magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

{a-feliratkozással-elfogadja-az-adl-kiadó-kft-adatvédelmi-és-adatkezelési-tájékoztatóját-1}

ebv lidSynergy: a Renesas válasza az IoT kihívásaira

Az elszigetelten működő „terepi” beágyazott alkalmazások kora lejárt, a kommunikáció problémája megkerülhetetlen. A választ az egyedi megoldások helyett sokan a „dolgok internetétől”, az IoT-tól várják, nem csak mert „trendi”, hanem szükségszerű is, ha egy gyakorlatilag bárhol, korlátlanul használható végtermék a célunk. A Renesas – több más félvezető-fejlesztő és -gyártó céghez hasonlóan – felismerte, hogy az alkalmazástervezőknek már nem elég ehhez néhány jó mikrovezérlő, hanem – válaszul az IoT-világ kihívásaira – azok minél teljesebb ökoszisztémáját kell ajánlani.

 

A Renesasról

Sokak számára ismert, de talán mégsem felesleges elhelyezni a Renesas Electronics vállalatot a félvezető-fejlesztő és -gyártó cégek „világtérképén”. A Renesas a japán félvezetőipar egyik zászlóshajója, hiszen japán tulajdonú alapító világcégek, a Mitsubishi, a Hitachi és a NEC tőkéjének és félvezetőipari tapasztalatainak egyesítésével jött létre 2002-ben, azonban érdemes hozzáfűzni, hogy a Silicon Valley egy olyan, az analóg elektronikában nevet szerzett, „patinás” vállalatát is felvásárolta 2017-ben, mint az Intersil. Ám nem csak ez teszi globális szereplővé, hiszen közel 20 ezer munkatársa képviseli a világ 24 országában. Fő termékei a digitális, analóg és kevert jelű integrált áramkörök az ipar és az automotív piac számára, de más, „széles spektrumú” alkalmazási terület számára is kínálnak megoldásokat. A nagyságrendre jellemző: a vállalat a 2016-os pénzügyi évben 6,8 milliárd USD-nyi árbevételt realizált e területeken.
A Renesas-termékpaletta „középpontjában” a mikroprocesszorok (MPU-k) és mikrovezérlők (MCU-k) állnak, amelyek egyrészt egy általános célú, professzionális alkalmazási körben számítanak érdeklődésre, másrészt viszont olyan specializált területeket is megcéloznak, mint az autóipar, amelynek sajátos igényeire is fejleszt a Renesas MCU/MPU-családokat, rendszercsipeket (SoC), energiamenedzsment-eszközöket, video- és megjelenítőfunkciókat megvalósító céltermékeket az „Autonomy™ Platform for Automotive” gyűjtőnév alatt. A másik nagy terület, amely saját gyűjtőnévvel jelzi, hogy a Renesas kiemelt fontosságot tulajdonít neki, a beágyazott alkalmazási területen belül a „dolgok internete”, az IoT speciális szempontjait figyelembe vevő „Synergy™ Platform for IoT”. Ezek a platformok nem csak formálisan helyeznek egy közös brandnév ernyője alá bizonyos célfeladatra kidolgozott félvezetőtermékeket, hanem a sajátos ágazati igényeket kiszolgáló közös ökoszisztémákkal is a fejlesztők rendelkezésére állnak.

 

ebv

1. ábra  Az IoT-fejlesztés „kanyargós útja”

 

Az IoT-fejlesztés sajátos problémái

Az „IoT-korszak” kezdetén számos becslés látott napvilágot, amelyek szerint a működő IoT-eszközök száma rövidesen akár a világ népességének számát is meghaladhatja. A mobilkommunikációt is ide számítva 2016-ban már nyolc „kommunikatív” eszköz jutott a világ minden 10 lakójára, de 2020-ra ez a szám akár a 28-at is elérheti. A trend tehát – úgy tűnik – igazolja a jóslatokat, ám ez az ambiciózus koncepció csak akkor válhat valóra, ha a fejlesztés alacsony költséggel, gyorsan, és a megvalósulás útjában álló akadályok hatékony elhárításával történik. Ez utóbbiak pedig számosak, ahogy a Renesasnak a megvalósítás „kanyargós útját” szemléltető grafikáján is láthatjuk (1. ábra).
A már említett „platformszemlélet” egyfajta hozzáadott értéket képvisel a félvezetőtermékekhez, amely segít „levágni a kanyarokat” az ötlettől a gyártásig vezető úton. Ehhez a Renesas a szoftver területén az univerzális fejlesztőeszközöknek a gyártmányhoz és a potenciális alkalmazási területhez alkalmazkodó változatán kívül a tipikus részfeladatok tesztelt és bevált megoldásait (köztük kiemelten a hálózati és kommunikációs részfeladatokat) tartalmazó Synergy Software Platformot kínálja, a hardverfejlesztést pedig – az egész ökoszisztéma alapját képező – félvezetőeszközökön kívül tipikus IoT-megoldásokat tartalmazó fejlesztőkészletekkel támogatja. Mindezekre pedig kész, gyártható megoldásokat tartalmazó „alkalmazáskönyvtár” rétegződik, amelyet a fejlesztés kiindulópontjaként használhat fel a tervező. A Synergy szoftverplatform tehát teljes és alaposan

