CC BY
68Перспективы 8-разрядных микроконтроллеров
ИльяЧЕПУРИН
По мере развития встраиваемых электронных систем постоянно растут требования к производительности и функциональности микроконтроллеров. В сфере микроэлектронных устройств 8-разрядные архитектуры уже давно стали стандартом де-факто, но что ждет их в дальнейшем и как могут запросы рынка отразиться на продуктах, предлагающихся на рынке микроконтроллеров в данный момент? Мы попробуем дать ответы на эти вопросы на примере продукции компании Freescale Semiconductor, мирового лидера в области производства и продаж 8-разрядных микроконтроллеров.
Согласно статистическим данным 8-разрядные микроконтроллеры занимают около 40% рынка микроэлектронных устройств, предназначенных для встраиваемых систем. И несмотря на бурный рост в сфере использования 32-разрядных МК (а это около 12% в год), их объем продаж почти вдвое меньше аналогичных показателей для 8-разрядных МК. Таким образом, в большинстве недорогих массовых применений 8-разрядные архитектуры по-прежнему остаются самыми востребованными, что объясняется спецификой данных приложений — важны не столько мегагерцы тактовой частоты, сколько функциональность всего микроконтроллера. В противовес вычислительным машинам, встраиваемая система создается вокруг исполнительных устройств и датчи-
ков, а микроконтроллер, хоть и играет управляющую роль в такой системе, является лишь средством, обеспечивающим функционирование всех входящих в систему компонентов и необходимые интерфейсы для связи с внешним миром. Именно поэтому того запаса по производительности, который есть на сегодня, вполне достаточно, чтобы отвечать растущим запросам рынка.
Но не будем забывать: производители микроконтроллеров тоже не стоят на месте. Если сравнить аналогичные по стоимости современные микроконтроллеры с теми, что изготавливались три-четыре года назад, разница окажется весьма заметной, особенно в области дешевых микроконтроллеров. Например, если раньше масочное ПЗУ могло значительно удешевить конечное устрой-
ство, то сейчас стоимость выпуска МК с многократно перезаписываемой флэш-памятью практически равна стоимости изготовления МК с масочным ПЗУ. При этом флэш-память имеет множество преимуществ — начиная от снижения затрат на разработку и заканчивая возможностью модернизировать устройства непосредственно в системе. Производительность центрального процессора и внутренней шины увеличилась в несколько раз, а энергопотребление снизилось, вместе с тем значительно вырос уровень интеграции различных функций — и перечень достоинств этим не ограничивается.
На данный момент при общей относительной стабилизации рынка наиболее активное движение наблюдается в двух направлениях:
• Создание простых и дешевых микроконтроллеров в маловыводных корпусах, которые позволяют заказчику с минимальными затратами создавать интеллектуальные электронные устройства, тем самым стимулируя проникновение микроконтроллеров в новые области применения, и замену электромеханических устройств и логики новой элементной базой;
• Выпуск функционально насыщенных МК с большим объемом памяти для модернизации существующих приложений и придания новых потребительских свойств конечным продуктам. Сюда же относятся МК с определенным набором специализированных периферийных модулей, ориентированных на конкретные области применения.
На рис. 1 показано, как данные тенденции отражаются на портфеле 8-разрядных МК компании Freescale Semiconductor. Далее мы подробно рассмотрим характеристики отдельных представителей новых серий и семейств микроконтроллеров, чтобы дать наиболее полную картину происходящих изменений.
Производительность
Увеличение производительности и функциональности
НС08 0,5 мкм 4 МГц 3,0 В
HCS08 0,25 мкм ,10 МГц 3,0 В
I 1
I Будущие і I HCS08 і
НС08 ( RS08 !
0,5 мкм 10 МГц
2 МГц 2,0 В ! 1,8-5,5 В !
------ Производство
------ В разработке
------ Обсуждается
2005
2006
Рис. 1. Развитие линейки 8-разрядных МК Freescale
FLASH
(MC9S08QG8 = 8192 BYTES) (MC9S08QG4 = 4096 BYTES)
PERIPHERALS
DBG
DEBUG MODULE
MTIM
8-BIT MIDULO TIMER
lie
IIC SERIAL BUS
KBI
KEYBOARD INTERRUPT
VOLTAGE
REGULATOR
ON-CHIP MEMORY MODULES
I
HCS08 CORE CPU
ICE
In-Circuit Emulation
HCS08 SYSTEM CONTROL
RESETS AND INTRRUPTS MODES OF OPERATION POWER MANAGEMENT
RTI СОР
IRQ LVD
RAM
(MC9S08QG8 = 512 BYTES) (MC9S08QG4 = 256 BYTES)
АСМР
ANALOG COMPARATOR
ADC
10-BIT
ANALOG-TO-DIGITAL
CONVERTER
TPM
16-BIT TIMER PWM
SPI
SERIAL PERIPHERAL INT.
