. Un esempio di target con queste caratteristiche è il Chronos watch di Texas Instruments, un sistema di sviluppo wireless embedded da polso basato sull’MSP430. Quanto l’evoluzione degli ambienti di sviluppo sia interessata al mondo embedded lo dimostra la continua aggiunta di strumenti di sviluppo nel noto ambiente di modellazione Matlab di The Mathworks. L’ultima novità è Simulink Plc Coder, un generatore di testo strutturato IEC61131 per controllori logici programmabili e per controllori programmabili per l’automazione.

Gestione del ciclo di vita dell’applicazione embedded
La crescente complessità del software, anche nelle applicazioni embedded, impone strumenti di gestione del ciclo di vita del software che consentono, in settori critici come per esempio l’automotive e il medicale, di ridurre fino all’85% gli errori dovuti soprattutto a una cattiva gestione dei requisiti. L’esperienza sviluppata in campi applicativi ad elevata criticità come l’avionica ha dimostrato che la mancata identificazione di errori prima che si giunga a una fase avanzata di prodotto (per esempio il primo volo) porta a un aumento dei costi di ben 900 volte.
Ldra e Visure hanno sviluppato Embed-X, un sistema di gestione del ciclo di vita dell’applicazione embedded che coordina la gestione del progetto, dei requisiti, dell’architettura, della codifica, della configurazione del software e del relativo test. La qualità del software, al crescere della complessità dei sistemi embedded, è un tema molto sensibile. Il Mis (Management Information System) di Prqa è un esempio di sistema per l’analisi e il reporting relativo alla qualità del software basato su strumenti molto sofisticati. Opera in congiunzione con strumenti di analisi statici e sistemi di controllo delle versioni, per ottenere dati che non sarebbero ottenibili con gli strumenti tradizionali. L’analisi del software è molto approfondita e altamente parametrizzabile. I benefici che ne derivano sono soprattutto in termini di riduzione dei costi di progettazione.

Rtos per sistemi distribuiti complessi
I sistemi embedded complessi, multiprocessore e distribuiti, richiedono software di sistema affidabile e tollerante dei guasti. Allo stesso tempo devono essere deterministici in condizioni di tempo reale. Enea, con la versione 5.5 del suo compatto e robusto Rtos, ha messo a disposizione degli sviluppatori un sistema operativo modulare e scalare sotto forma di microkernel. In particolare la versione Ose ck si adatta alle architetture multiDsp che si caratterizzano per le prestazioni hard real-time, con limitatissima disponibilità di memoria. Questo è completamente event-driven e capace di rilevare gli errori in maniera automatica oltre a gestirli appropriatamente.

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