  • tesztelt alapkönyvtár a tipikus IoT-fejlesztésekhez,

  • a kategóriájuk legjobb MCU-it, szoftvereit és fejlesztőeszközeit kínálja,

  • alkalmas integrált és bevizsgált megoldások létrehozására,

  • a kidolgozott „szoftvertartozékokkal” kiegészítve további funkcionalitásokat tesz elérhetővé,

  • a támogatást és a szoftverkarbantartást közvetlenül a gyártó biztosítja,

  • költségmentesen tartalmazza a szoftver és a fejlesztőeszközök gyártásban történő hasznosításához szükséges licenceket.

 

ebv 2

2. ábra  A Renesas hardverfejlesztő eszközeinek három kategóriája: típusértékelő kártya (balra), indulókészlet (középen) és fejlesztőrendszer (jobbra)

 

A Synergy Platform hardveralapjai

A Renesas Synergy platformjának hardvermegoldásait a cég mikrovezérlő-termékei alapozzák meg, amelyek négy különböző, sajátos szempont szerint optimalizált családot alkotnak (S1, S3, S5, S7).
Az S1 családot a platform legalacsonyabb árfekvésű és ultrakis fogyasztású típusai alkotják. A processzormag ARM Cortex-M0+, 32 MHz-es maximális órafrekvenciával. A flashmemória típustól függően 64 kbájttól 256 kbájtig terjedhet, és 16…24 kbájt statikus RAM-ot bocsát az alkalmazás rendelkezésére. A -40…+105 °C hőmérséklet-tartományban használható család akár 51 GPIO-csatlakozóponttal is rendelkezhet a tokozattól függően, amely 32, 40, 48 és 64 kivezetésű lehet. Jellemző fogyasztási adatai: futásidőben 113 µA/MHz, alvó állapotban 47 µA/MHz, készenléti üzemmódban pedig 440 nA/MHz. A kódflash mellett 4 kbájt adatflash is elérhető, hardveres memóriavédelemmel. Az analóg jelvilággal 14 bites A/D és 8 bites D/A-konverterrel, 2 db kis fogyasztású és 3 db nagy sebességű analóg komparátorral tart kapcsolatot. Időzítési célokra 32 bites és nagy felbontású 16 bites impulzusszélesség-modulátorokat (PWM), a felhasználói interfészhez pedig 28 bemenetű érintésérzékelőt tartalmaz. Kommunikációs interfészként Full Speed USB, CAN, USART, SPI és I2C, valamint – az okos világításvezérlésekre specializált – DALI-interfész is rendelkezésre áll. A programfutás és a kommunikáció biztonságát egyebek közt hibajavító (ECC) kódolású, paritásvédelemmel is ellátott SRAM, a flashmemória kijelölhető területeire kiterjedő írásvédelme, az órafrekvencia pontosságát ellenőrző hardver és CRC-gyorsító szolgálja, a szoftverintegritás és biztonság céljára pedig 128 bites egyedi termékazonosító és 128/256 bites AES-titkosító áll rendelkezésre.
A következő, S3 családot a Renesas nagy hatékonyságúnak nevezi. Az ARM Cortex-M4 mag 48 MHz-es órajellel üzemelhet.
A GPIO-csatlakozópontok száma itt már akár 145 is lehet, a flash programmemória elérését átmeneti tároló (cache) gyorsítja, és a PC-k RAID-1 memóriatükrözési szintjének megfelelő funkcióra is képes. Az S3 család analóg bemeneteit egy további, 12 bites A/D-konverter egészíti ki, és 4 db műveleti erősítőt is beépítettek. A szoftverbiztonsághoz hash-kódoló gyorsítóhardver is támogatást nyújt.
A „nagy integráltságúnak” nevezett S5 család ugyancsak ARM Cortex-M4 magra épül, de a maximális órafrekvenciája 120 MHz. Tulajdonságai közül az akár 2 Mbájtos flashtárolót, a 640 kbájtos SRAM-ot, és a 64 kbájtos adatflashtárolót, az analóg funkciók közt a 6 db programozható erősítőt (PGA), a grafikus LCD-vezérlőt, a 2D grafikai gyorsítót, az Ethernet-interfészt és a tovább bővített adattitkosítási képességeket emeljük ki.
A „nagy teljesítményű” besorolást kapott S7 család 240 MHz-es maximális órajelével múlja felül az S5 családot.
A négy család azonos tokozatú, ugyanolyan kivezetésszámú tagjai közt teljes a lábkompatibilitás, az egymás utáni kategóriák regiszterkészlete, API- és funkcionalitáskínálata pedig egymásra épülő halmazokat alkot. Mindezek következtében azonos hardverkönyezetből is könnyű – egy magasabb kategóriájú MCU beépítésével – egyre növekvő szolgáltatást nyújtó, „skálázható” végtermék-kategóriákat kialakítani, jelentős fejlesztési erőforrásokat megtakarítva ezáltal.
Egy mikrovezérlő-ökoszisztéma fontos eleme a fejlesztést támogató hardvereszközök átgondolt, egymásra épülő választéka. Ez a Renesas Synergy családban három kategóriába sorolható (2. ábra):