SCI
SERIAL COMMUNICATION
ICS MODULE IRC
INTERNAL CLOCK REFERENCE 31,25 kHz to 39,06 kHz
xosc
LOW-POWER OSCILLATOR 31,25 kHz to 38,4 kHz HIGH-POWER OSCILLATOR 1 Mhzto 16 Mhz EXTERNAL CLOCK SOURCE 0Hz to20 MHz
Рис. 2. Внутренняя структура микроконтроллера MC9S08QG8
Существенную роль также играют затраты на создание или модернизацию новых электронных устройств, причем речь идет не только о доступности средств разработки, в том числе и бесплатных, но и о возможности максимального использования имеющихся наработок, как в программной, так и в аппаратной части. Это может обеспечиваться программной (совместимость по набору команд или объектному коду) или аппаратной (совместимость по выводам) совместимостью МК. В большей степени это уже вопрос выбора не просто подходящего микроконтроллера, а аппаратной платформы, на которой можно реализовать не только текущие, но и будущие проекты.
Новые возможности дешевых МК
Одним из примеров такого платформенного подхода являются 8-разрядные МК семейства HCS08 с низким энергопотреблением. Они не просто совместимы по объектному коду, но и обладают совместимостью по выводам в пределах определенного типа корпуса. Тем самым заказчику предоставляется возможность изменения функциональности своего приложения путем выбора МК с различными объемом памяти и составом периферийных модулей.
На базе этого успешного семейства специально для удовлетворения нужд дешевых приложений в производительных и экономичных устройствах компания Freescale в конце 2005 года выпустила на рынок новую серию МК MC9S08QGx в маловыводных корпусах. Эти микроконтроллеры обладают очень хорошим балансом цена/производительность/ функциональность среди 8- и 16-выводных устройств и помимо высокой интеграции периферийных модулей позволяют реализовать ряд дополнительных функций, выгодно отличающих их от других микроконтроллеров той же ценовой категории. Внутренняя структура одного из представителей данного семейства представлена на рис. 2. На первый взгляд вполне типичный микроконтроллер с обычным набором периферийных модулей, но при более детальном рассмотрении можно выделить следующие особенности.
Производительность
и низкое энергопотребление
С одной стороны, это два взаимоисключающих фактора, и разработчики, если им необходим МК с малым потреблением, зачастую руководствуются оценкой потребляемого тока в режиме прикладной программы, а ток потребления в спящем или ждущем режиме упускают из вида. Однако в большом количестве приложений микроконтроллеру необязательно все время находиться в рабочем режиме, поэтому при расчете суммарного потребления МК на первый план выходит наличие у него различных режимов энергосбережения и его потребление в этих режимах. На рис. 3
показан пример приложения, в котором каждые 5 с необходимо опрашивать датчик и затем производить определенные действия по обработке полученных данных. На рисунке разным цветом показаны графики энергопотребления для трех случаев:
1. МК все время работает на тактовой частоте 16 кГц (энергопотребление 100 мкА);
2. МК находится в спящем режиме, «просыпаясь» по таймеру периодических прерываний, работающему от кварцевого резонатора с тактовой частотой 32 кГц (потребление 5 мкА);
3. МК находится в спящем режиме, «просыпаясь» по таймеру периодических прерываний, работающему от RC-генератора (потребление 1 мкА).
Потребление в рабочем режиме на максимальной тактовой частоте составляет 5 мА, время нахождения в этом режиме — 100 мкс.
При подсчете также учитывается потребление при переходе из спящего режима в рабочий режим и обратно. В итоге: для первого случая суммарное потребление составляет 100 мкА, для второго чуть больше 5 мкА, а для последнего случая 1,4 мкА, то есть почти в 70 раз меньше!
Таким образом, получается, что для низкого энергопотребления наиболее важными параметрами являются потребление в спящем (или ждущем) режиме и производительность микроконтроллера при низком напряжении питания — чем быстрее он выполняет свою задачу, тем меньше находится в режиме максимального потребления тока.
