Microchip Technology Inc.
Mikrokontrolerji ali MCU-ji, katerih začetki segajo v sedemdeseta leta prejšnjega stoletja, imajo pomembno vlogo pri krmiljenju različnih avtomobilskih, potrošniških in industrijskih izdelkov.
Danes se je ta vloga razširila na prenosne, brezžične in nosljive izdelke interneta stvari (IoT). Poleg interneta stvari se je močno razširilo tudi zdravstvo, kjer se 8-bitni MCU-ji uporabljajo v različnih aplikacijah.
Vgrajena elektronika z 8-bitnimi MCU-ji zahteva naprave, ki so sposobne in lahko konkurirajo v ekonomiji obsega (več sto tisoč do včasih več milijonov enot na aplikacijo). Na primer, v avtomobilskih aplikacijah 8-bitni MCU nadzorujejo številne podsisteme, kot so motorizirani sedeži in okna, pametne kljuke vrat in celo senzorji tlaka v pnevmatikah. To pomeni, da je razlika v ceni nekaj centov zelo pomembna. Drug vidik stroškov aplikacije, ki je v fazi načrtovanja pogosto spregledan, so stroški vzdrževanja milijonov naprav. Zanesljivost in vzdržljivost naprav je mogoče izboljšati s poenostavitvijo kode in strojne opreme, namesto da bi potrebovali redundantno programsko opremo.
Med razlogi, zakaj 8-bitni MCU-ji že vrsto let uspevajo in so konkurenčni, je njihova zmožnost zagotavljanja vrednosti uporabniku. To je bilo doseženo z nenehnimi inovacijami na več področjih, zlasti na področju pomnilnika, porabe energije, pakiranja in od jedra neodvisnih perifernih naprav (angl. core-independent peripherals, CIP).
Dramatične izboljšave 8-bitov
Ker se danes internet stvari vse bolj osredotoča na pametne naprave in se celotna mesta nadgrajujejo s pametnimi napravami, je zmožnost izvajanja inteligence v velikem obsegu postala ključnega pomena za številne panoge. Te nadgradnje vključujejo pametne ulične svetilke in detektorje v parkirnih garažah na vsakem parkirnem mestu – in ne le na enem števcu na vhodu. Nekatere lastnosti mikrokontrolerjev so potrebne za ustvarjanje okolja, ki omogoča internet stvari. Te lahko strnemo v tri zmožnosti: zmožnost zbiranja podatkov, obdelave teh podatkov in posredovanja teh podatkov drugim napravam v omrežju.
V številnih primerih lahko zbiranje, obdelavo in prenos podatkov opravi 8-bitni MCU z vgrajenim analogno-digitalnim pretvornikom (ADC), medtem ko jedro naprave ostane v načinu nizke porabe energije. Za ta pristop so na primer primerni senzorji/indikatorji v pametni parkirni garaži, povezani ulični razsvetljavi, avtomatiziranem mestnem vrtnarjenju in spremljanju rastlin. Vsak mW energije, pomnožen s tisoči, se lahko pri sistemu, ki deluje noč in dan, resnično nabere.
Prednosti in vrednost manjših naprav se ne kažejo le v manjši porabi energije, temveč tudi v manjši obliki, ki jim omogoča, da se prilegajo omejenemu prostoru v prenosnih, baterijsko napajanih izdelkih interneta stvari.
Najnovejša generacija mikrokontrolerjev se razvija z mislijo na to vrednost. Z uporabo novih postopkov, ki omogočajo več pomnilnika ob nizkih stroških, imajo ti mikrokontrolerji v mislih denarnico uporabnika, hkrati pa zagotavljajo funkcionalnost, ki je potrebna za uporabo.
Pomnilnik
Mikrokontrolerji izpred nekaj let se precej razlikujejo od naprav, ki so trenutno na trgu. Te naprave so bile za svoj čas revolucionarne in so spremenile podobo vgrajenih vezij. Zaradi skokovitega razvoja Flash pomnilnika so se sodobni programi razširili, da bi zapolnili razpoložljivi prostor.
Zaradi trenda vse bolj zapletenih aplikacij novi programi potrebujejo več prostora/pomnilnika. Zato nove generacije MCU vključujejo vedno več pomnilnika, če je to potrebno, da se olajša naraščajoča potreba po prostoru za kodo. Vgrajeni Flash pomnilnik lahko deluje več let, kar se zahteva in dokazuje z napornimi testi v avtomobilski industriji, ter prenese številne cikle zapisovanja in brisanja.