  • típusfüggő, alacsony árfekvésű értékelőkártyák, amelyek a tesztelni kívánt mikrovezérlő minden kivezetését elérhetővé teszik,

  • indulókészletek, amelyek elsősorban az ökoszisztéma szofverbázisát alkotó Synergy Software Package szolgáltatásainak megismerésére használhatók, és végül

  • fejlesztőrendszerek, amelyekkel már a végtermék koncepciójának tesztelésére alkalmas mintarendszerek is fejleszthetők

A hardvereszközök további közös eleme még a panelre épített hibakereső interfész, a vezetékes (és egyes kártyatípusoknál vezetékmentes) kommunikációs képesség, az ökoszisztéma további elemeinek illesztésre alkalmas csatlakozókészlet, valamint a teljes tervezési dokumentáció (felhasználói kézikönyvek, kapcsolási rajzok, anyagjegyzékek, a NyÁK utángyártásához közvetlenül használható gerber-fájlok, 35 mintaalkalmazás teljes projektdokumentációja, alkalmazástechnikai útmutatók és szoftver forráskódok stb.)

 

A szoftverről – kissé bővebben

A Synergy-ről szóló bevezetőben inkább csak általában szóltunk a szoftverfejlesztéshez nyújtott „platformtámogatásról”. Aki azonban már foglalkozott hasonló projektekkel, megtapasztalhatta, hogy a fejlesztés sikere vagy kudarca múlhat a szoftvereszközök célszerűségén, teljességén, megbízhatóságán, ezért ezeket kissé részletesebben is áttekintjük.
Az egyik fontos szoftver-építőelem a Synergy Software Package (SSP), amelynek legalsó, hardverközeli rétege a kártyaspecifikus támogatást nyújtó funkciócsomag. Erre közvetlenül, és egymástól függetlenül két magasabb szintű réteg, a valós idejű operációs rendszer (RTOS) és a hardver absztrakciós réteg (HAL) támaszkodik.
Az utóbbi feladata, hogy a hardverspecifikus részletektől (pl. a tokozat kivezetésszámától és a felhasználó által definiált lábkiosztás egyediségétől) független „kezelőfelületen” át tegye elérhetővé az alkalmazásprogramozási interfészt (API) a HAL fölé rétegzett alkalmazási keretprogramokon (Application Framework), más „köztes szoftvereken” (middleware) és funkciókönyvtárakon keresztül. A hardverrel kapcsolatban említettük a kompatibilitás különböző megjelenési formáit a kivezetések, regiszterek és szolgáltatások területén. Ennek a szoftver szempontjából az API-szintű kompatibilitás felel meg, ami lehetővé teszi, hogy az alkalmazás fejlesztésekor lényegében már ne kelljen típusfüggő részletekkel foglalkozni. Az IoT-alkalmazás sajátos minőségbiztosítási igényeket is támaszt a szoftvermegoldással szemben. Ezt számos fontos ok indokolhatja.
Néhány ezek közül: ha a gyártó könyvtári elemekre épít, esetleg processzor-típusváltás után kívánja a korábban használt processzorhoz írt szoftver forráskódját újrahasznosítani, vagy a tömegesen gyártott végtermékben kívánja a sebezhetőségeket, tervezési hibákat megelőzni, mindenképpen komoly szoftverminőségi követelményeket kell teljesítenie. A Synergy platform szoftverelemeit a gyártó minőségbiztosítási munkacsoportja teszteli és tartja karban, szükség esetén frissítéseket bocsát ki. Az ebben rejlő érték tetemes: már eddig is több mint 10 ezer tesztet futtattak le nyolcvannál is több SSP-modulon, 60 ezret meghaladó számú kódsort ellenőriztek, a négy MCU-típuscsalád 25 tagján futtatva. A programfordítást és rendszergenerálást a két legnépszerűbb ARM-compilerrel végzik (a GCC szabadszoftverrel és a professzionális felhasználók körében elterjedt IAR-fejlesztőrendszer fordítóprogramjával). Ellenőrzik a biztonságos szoftverfejlesztés fő feltételeit, a kódolási szabványoknak való megfelelőséget, az áttekinthető kódolást és modulszerkezetet, a követelmények teljesítésének nyomon követhetőségét, a szoftverváltozatok (build-ek) „tisztaságát” és az egész fejlesztési folyamatot lefedő tesztfolyamatot.
A külső partnerek által fejlesztett, SSP-kompatibilis „hozzáadott” szoftvereket is a Renesas általi ellenőrzés után teszik elérhetővé a fejlesztők számára. Ezeknek a hozzáadott szoftverelemeknek a próbaverziója ingyenes, a kereskedelmi verziót a szoftver fejlesztője értékesíti és támogatja.
Ezzel szemben az integrált fejlesztőkörnyezet (IDE) és hibakereső (debugger) ingyenesen elérhető és a karbantartásáért sem kell fizetni. Számos ellenpéldával szemben az ingyenes verzió a kód méretét és/vagy a felhasználók számát nem korlátozza. A mikrovezérlő alapkonfigurációjának – egyébként igen munkaigényes – beállítását (kivezetések funkciójának meghatározása, órajelek beállítása stb.) konfigurátormodul támogatja, amely egy vizuálisan jól áttekinthető grafikus felület bejelöléseiből automatikusan generálja a konfiguráló szoftver forráskódját.
A beágyazott alkalmazások fejlesztéséhez többletköltségek nélkül elérhető a grafikus felhasználói interfész (GUI) fejlesztésének „drag and drop” technikával működő, a C-forráskódot automatikusan generáló GUIX-Studio™, a PC-alapú eseményanalízisre és a ThreadX (nyílt forráskódú, valós idejű operációs rendszer) alatt futtatott szoftverek teljesítőképsségének mérésére alkalmas TraceX, a kapacitív érintésérzékeléses alkalmazásokhoz használható szoftvereszközkészlet, valamint az IAR-fejlesztőrendszerek – felhasználó számára – a statikus és futásidejű teljesítményanalízisre szolgáló C-RUN és S-STAT.
A szoftver-ökoszisztéma nem lenne teljes egy olyan megoldáskínálat nélkül, amely akár változtatás nélkül is felhasználható, de egyben mintaalkalmazásként is kiindulási pontul szolgálhat a felhasználók eredeti fejlesztéseihez. A „megoldásgaléria” menüje – a teljesség igénye nélkül is – magáért beszél: szoftver, szoftvereszközök, partnerprojektek, alkalmazások, hardver-fejlesztőeszközök, felhőalapú megoldások, ember-gép interfész (HMI) stb.