Микроконтроллеры серии MC9S08QGx построены на базе процессорного ядра HCS08, которое при напряжении выше 2,1 В может работать на тактовой частоте 20 МГц, а при напряжении менее 2,1 В — 16 МГц, частота шины при этом составляет 10 или 8 МГц со-
Режим $1орЗ НТІ включен
Внешний кварц. Генератор 32 кГц
Режим 8№рЗ 1?Т1 включен
Встроенный генератор 1 кГц
Рабочий режим
Макс. частота шины, инкремент, счетчика
Рабочий режим
Макс. частота шины Обнуление счетчика, обработка данных
Время
Рис. 3. График энергопотребления МК в разных режимах
ответственно. Кроме того, система тактирования микроконтроллера позволяет динамически изменять тактовую частоту ядра и шины по ходу выполнения прикладной программы или при переходе из одного режима работы в другой без осуществления сброса МК (микроконтроллер имеет четыре режима энергосбережения: три режима останова + один ждущий режим). Это предоставляет разработчикам дополнительную гибкость при управлении энергопотреблением конечного приложения.
Аналоговая часть
Интегрированный 10-разрядный АЦП (до 8 каналов) также имеет ряд дополнительных особенностей кроме непосредственно измерения аналогового сигнала. Преобразования могут выполняться как однократно, так и последовательно, причем тактирование модуля производится от шины или от внутреннего генератора, а непосредственно запуск преобразования возможен как из прикладной программы, так и по сигналу таймера периодических прерываний. Дополнительно АЦП позволяет производить сравнение уровня напряжения на входе с заранее заданным верхним или нижним пределом и при выходе напряжения за эти пределы АЦП будет генерировать прерывание. Такая функция может использоваться в режимах энергосбережения для перевода МК в рабочий режим.
Аналоговый компаратор предоставляет возможность сравнить уровень аналогового сигнала на входе с внешним или внутренним опорным напряжением, выход компаратора подключается к линии порта ввода/вывода или к внутренним периферийным модулям. Прерывания могут генерироваться по нарастающему, спадающему или обоим фронтам импульса на выходе компаратора, и их также можно использовать для вывода МК из режима энергосбережения.
Дополнительно микроконтроллер оснащен датчиком температуры кристалла, подключенным к одному из резервных входов АЦП. С его помощью компенсируется уход частоты или значений опорного напряжения во всем температурном диапазоне, обеспечивая тем самым надежное функционирование приложения.
Таймерная подсистема
МК серии MC9S08 имеют в своем составе два независимых таймерных модуля, 8- и 16-разрядный. Первый модуль является обычным таймером-счетчиком и предназначен для распределения задач во времени. Для увеличения разрешения он оснащен дополнительным 4-разрядным делителем. Второй выполняет функции входного захвата, выходного сравнения и ШИМ с выравниванием по фронту или по центру импульса, что особенно ценно в системах управления электроприводом, поскольку позволяет легко реализовать вставку «мертвого» времени. Каждый из двух каналов этого таймера позволяет реализовать буферированную функцию ШИМ.
Дополнительные возможности
Все линии портов ввода/вывода мультиплексированы с каналами АЦП, таймеров и коммуникационных интерфейсов SCI, SPI и IIC. При использовании по прямому назначению заказчик может выбирать между высокой нагрузочной способностью выходов и низким уровнем ЭМИ — встроенный контроль скорости нарастания уровней напряжения на выходе способен снизить уровень помех при управлении внешними нагрузками. В качестве входа каждая линия оснащена встроенными подтягивающими резисторами и при использовании модуля прерываний от клавиатуры может служить для вывода микроконтроллера из режима энергосбережения по прерыванию, вызванному изменением уровня сигнала на входе порта.
Встроенная флэш-память микроконтроллеров данной серии составляет 4 или 8 кбайт, ОЗУ — 256 или 512 байт соответственно. Как вся область памяти, так и отдельные ее участки могут быть защищены от несанкционированного считывания или непреднамеренного стирания. Флэш-память выдерживает до 100 тыс. циклов записи/стирания при комнатной температуре и не менее 10 тыс. — во всем температурном диапазоне. Она может быть легко использована для эмуляции EEPROM, важным преимуществом является время записи одного байта — лишь 20 мкс.
Микроконтроллеры серии MC9S08QGx выпускаются в 8- и 16-выводных корпусах типа DIP, SOIC, TSSOP и QFN, при этом устройства в одном типе корпуса и с разным объемом флэш-памяти совместимы между собой по выводам. Рабочий температурный диапазон микроконтроллеров -40...+85 °С.
