Обзор рынка микроконтроллеров для встраиваемых приложений


В статье рассматриваются микроконтроллеры, используемые во встраиваемых приложениях. Кратко описываются их функциональные возможности и приводятся основные [[технические характеристики]].

Рынок микроконтроллеров (МК) насыщен различными моделями, способными удовлетворить практически любые требования. Но, как известно, аппетит приходит во время еды, и требования разработчиков встраиваемых систем к компонентам постоянно возрастают. Соответственно и на рынке постоянно появляются новые МК, технические параметры которых благодаря совершенствованию технологии производства постоянно улучшаются.
Например, существуют МК со сверхнизким потреблением, позволяющие создавать изделия с электропитанием от одной батареи, работающей 10 лет без подзарядки. Массовый выпуск встраиваемых устройств предполагает невысокие цены на них, следовательно, и стоимость МК в идеале должна стремиться к нулю. И сегодня многие производители предлагают МК в субдолларовом диапазоне цен.
Разумеется, о разнообразии опций таких МК говорить не приходится, но для многих приложений и эти МК, выпускаемые в миниатюрных корпусах с малым числом выводов, с лихвой удовлетворяют всем требованиям.
С другой стороны, производителям высокоинтеллектуальных, мультимедийных устройств нужны МК с максимальной функциональностью, высокой производительностью, с большим объемом памяти, способные выполнять математические операции с плавающей запятой. Постоянно увеличивается спрос на разнообразные интерфейсы, присущие как МК, так и USB, Ethernet, интерфейсы карт памяти. Лидирующее положение среди таких МК занимают приборы на базе ядра ARM9.

Отдельно стоит остановиться на МК с ядром ARM7, которые по своей популярности составляют достойную конкуренцию приборам 51-й архитектуры.
МК с ARM7 предоставляют огромный выбор периферийных модулей МК, поддерживают большой объем адресного пространства. В то же время их производительности хватает для решения многих вычислительных задач.
А приятным дополнением к этому набору является крайне невысокая цена, во многих случаях соизмеримая с 8-разрядными приборами. Таким образом, разработчик получает уникальную возможность значительно увеличить функциональность своей системы, не выходя за рамки ограниченного бюджета. Сфера применений МК на базе ядра ARM7 огромна: устройства промышленной автоматики, медицинская аппаратура, торговые автоматы, телекоммуникационная аппаратура, устройства беспроводной связи, преобразователи протоколов и многое другое.

