magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

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

Endrich lidGD32® ARM® Cortex® M3 és M4 architektúra

A most útjára indított cikksorozatunk egy az IoT alkalmazások elvárásaihoz kiválóan igazodó mikrokontroller-család, a GigaDevice 32 bites eszközeinek alkalmazásáról szól. Áttekintjük az ARM® Cortex® és a RISC-V nyílt architektúrán alapuló vezérlők tulajdonságait, alkalmazhatóságát, és néhány mintaalkalmazást is közzéteszünk az Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH Ipar Napjai nagydíjas IoT koncepciójának alapját képező IoT végpont egyes megoldásainak ismertetése útján. Megmutatjuk, hogyan lehet különféle digitális és analóg szenzorokat illeszteni az eszközökhöz, és hogyan lehet GSM modem integrálásával ezen szenzorok adatait felhőalapú adatbázisba juttatni.

 

A GD32® egy új, ARM® Cortex®-M23, Cortex®-M3 vagy Cortex®-M4 32 bites RISC magokkal ellátott, alacsony fogyasztású, univerzális, nagy teljesítményű mikrovezérlő-család, amely integrálja a tervezés egyszerűsítéséhez és a költségtakarékos, mégis innovatív termék előállításához elvárt funkciókat. A GigaDevice szabadalmaztatott „gFlash” memória technológiájával kiegészítve egy komoly mikrovezérlő-vonal áll a tervezőmérnökök rendelkezésére. A GD32® család a belépő szintű „Basic”, a maximális teljesítményű „Performance” és a közbülső „Connectivity” termékvonalakat dobja piacra. Ezek lefedik többek között az ipari vezérléstechnika, az ember-gép interfészek, a motorvezérlés, a teljesítménymérés, a biztonságtechnika, a hordozható fogyasztási termékek, a napelemes rendszerek vezérlőelektronikáinak és a PC alkatrészek piacát is.

 

A GD32® ARM® Cortex®-M3 mikrokontroller felépítése

Az M3 család minden mikrovezérlője az ARM® Cortex®-M3 RISC processzormag köré szerveződik. A processzor 108 MHz maximális órajelével és a beépített flashmemória azonnali elérhetőségével (Zero-Wait-State) maximális a hatékonyság. A GD32F10x eszközök ilyen memóriából maximum 3072 KB-tal rendelkeznek, amelyek kiolvasása 32 bites ciklusonkénti sebességgel, Wait-State beiktatása nélkül történik, byte, half-WORD (16 bites) és WORD (32 bites) adattípusokkal. Természetesen egyszerre csak az egyik típusú olvasás állítható be. A flashmemória minden lapja egyenként vagy – az információs blokkok kivételével – egyszerre is törölhető. A gyártó a flash chipek területén szerzett nagy gyártási tapasztalatát átültette az ARM® mikrokontroller technológiába is.

 