Рыночные перспективы
С выходом на рынок МК серии MC9S08QGx заказчики получают дешевый и в то же время функциональный и производительный микроконтроллер с низким энергопотреблением и размерами, позволяющий максимально уменьшить число внешних компонентов и сэкономить место на печатной плате. Бесплатная среда разработки CodeWarrior Development Studio Special Edition со встроенными библиотеками и средствами графической инициализации и автоматической генерации кода упрощает процесс создания новых приложений, предлагая инструментарий для осуществления полного цикла разработки от написания текста прикладной программы до ее отладки с помощью внутрисхемного симулятора или непосредственно в системе. Кабель для внутрисхемной отладки можно приобрести у локальных дилеров Freescale или же собрать собственноручно (как это сделать, описано в проекте TBDML на сайте ht tp:/ /w ww.freegeeks.n et).
Controller Continuum
Удержаться на лидирующих позициях можно только путем постоянного совершен-
ствования технологий, разработки новых, более производительных и функциональных устройств вместе со снижением их стоимости. Следуя этой стратегии, в марте 2005 года компания Ргее8са1е анонсировала планы по развитию своей линейки микроконтроллеров начального уровня. Согласно этим планам предполагается разработать целый ряд микроконтроллеров, начиная от самых простых и дешевых 8-разрядных МК и заканчивая высокопроизводительными 32-разрядными микроконтроллерами. Они будут построены на базе разных процессорных ядер, но периферийные модули, средства отладки и программное обеспечение будут одинаковыми для всей линейки. Кроме того, эти МК будут совместимы по выводам в пределах одного типа корпуса. Таким образом, разработчикам предлагается единая платформа, в рамках которой они смогут практически без ограничений наращивать производительность и функциональность своего приложения с минимальными затратами на модернизацию программного и аппаратного обеспечения. Данная программа осуществляется в рамках
Industry's First
Рис. 4. Развитие единой платформы МК Freescale
инициативы Controller Continuum, целью которой является предоставление заказчику максимально законченного решения для любой задачи (рис. 4).
Первым представителем упомянутого ряда микроконтроллеров станет семейство 8-разрядных микроконтроллеров на базе нового процессорного ядра RS08, представляющего собой упрощенную версию ядра HCS08. Уменьшенное на 30% число регистров центрального процессора и сокращенный набор команд разрешают эффективно программировать большинство встраиваемых приложений, реализованных на базе маловыводных МК с объемом флэш-памяти менее 16 кбайт. Несмотря на новое ядро ЦП, интерфейс внутренней шины остался неизменным, что позволяет использовать те же периферийные модули и интерфейс внутрисхемной отладки, как и у МК семейства HCS08. Эти продукты ориентированы на тех, кто только начинает знакомиться с миром микроконтроллеров, и призваны максимально облегчить данный процесс. Вместе с тем
они имеют достаточный уровень интеграции, чтобы привлечь внимание опытных разработчиков, заинтересованных в ультрадеше-вом решении. МК семейства RS08 будут предлагаться в 6- и 8-вы-водных корпусах по цене менее $0,50.
К концу 2006 года предполагается выпуск первого в данной линейке 32-разрядного МК на базе процессорного ядра ColdFire, который станет своеобразным «мостиком» для желающих перейти от 8-разрядных к 32-разрядным МК, обеспечивая плавную миграцию к полнофункциональным приложениям на базе более производительных микроконтроллеров семейства ColdFire.
По мере все большего распространения встраиваемых систем самым важным фактором будет являться величина затрат на их разработку или модернизацию. Компания Freescale предлагает своим заказчикам возможность развития в нескольких направлениях: в рамках одного семейства продуктов, используя совместимые по выводам, но различно наполненные функционально микроконтроллеры, или же путем перехода на более производительные (или наоборот, более простые и дешевые) МК, также совместимые по выводам или по периферии, но имеющие различные процессорные ядра. Разработчикам больше не придется ломать голову, занимаясь поиском микроконтроллера, подходящего для решения предстоящих задач. Сделав выбор в пользу единой платформы с едиными средствами разработки, специалисты могут быть уверены, что у них есть большой запас для расширения возможностей своих приложений с минимальными затратами практически для любого уровня производительности и функциональности — от простейших 8-разрядных до мощных 32-разрядных микроконтроллеров. ■