Te zmožnosti dodajo 8-bitnim mikrokontrolerjem še eno dimenzijo vrednosti. Danes lahko količina pomnilnika v 8-bitnem mikrokontrolerju znaša od 384 bitov do 128 KB in celo več, da bi zadovoljila vse večje število aplikacij.
Poraba električne energije
Ker se veliko 8-bitnih MCU-jev uporablja v aplikacijah z baterijskim napajanjem, je med pomembnimi spremembami tudi prizadevanje za čim manjšo porabo energije.
Na primer, nanoWatt XLP eXtreme Low Power [1] PIC® MCU-ji vključujejo sistemska nadzorna vezja, ki so posebej zasnovana za izdelke z baterijskim napajanjem. To pomeni, da lahko ti mikrokontrolerji ponudijo najnižje tokove v industriji za delovanje in mirovanje, kjer aplikacije z izjemno nizko porabo energije porabijo 90-99 % časa. Vezja, kot je Peripheral Module Disable, popolnoma odstranijo periferne naprave iz napajalnega vodila in drevesa takta ter tako zagotovijo da vezje skoraj ne troši energije. Prednosti tehnologije nanoWatt XLP vključujejo:
- Tok spanja pod 20 nA
- Brown-out Reset do 45 nA
- Watch-dog Timer do 220 nA
- Real-time Ura/Koledar do 470 nA
- Tok med delovanjem do 50 μA/MHz
- Popolna analogna in možnost samostojnega zapisovanja do 1,8 V
Ti nizki tokovi podaljšajo življenjsko dobo baterije za prenosne aplikacije. Dodaten prihranek energije je mogoč z optimiziranimi perifernimi napravami, o katerih bomo govorili pozneje.
Ohišje
Druga pomembna razlika med 8-bitnimi in 16-bitnimi ali 32-bitnimi MCU je v majhnih ohišjih, ki omogočajo, da se 8-pinske naprave prilegajo najmanjšim prostorom v brezžičnih/prenosnih in nosljivih izdelkih, kjer je treba paziti na prostor. Na primer 8-pinski SOIC ali 8-pinski DFN. Priljubljeno ohišje je 20-pinsko Very Thin Quad Flat Pack No-Leads (VQFN) ohišje, ki ima velikost 3 x 3 mm. Medtem ko dodajanje več funkcij lahko zahteva več priključkov in večje ohišje, lahko 8-bitni MCU z zadostnimi zmogljivostmi ustrezajo prostoru na plošči, ki onemogočajo uporabo 16-bitnih ali 32-bitnih MCU-jev.
Če večja zmogljivost 8-bitnega mikrokontrolerja zahteva večjo površino in več povezav zaradi večje kompleksnosti sistema, se uporabljajo tudi večja ohišja, vključno s 40-pin PDIP in VQFN ter 44-pin TQFP.
Od jedra neodvisna periferijai [2]
Ločevanje nekaterih vidikov mikrokontrolerja od osrednjega jedra zagotavlja avtonomijo jedra in številne prednosti, zlasti pri zasnovah z nizko porabo energije in nizkimi stroški. Te od jedra neodvisne periferne naprave imajo vgrajeno večjo funkcionalnost za manjšo porabo energije in modularno zasnovo, ki poenostavlja izvajanje vmesnikov za dotik, zbiranje in kondicioniranje podatkov senzorjev ter poenostavlja izvajanje zapletene programske opreme v strojni opremi in še več.
CIP-i so zasnovani z dodatnimi zmožnostmi za izvajanje različnih nalog brez posredovanja osrednje procesne enote (CPU) mikrokontrolerja. Ta načrtovalski pristop zagotavlja vnaprej pripravljena sredstva za programiranje dogodkov, ki temeljijo na perifernih napravah. Sistem za dogodke lahko na primer sproži dogodke na podlagi vhodov/izhodov za splošne namene (GPIO) ali programskih prekinitev na več kanalih.
Trenutno razpoložljivi CIP-i za 8-bitne mikrokontrolerje PIC® in AVR® na sliki 2 so prikazani z barvno kodo po kategorijah perifernih naprav. Osem kategorij in njihovih podkategorij obravnava večino funkcionalnosti, ki se pričakujejo v cenovno učinkovitem vgrajenem krmilniku. Upoštevajte, da zeleni elementi poleg prej omenjenih zagotavljajo dodatne možnosti za zmanjšanje porabe energije.