СЕМЕЙСТВО FREESCALE
MC9RS08KA

Обзор новинок рынка микроконтроллеров начнем с продукции компании Freescale. Среди компонентов для массовых приложений стоит отметить новую серию недорогих 8-разрядных МК: MC9RS08KA1 и MC9RS08KA2.
Это первые МК, созданные на новом ядре RS08, основной целью разработки которого являлось существенное (на 30%) уменьшение площади кристалла микроконтроллера. Благодаря этому МК на базе ядра RS08 удобны для использования в массовых изделиях, одним из главных критериев для которых является низкая стоимость.
Новые 8-разрядные МК расширяют пакет предложений Freescale в нижнем ценовом сегменте. В ближайшем времени на основе ядра RS08 будет выпущено несколько новых моделей МК. При разработке ядра RS08 за основу взято ядро HCS08, у которого сократили шину адреса до 14 бит (адресное пространство сузилось до 16 Кбайт) и заменили векторную систему прерываний регистром флагов прерываний. Также пожертвовали указателем стека, регистрами H:X с соответствующими режимами адресации и некоторыми командами — умножения/деления, BCD и другими, редко используемыми для построения простых систем. Вместо этого в ядро были добавлены дополнительный теневой программный счетчик для оптимизации вызова подпрограмм, короткие и быстрые режимы адресации для более эффективной работы с наиболее часто используемыми регистрами, страничная схема работы режима прямой адресации.
Новые микроконтроллеры MC9RS08KA1 и MC9RS08KA2 выпускаются в корпусах DIP8, SOIC8, а главное — в миниатюрном 6-выводном корпусе DFN (Dual Flat No lead). Габаритные размеры этого корпуса составляют всего 3 x 3 мм, а высота — 1 мм. Благодаря предельно низкой цене новое семейство можно использовать как в качестве замены более дорогого семейства MC9S08QG (они имеют одинаковое расположение выводов), так и в новых устройствах, причем даже в тех, где раньше МК не применяли, а использовали микросхемы жесткой логики из-за ценовых соображений.
Отдельно хотелось бы остановиться на достоинствах корпуса DFN, который завоевывает все большую популярность у производителей электронной аппаратуры. Помимо сверхминиатюрных размеров, корпус имеет металлическое основание, уменьшающее воздействие электромагнитных помех на кристалл. Кроме того, из-за фактического отсутствия выводов кристалл микроконтроллера оказывается соединенным с печатной платой устройства проводниками наименьшей длины по сравнению с другими типами корпусов. Все это минимизирует влияние электромагнитных помех и улучшает характеристики ЭМС изделия. В то же время корпус DFN легко паяется в обычной паяльной печи и не требует специального оборудования контроля пайки (как, например, BGA).
Ядро RS08 имеет встроенный генератор и гибкую в настройке систему тактирования с возможностью переключения тактовой частоты ядра программным способом.
Уход заводской калибровки частоты внутреннего генератора составляет не более 2% во всем диапазоне напряжений и температур, при этом есть возможность подстройки частоты программой пользователя с шагом 0,2%.
При разработке нового ядра одной из важнейших задач было снижение энергопотребления, так как ключевой сферой применения RS08 являются приборы с батарейным питанием.
Микроконтроллеры MC9RS08KA1/2 могут работать в трех режимах: Run (обычный рабочий режим), Wait и Stop. В режиме Wait тактирование ядра приостанавливается, при этом встроенные системы питания и тактирования продолжают работать, также продолжают работать и все используемые периферийные модули. Это необходимо для того, чтобы уменьшить энергопотребление при работающей периферии и в то же время обеспечить мгновенное включение микроконтроллера в работу при ситуации выхода из режима энергосбережения (например, при поступлении запроса на прерывание).
В режиме Stop, помимо отключения ядра, происходит отключение встроенных схем тактирования и питания. Это обеспечивает дополнительную экономию по потреблению, но требует большего времени для перехода в нормальный режим работы.
Выход из режимов энергосбережения происходит при возникновении сигнала внешнего сброса и по запросу на прерывание.
Несмотря на малое число выводов и низкую стоимость ядро RS08 имеет большой набор периферии. Хотелось бы отметить высококачественный rail-to-rail аналоговый компаратор, способный работать во всем диапазоне питающих напряжений. Входные (выходные) цепи встроенного компаратора можно программным способом подключить к внешним выводам МК и/или к внутренним цепям, а также использовать внутренний или внешний источник опорного напряжения.
Для 8-разрядного таймера/счетчика с предварительным делителем возможно выбрать сигнальный фронт входного сигнала при работе в режиме счетчика.
Встроенный супервизор питания LVD либо сбрасывает микроконтроллер при снижении напряжения питания, либо формирует прерывание.
Упомянем оригинальный модуль KBI (в англоязычной транскрипции Keyboard Interrupt module), используемый для опроса клавиатуры. Этот же модуль можно применить и в качестве блока детектирования входных сигналов. К KBI можно подключать до 5 входов микроконтроллера, программировать фронт и/или уровень срабатывания входного сигнала. При срабатывании модуль KBI формирует запрос на прерывание, а также может выводить микроконтроллер из режима энергосбережения в режим Run (основной рабочий режим).
Основные характеристики микроконтроллеров семейства RS08 представлены в таблице 1.

Таблица 1. Для увеличения изображения кликните на картинку.

TEXAS INSTRUMENTS
MSP430F20XX

Традиционно компания Texas Instruments является одним из крупнейших поставщиков электронных компонентов в мире. Значительную часть поставок составляют МК семейства MSP430. Простота, невысокая стоимость, низкое энергопотребление, широкий набор интегрированных периферийных устройств позволили MSP430 занять лидирующие позиции на рынке систем обработки данных на кристалле.