 

Az IoT és a felhő

Az IoT-eszközök számának már említett rohamos növekedése elképesztő ütemben fokozza az általuk generált adatok mennyiségét, amelyet csak akkor észszerű létrehozni, ha azzal kezdeni is tudunk valamit. Ennek a roppant adatmennyiségnek tehát nem csak a továbbítását, de a tárolását, feldolgozását és széles körű elérhetőségét is meg kell oldani. Az ehhez szükséges infrastruktúrát az internet maga kínálja a „felhőben” elhelyezett tárolási és feldolgozási képességeivel. Aki tehát nem csak „vasat”, nem csak szoftvert, de teljes megoldást is szeretne a piacon értékesíteni, célszerű megismerkednie a felhő szerepével, alkalmazási módszereivel és lehetőségeivel az IoT rendszerében. Anélkül, hogy ennek részleteibe bocsátkoznánk, megemlítjük, hogy a Renesas Synergy platformjának részeként elérhető az AE-CLOUD2 elnevezésű fejlesztőkészlet, amely vezetékesen Ehernet-interfészen keresztül, vezetékmentesen pedig WiFi-n és (Európában jellemzően) a meglevő mobilhálózati infrastruktúrát hasznosító, kis sávszélességű NB IoT (Narrow Band IoT) kommunikációs szolgáltatáson keresztül teszi elérhetővé a „felhőt” (már hazánkban is).

 

Összefoglalás

A fejlesztők számára egyre kevésbé megkerülhető az IoT alkalmazása. Az ilyen fejlesztési projekteknél a hardverre vagy a szoftverre kiemelt hangsúlyt helyező termékek helyett hasznosabbnak látszik a teljes rendszerre kiterjedő, átfogó megoldást kínálni. Ehhez pedig érdemes olyan félvezető-beszállítót is választani, amely maga is átgondolt rendszerkoncepcióba helyezve értékesíti termékeit, és támogatja azok felhasználását.

 

Szerző: Tóth Ferenc

 

A Renesas Electronics termékeit hazánkban az EBV Elektronik Kft. értékesíti.

 

EBV Elektronik Kft.
1117 Budapest, Budafoki út 91-93.
Tel.: +36 1 436 7220
www.ebv.com

 

Még több EBV