endrich1

1. ábra  A GD32® mikrovezérlő-család különböző tudásszintű sorozatai


A GD32F10x sorozat tagjai maximum 96 KB beépített SRAM-mal rendelkeznek, amely a 0x20 000 000 memóriacímen kezdődik, és támogatja a byte, half-WORD (16 bites), és a WORD (32 bites) adattípusok használatát is. Emellett került a kontrollerbe egy sor fejlett I/O csatorna, maximum három 12 bites – másodpercenként egymillió mintavételre alkalmas – analóg-digitális konverter, maximum 10 általános célú 16 bites, és egy továbbfejlesztett PWM időzítő is. A kommunikációs interfészek között találunk három SPI, két I2C, öt USART, egy USB 2.0 OTG FS, valamint két CAN vezérlőt is.
A mikrokontroller 2,6–3,6 V tápellátást igényel, és ipari működési hőmérséklet-tartományban (–40 °C...+85 °C) működtethető. Három energiatakarékos üzemmódja választási lehetőséget kínál a hosszabb éledési idő és a kis energiafogyasztás, illetve a gyors éledés, de nagyobb fogyasztás között. A fogyasztás és a sebesség egymásnak ellentmondó igénye az elemes táplálású készülékek fejlesztői számára a legnagyobb kihívást jelenti, és mindig kompromisszumra készteti őket. Ebben igyekszik segíteni a gyártó a különféle fogyasztáscsökkentő üzemmódok bevezetésével. Három választás lehetséges: a SLEEP, a DEEP-SLEEP és a STANDBY módok. A SLEEP módban a Cortex®-M3 órája kikapcsolt állapotban van, DEEP-SLEEP módban az 1,2 V-os domén minden órája kikapcsolt állapotú, és a HSI, HSE és a PLL sem engedélyezett. Az SRAM és a regiszterek tartalma el van mentve, és az EXTI vonalakról érkező bármely megszakítás (INT) vagy wake-up jel feléleszti a rendszert, és a HSI lesz a rendszeróra. Meg kell említeni, hogy amennyiben a beépített LDO alacsony fogyasztású üzemmódban van, további éledési késleltetést tapasztalhatunk. STANDBY üzemmódban a teljes 1,2 V-os domén ki van kapcsolva, az LDO le van állítva, és a HSI, HSE, PLL is letiltott állapotú. STANDBY módból négyféleképpen éledhet fel a rendszer, külső resettel az NRST lábon keresztül, RTC alarm jellel és az IWDG resettel, vagy a WKUP lábra érkező jel felfutó élére. A STANDBY üzemmódban realizálható a legkisebb fogyasztás, de innen éled a rendszer a leglassabban. Emellett mind a regiszterek, mind az SRAM tartalma elvész, kivételt ez alól csak a BACKUP regisztertartalom jelent, éledéskor bekapcsolási reset indul. A 3. ábrán látható módon három tápellátási domén létezik, a VDD/VDDA, az 1,2 V-os, és a Backup domén. A VDD/VDDA tápellátása közvetlenül a külső tápon keresztül valósul meg, ezért a VDDA és a VSSA a VDD és VSS lábakhoz kapcsolódik. Általánosságban elmondható, hogy a digitális áramkörök a VDD-ről, az analóg körök nagy része pedig a VDDA-ról kap feszültséget.
Az ADC és a DAC konverziók pontosságának növelésére és az analóg áramkörök jobb teljesítményre való ösztönzésére a független VDDA tápforrás szolgál. A VDD/VDDA részen beágyazott LDO látja el a megfelelő feszültséggel az 1,2 V-os részt. A BACKUP doménhez tartozó teljesítménykapcsoló hivatott telepes ellátásra kapcsolni (VBAT lábra kapcsolt feszültségforrás), ha a VDD lábon a feszültség megszűnik.
A GD32® sorozatú mikrokontroller használata nemcsak a fejlesztők, de a felhasználók számára is sok előnnyel szolgál. Az MCU maximális sebessége a versenytársakénál 50%-kal többet nőtt. A kódfuttatás hatásfoka ugyanolyan órajel mellett 30-40%-kal nagyobb lett. Az áramfogyasztás 20-30%-ot csökkent ugyanolyan frekvencia esetén. Ezen tulajdonságai teszik lehetővé, hogy alkalmazások széles spektrumán lehessen használni a GD32® sorozatú GigaDevice MCU-kat.

 

endrich 2

2. ábra  A GD32® Cortex®-M3 architektúrája 4–20 mA áramhurok részei

 

A GD32®Cortex®-M3 tulajdonságai

  • Flexibilis memóriakonfiguráció maximum 3024 KB beágyazott Flash és maximum 96 KB SRAM memóriával,

  • továbbfejlesztett I/O vonalak és további perifériák illeszkednek a két APB buszhoz.

  • ipari kommunikációs interfészek sorát támogatja az MCU: SPI, I2C, USART, USB 2.0 OTG FS és CAN interfész.

  • maximum három 12 bites 1 Msps ADC, maximum tiz 16 bites időzítő, egy PWM időzítő, 3 energiakímélő üzemmód áll rendelkezésre a nagy éledési sebesség és a kis fogyasztással szembeni elvárások optimalizálásához, a vállalható kompromisszum elérésére kis teljesítményű, elsősorban telepes táplálás esetén.

 

endrich3

3. ábra  A GD32® Cortex®-M3 tápellátása

 