Продолжая расширять линейку популярных МК, компания Texas Instruments выпустила на рынок новое семейство MSP430F20xx, которое призвано прийти на смену контроллерам серии MSP430F1xx.

Отличительные особенности новых контроллеров:
— гибкая система тактирования и высокая производительность до 16 MIPS;
— быстрый запуск системы тактирования из режима — менее 1 мкс;
— точность работы модуля встроенного тактового генератора DCO 2,5%
— еще меньшее энергопотребление: в режиме RTC менее 0,8 мкА, в активном режиме 200 мкА/MIPS;
— миниатюрный 14-выводной корпус QFN (4 x 4 мм), TSSOP, PDIP;
— напряжение питания 1,8…3,6 В;
— напряжение внутрисхемного программирования 2,2 В;
— схема детектора напряжения питания BOR с нулевым энергопотреблением;
— новый 2-проводной интерфейс внутрисхемной отладки Spy;
— флэш-память до 2 Кбайт, ОЗУ 128 байт;
— аналоговая периферия: компаратор, 10-разрядный АЦП, 16-разрядный сигма-дельта АЦП;
— универсальный последовательный интерфейс USI;
— улучшена защита программной памяти от взлома.

Основные технические характеристики семейства MSP430F20xx представлены в таблице 2.

Таблица 2. Для увеличения изображения кликните на картинку.

Наличие миниатюрных 14-выводных корпусов позволяет применять данные МК в устройствах, где решающее значение играют малые габариты, низкое энергопотребление и значительный срок службы, например в датчиках дыма и движения, сенсорах охранной сигнализации. Также стоит отметить совместимость на программном уровне внутри всего семейства микроконтроллеров MSP430, что облегчает переход от простого к функционально более сложному контроллеру и, соответственно, экономит время разработки.

PHILIPS <ARM MINI>

Уже сейчас очевидно, что МК на основе ARM7TDMI-архитектуры для 32-разрядных систем по своей популярности составят достойную конкуренцию приборам 51-й архитектуры. Неудивительно, что компания Philips Semiconductors продолжает на рынке недорогих высокопроизводительных систем на кристалле.

В конце 2005 года были представлены очередные новинки МК семейства LPC2000 — серия ARM Mini. Цена этих высокопроизводительных 32-разрядных приборов вплотную приблизилась к уровню недорогих 8-разрядных МК. Сегодня речь идет о трех представителях новой серии LPC2101, LPC2102 и LPC2103. Они производятся по технологии 0,16 мкм. Наличие 128-разрядной шины доступа к флэшпамяти позволяет загружать 4 ARMкоманды (8 команд Thumb) за 1 цикл обращения, таким образом обеспечивая работу на тактовой частоте до 70 МГц, и достичь производительности 63 MIPS, что делает эти МК абсолютными лидерами на рынке Flash ARM7TDMI-S-устройств.

Отличительной особенностью этих новинок является возможность работы портов ввода/вывода на частоте до 17,5 МГц, что в 4 раза превосходит показатели прочих ARM-микроконтроллеров.
В то же время благодаря инновационной концепции управления энергопитанием эти контроллеры претендуют на роль устройств со сверхнизким энергопотреблением.

Основные технические характеристики новинок ARM Mini:
— тактовая частота до 70 МГц/производительность до 63 MIPS;
— интерфейсы: 2 UART, 2 I2C, SPI, SSP;
— 10-разрядные 8-канальные АЦП производительностью 400 Квыб./с;
— 5 таймеров, режимы работы: захват/сравнение/ШИМ/WD;
— до 32 выводов общего назначения, совместимых с 5-В логикой, скорость работы до 17,5 МГц;
— часы реального времени (RTC) с тактированием отдельным 32 кГц;
— поддержка отладки в реальном времени
— программирование внутрисхемное, в работающем приложении, параллельное;
— защита памяти программ от несанкционированного доступа;
— контроллеры будут выпускаться в корпусах TQFP-48 размером 7 х 7 мм и PLCC-44;
— температурный диапазон -40…85°C

В таблице 3 приведена сводная информация серии контроллеров ARM Mini. В этих МК реализована система портов ввода/вывода. Система востребована в приложениях, требующих высокой производительности пользовательских выводов. Контроллер портов ввода/вывода подключается непосредственно к быстрой шине Local Bus, в отличие от обычного подключения к более медленной шине периферийных устройств Advanced Peripheral Bus (APB). Таким образом достигается увеличение скорости переключения выводов общего назначения до 17,5 МГц.