CIP zagotavljajo večjo zanesljivost z zmanjšanjem obsega režijske kode. Funkcije, izvedene s strojnimi strukturami, preprečujejo morebitne programske konflikte. Poleg tega povezljivost perifernih naprav v strojni opremi zmanjšuje število zunanjih povezav, kar povečuje zanesljivost končnega sistema. Večja zanesljivost sestavnih delov zmanjšuje stroške v celotni življenjski dobi projekta.
Številne nove 8-bitne družine zagotavljajo številne možnosti glede pomnilnika in števila priključkov. To omogoča, da se razvoj zaključi na večjih napravah, proizvodnja pa se po optimizaciji dejanske velikosti kode zmanjša na manjše naprave.
Na primer, družina PIC16F152XX mikrokontrolerjev v različnih ohišjih za cenovno občutljive senzorske aplikacije in aplikacije za nadzor v realnem času s poenostavljenim naborom funkcij vključuje 10-bitni analogno-digitalni pretvornik (ADC), izbiro perifernih priključkov (PPS), periferne naprave za digitalno komunikacijo in časovnike. Pomnilniške funkcije vključujejo particijo za dostop do pomnilnika (MAP), ki uporabnikom pomaga pri zaščiti podatkov in aplikacijah za zagonski nalagalnik.
Razvojna orodja za pospešitev in poenostavitev načrtovanja
Z razvojem razvojnih orodij je mogoče številne procese, ki jih je bilo treba trdo kodirati, poenostaviti in ustvariti z ustreznimi razvojnimi orodji, kot je MPLAB® Code Configurator (MCC) [3]. To ima več prednosti, in sicer skrajšanje časa, potrebnega za razvoj aplikacije, pa tudi možnost implementacije bolj kompaktne kode, ki bi jo programer lahko razvil brez več iteracij kode ali pisanja kode od začetka v zbirniku. Na primer, razvojni komplet PIC16F15244 Curiosity Nano Evaluation Kit [4] (številka dela: EV09Z19A) s popolnimi zmožnostmi programiranja in razhroščevanja ponuja popolno podporo za novo zasnovo.
Integrirano razvojno okolje (IDE) MPLAB® X zagotavlja brezplačno razvojno okolje za razvoj kode za 8-bitne (ter 16- in 32-bitne) MCU-je za simulacijo, povezavo s strojnimi orodji in dostop do Microchipovih dodatkov ter dodatkov drugih proizvajalcev.
Svetla (in cenovno ugodna) prihodnost
Mikrokontrolerji so prehodili dolgo pot in 8-bitni MCU-ji so z napredkom na področju pomnilnika, porabe energije, pakiranja in perifernih naprav pokazali izjemno odpornost in inovacije na področju uporabe.
Nimajo le večjega pomnilnika, ki je lahko potreben za kompleksne aplikacije, temveč tudi veliko različnih poti za poenostavitev kompleksnih aplikacij. Ta poenostavitev se lahko odrazi v zmanjšanju denarja/časa, porabljenega za razvoj projekta, pa tudi v zmanjšanju stroškov, ko gre MCU v proizvodnjo.
Današnji 8-bitni MCU-ji niso omejeni le na zbiranje podatkov. Zbirajo, obdelujejo in prenašajo podatke v številnih aplikacijah interneta stvari.
Novi 8-bitni izdelki so se na vse večjo kompleksnost aplikacij odzvali z močno povečano velikostjo pomnilnika in optimiziranimi perifernimi napravami.
Vendar pa lahko poenostavljeni nabor funkcij 8-bitne družine PIC16F152xx koristi tudi oblikovanjem majhnega formata in cenovno občutljivim zasnovam, vključno s senzorskimi in preprostimi aplikacijami za nadzor v realnem času. Ti MCU-ji so s svojimi od jedra neodvisnimi perifernimi napravami očitna izbira za večino razvijalcev.
PIC, AVR in MPLAB so registrirane blagovne znamke podjetja Microchip Technology Inc.
Viri:
1: http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39941d.pdf
2: https://microchipdeveloper.com/8bit:what-is-a-core-independent-peripheral
3. https://www.microchip.com/en-us/development-tools-tools-and-software/embedded-software-center/mplab-code-configurator
4: https://www.microchip.com/en-us/development-tool/EV09Z19A
Opomba: Ime in logotip Microchip sta registrirani blagovni znamki podjetja Microchip Technology Incorporated v ZDA in drugih državah. Vse druge blagovne znamke, ki so morda tu omenjene, so last njihovih podjetij.