GD32® ARM® Cortex®-M4 MCU

A GD32F4 eszközök a GD32® sorozat felső teljesítményosztályba sorolt tagjai (PERFORMANCE LINE). A kínálat legújabb és legjobb ár/érték arányú mikrokontrollerei, a 32 bites általános célú MCU-k a nagy számítási teljesítményű ARM® Cortex®-M4 RISC rendszermag köré integrált perifériákkal és minimalizált fogyasztással jellemezhetők.
A Cortex®-M4 mag mellett helyet kapott az egyszeres pontosságú lebegőpontos matematikai számításokat felgyorsító FPU (Floating Point Unit) is, amely támogatja az összes egyszeres pontosságú ARM® parancsot és adattípust. A teljes beágyazott digitális jelfeldolgozó utasításkészlet (DSP-Digital Signal Processing) lehetővé teszi a piac e szegmensének egyszerű kiszolgálását is. A továbbfejlesztett alkalmazásbiztonságot és hibakeresést szolgáló memóriavédelmi egység (Memory Protection Unit – MPU) és követési technológia a programozók dolgát könnyíti meg. A GD32F4 MCU-k alkalmazhatók az ipari vezérléstechnika és folyamatirányítás, valamint a fogyasztói elektronika és az elemes táplálású hordozható készülékek területén, beágyazott számítógépekben, HMI, biztonságtechnikai és kijelzés-technikai készülékekben, gépjármű és drón GPS rendszerekben, valamint az IoT területén is.

 

Jellemzői

  • Flexibilis memóriakonfiguráció max. 3024 KB beágyazott Flash és max. 96 KB SRAM memóriával,

  • továbbfejlesztett I/O vonalak és további perifériák illeszkednek a két APB buszhoz,

  • ipari kommunikációs interfészek sorát támogatja az MCU: SPI, I2C, USART, USB 2.0 OTG FS és CAN interfész,

  • max. három 12 bites 1 Msps ADC, max. tíz 16 bites időzítő, egy PWM timer,

  • 3 energiakímélő üzemmód vállalható kompromisszum elérésére az éledési sebesség és a fogyasztás optimalizálásához kis teljesítményű, telepes tápláláshoz.

 

endrich4 

4. ábra  A GD32® Cortex®-M4 architektúrája

 

Fejlesztőeszközök

A GD32® család integrálja azokat az MCU jellemzőket, amelyek lehetővé teszik a gyors, könnyű és professzionális beágyazott rendszertervezést, továbbá a fejlesztők kezébe ad egy megfizethető és bizonyítottan innovatív, komplex félvezetőgyártási technológián alapuló MCU eszközt.
A programozáshoz, hibakereséshez és ellenőrzéshez szükséges komplex fejlesztőkörnyezetek számos változata érhető el GD32® támogatással. A Keil (http://www2.keil.com/gigadevice), az IAR (https://www.iar.com/iar-embedded-workbench/partners/gigadevice/), a Rowley Crossworks for ARM®, az ingyenes eszközök közül az Eclipse környezetre épülő Nuclei Studio IDE és a Microsoft Visual Studio Code-ra épülő PlatformIO IDE ad támogatást a GD32® kontrollerek programozásához. Bizonyos megkötésekkel még az Arduino IDE is használható egyszerűbb programfejlesztésre.
A sorozat következő részében tovább folytatjuk a GD32® ARM® Cortex® architektúra bemutatását a kis energiafogyasztású M23 mag köré épülő eszközökkel, megismerkedünk továbbá a RISC-V architektúrával is.

 

 

Az ARM® (Advanced Reduced Instruction Set Machine) csökkentett utasításkészletű mikroprocesszor-technológia mára a beágyazott számítógépipar meghatározó részévé vált. A processzormagok lehető legszélesebb kínálatából választhatnak a gyártók az elvárásoknak megfelelő – teljesítmény-, energiafogyasztás- és költségszinthez igazított – mikrokontroller elkészítéséhez az elektronika szinte valamennyi területén. A több mint 9 milliárd eddig gyártott ARM® processzor mára a legfőbb motorjává vált a beágyazott megoldások hihetetlen fejlődésének.
Természetesen sok félvezetőgyártó tevékenykedik ebben a piaci szegmensben, azonban nagy szükség volt egy komoly, a flashmemóriák piacán már bizonyított távol-keleti gyártó belépésére, és az árverseny fenntartására. A GigaDevice a soros NOR/NAND flashmemóriái mellett ARM® Cortex® és RISC-V mikrovezérlőket is kínál. A GD32® család integrálja azokat a funkciókat, amelyeket az egyszerű terméktervezéshez a vevők elvárnak, és amelyek segítségével költségtakarékos, mégis innovatív készülékek építhetők. A cikksorozat első része az ARM® Cortex® vezérlő architektúrájával foglalkozik, később majd kitérünk a RISC-V lehetőségeire, és több alkalmazási példát is bemutatunk.

 

 

 Kiss

 

 

 

 

 

 

 

Szerző: Kiss Zoltán – Export Igazgató, Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH

 

Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH
Sales Office Budapest
1191 Budapest, Corvin krt. 7-13.
Tel.: + 36 1 297 4191
E-mail: hungary@endrich.com
www.endrich.com