Таблица 3. Для увеличения изображения кликните на картинку.

Управление новой системой портов несколько отличается от традиционной схемы. Однако для совместимости с традиционной системой ввода/вывода в новом семействе МК реализованы и порты традиционной схемы. А для большей универсальности и и традиционные порты имеют общий буфер и соответствующие внешние выводы (всего их 32).

Конфигурироваться они могут в произвольном сочетании.

Для облегчения и ускорения работы с портами ввода/вывода, а также более гибкой возможности работы с прерываниями в новом семействе МК реализованы специализированный 32-разрядный регистр и система ускоренной записи данных. Достаточно записать требуемое значение в этот регистр с помощью стандартной ARM-команды, и его содержимое будет передано на внешний вывод всего за один такт.

Наличие подобной системы призвано скомпенсировать отсутствие контроллера прямого доступа к памяти, который не был заложен в архитектуре ARM7TDMI.
Производительности портов достаточно, например, для реализации преобразования большинства последовательных и параллельных интерфейсов, что особенно актуально при построении различных систем управления.

Один из главных недостатков 32-разрядных МК — более высокое, по сравнению с 8- или 16-разрядными МК, энергопотребление. Это является неизбежной платой за высокую производительность и в то же время сдерживает проникновение контроллеров на базе ARM7 в портативные системы. Новая, значительно усовершенствованная система управления энергопотреблением, реализованная в устройствах семейства LPC210x, призвана значительно потеснить 8-разрядные МК. Система позволяет отключать периферийные модули в различных сочетаниях.
Ток потребления может быть уменьшен до значения менее 5 мкА. При этом МК возможно по внешнему сигналу прерывания.
Параметры основных режимов пониженного энергопотребления представлены в таблице 4. Также приборы серии ARM Mini соответствуют требованиям новой архитектуры распределения питания стандарта PM-Bus.

Другим немаловажным параметром МК является его стоимость.
Разумеется, тяжело противостоять традиционным МК, стоимость которых подчас ниже 1 доллара. Тем не менее, цена младшего представителя семейства ARM Mini составляет 1,47 доллара (при партии 10 тыс. штук).

Появление новых микроконтроллеров семейства ARM Mini компании Philips Semiconductors предоставляет разработчикам беспрецедентную свободу выбора элементной базы для построения эффективных встроенных систем. Среди основных областей применения новых микроконтроллеров стоит выделить реализацию устройств ZigBee, преобразователи протоколов, устройства промышленной автоматизации, медицинскую аппаратуру, торговые автоматы, телекоммуникационную аппаратуру.

Таблица 4. Для увеличения изображения кликните на картинку.

PHILIPS LPC2800/LPC2888

Следующий шаг на пути увели чения функциональных возможностей — появление высокопроизводительных МК серии LPC2800/LPC2888 на базе ядра ARM7 для приложений с батарейным питанием.
Эти МК являются первыми устройствами на основе ядра ARM7, которые содержат контроллер USB 2.0, полностью отвечающий требованиям стандарта, и высокоскоростной трансивер (480 Мбит/с), а также позволяют использовать для питания как аккумуляторы, так и USB-интерфейс.
Данные особенности разрешают разработчикам встраиваемых систем реализовать по конкурентоспособной стоимости новые возможности в такой продукции, как периферийные устройства ПК, считыватели карт памяти SD и смарт-карт, и другие USB-устройства с батарейным питанием.
МК серии LPC2800/LPC2888 содержат множество высококачественных периферийных устройств, которые упрощают системотехническое проектирование, в т.ч.: 1-Мбайт флэш-памяти и 8-Кбайт кэш-памяти для повышения эффективности работы внешней памяти; I²S-каналы с ПДП для ввода/вывода цифровых аудиопотоков; 16-разрядный сигмадельта АЦП с программируемым усилителем на входе.
Возможность управления питанием позволяет LPC2800/LPC2888 работать от одного 1,5-В элемента питания (AA-тип), USB-кабеля или внешнего источника питания, тем самым максимально продлевая ресурс батарейного источника питания. Образцы МК серии LPC2800/LPC2888 (LPC2880 и LPC2888) уже доступны в настоящее время.

Основные технические характеристики LPC2880 и LPC2888:
— 1-Мбайт флэш-память (LPC2888), 64-Кбайт ОЗУ, 32-Кбайт ПЗУ;
— контроллер внешней памяти для подключения SDRAM, NOR/NANDфлэш-памяти, статических ОЗУ;
— 8 Кбайт кэш-памяти для улучшения быстродействия внешней памяти;
— высокоскоростной порт USB (480 Мбит/с) со встроенным трансивером;
— интерфейсы MultiMediaCard, I2S, ЖКИ;
— контроллер прямого доступа к памяти;
— интегрированные высокоэффективные импульсный и линейный стабилизаторы;
— работа от одной батарейки AA (A) напряжением 0,9…1,6 В;
— работа от USB-входа напряжением 5 В;
— температурный диапазон — 40…85°C;
— корпус TFBGA180 (10 х 10 х 0,8 мм).

PHILIPS LPC3180

Для множества высокотехнологичных приложений (мультимедийная аппаратура, контроль периферийных устройств, медицинская и промышленная аппаратура, сетевые приложения и пр.), бурно развивающихся в последнее время, в качестве процессорного ядра как нельзя лучше подойдет ARM9. Ярким примером такого процессора является высокопроизводительный микроконтроллер LPC3180 компании Philips на основе ядра ARM9. Это первенец в новом семействе LPC3000.

Новый МК, выполненный по технологии 90 нм, призван обеспечить низкое энергопотребление в сочетании с высокой производительностью. Помимо ядра ARM926EJ-S в устройстве реализованы векторный сопроцессор вычислений с плавающей точкой, дающий более чем 5-кратный выигрыш по скорости вычислений, 5-уровневый конвейер, cache для команд и данных, модуль аппаратного умножителя, модуль Java-Byteсопроцессора.
Также реализован большой набор периферийных устройств, включая устройство USB On- The-Go, 7 портов UART, 2 канала I2C (400 Кбит/с), 2 канала SPI и 10-разрядный АЦП.
Благодаря высокой производительности этот МК используется в таких приложениях, как POS-терминалы, медицинское и промышленное оборудование, системы GPS, робототехника, управление приводами, сетевые приложения, Linux-приложения.
Встроенный модуль управления памятью MMU обеспечивает поддержку большинства операционных систем, в том числе Linux — лидирующей ОС для мобильных приложений. Встроенный Java-bytecodeсопроцессор способен поддерживать основные алгоритмы безопасности и идентификации. В то же время гибкая система управления энергопотреблением обеспе чивает баланс активных режимов высокой производительности сложных вычислений и режимов пониженного энергопотребления с работой часов реального времени и системой прерываний.

Основные технические характеристики LPC3180:
— ядро ARM926EJS производительностью более 200 МГц, 32-Кбайт кэш-память команд и данных;
— 90-нм технологический процесс, напряжение питания 0,9 В;
— статическая RAM 64 Кбайт;
— интерфейс внешней памяти;
— поддержка DDR и SDR SDRAM;
— поддержка single-level и multi-level NAND флэшустройств;
— контроллер прямого доступа к памяти с поддержкой работы SD- и SPI-интерфейсов;
— USB Device, Host (OHCI-совместимый) и OTGустройства. Модуль ФАПЧ для работы USB на частоте 48МГц;
— интерфейсы: 7 каналов UART, 2 канала SPI, 2 канала I²C, интерфейс карт памяти Secure Digital (SD);
— 10-разрядный АЦП;
— часы реального времени (RTC) с отдельным питанием и тактированием от 32 кГц генератора;
— модуль сканирования клавиатуры с поддержкой автомати ческого сканирования матрицы размером до 8 х 8;
— встроенный кварцевый генератор;
— корпус LFBGA320 размером 13 х 13 х 9 мм.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *