A mikrovezérlők magjának fejlődése
Dave Pike – gazdasági mérnök
A félvezető-technika fejlődésének tipikus kísérőjelenségeként az egyes jól bevált termékek „leváltak” az eredeti fejlesztő/gyártó cégükről, és helyükre sok esetben megbízhatóan lehetett beépíteni más gyártók termékeit. Valami hasonló megy végbe a mikrovezérlők piacán is, amelyeknél a mag logikai felépítése és utasításkészlete halad a gyártófüggetlen egységesítés felé.
A mikrovezérlő vagy MCU manapság már „átlagos” termék. Lehet, hogy egy kicsit túlzás ez a kifejezés, ugyanakkor ezt támasztja alá az a trend, hogy egyre gyakoribbak a „közös” vagy „nyilvános” architektúrájú processzormagok. Napjainkban, amikor még mindig számos MCU-gyártó van a piacon, néha már úgy tűnik, hogy a 32 bites MCU-k fejlesztési menetrendje (roadmap-je) olyan processzorokra épül, amelyek architektúráját egyetlen „szellemitermék-gyártó”, az ARM cég határozza meg.
Feltalálásuk és gyártásuk korai történetében, az 1970-es években az MCU-kat számos félvezetőgyártó vállalat tervezte és gyártotta. Ezek a vállalatok az MCU-kat történelmileg mindig a saját, szabadalmaztatott architektúrájuk szerint alkották meg, különösen a 8 bites termékek piacán. Néhány példa: H8 a Renesastól, a ST6/7 az STMicroelectronicstól, a PIC a Microchiptől – de a gyártóspecifikus architektúrára bőven találunk példát a 32-bites termékek között is: egyebek közt az R32-t és a SuperH-t a Renesastól, a Power Architecture-t a Freescale-től, vagy a C28x-et a Texas Instrumentstől.
Az elmúlt tíz év során azonban egyre inkább olyan trend alakult ki a szilíciumlapka-gyártók között, hogy nem fejlesztenek saját, szabadalmazott mikroprocesszormagokat, hanem a processzormagok architektúrájának fejlesztését átengedik olyan IP[1]-vállalatoknak, mint az ARM és a MIPS. Ez a két vállalat egymással versenyezve dolgozza ki az egyre fejlettebb, beágyazott alkalmazásokhoz használható mikroprocesszormagok, valamint ASIC[2]- és ASSP[3]-áramkör architektúráit. Üzleti stratégiájukban közös az is, hogy a személyiszámítógép- (PC) -piacra nem próbáltak meg belépni.
Az ARM térhódítása
Mára az ARM-architektúra a processzorpiac jelentős részét tudhatja magáénak, különösen a mobil, vezeték nélküli eszközök esetében, mivel ez az architektúra jelentős előnyökkel rendelkezik a számítási teljesítmény és az alacsony energiafogyasztás, valamint a magas kódsűrűség következtében. Először az ARM7TDMI-processzormagban mutatták be a Thumb-utasításkészletet, amely jelentősen csökkentette a szükséges memóriamennyiséget. Elmondható, hogy minden mostanában gyártott mobiltelefon vagy okostelefon ARM-magot használ. Az ARM-architektúra egyre inkább terjed az ASIC- és ASSP-egységekben, számítógépekben és fogyasztói elektronikai cikkekben is.
A Cortex-M-család
Az általános célú MCU-k piaca az elmúlt öt évben gyorsan stabilizálódott, az ARM egyre nagyobb mértékben van jelen és vezető szerepet tölt be a mikroprocesszor-magok piacán. Számos gyártó először az ARM7TDMI-n alapuló MCU-családot hozta a piacra, amelyeket egy pár ARM9TDMI-n alapuló termék követett. Az igazi áttörést azonban a Cortex-M-család, különösen a Cortex-M3 jelentette.
Ez a mag 2004-ben került a piacra, fejlesztése során az MCU-ban való alkalmazhatóságot tartották szem előtt; majd a beágyazott termékek piacán széles területen használatos 32 bites, általános célú MCU-processzorok között lényegében megszerezte a vezető szerepet. Időközben már több integráltáramkör-gyártó átvette, többek között az NXP az LPC1x00-, az STMicroelectronics (ST) az STM32- és a Texas Instruments (TI) a Stellaris-temékcsaládjának magjaként. Miközben ezek a vezető cégek még mindig fenntartják az ASIC- és az ASSP-processzorok fejlesztését (amelyekbe processzorként sok esetben ARM-magokat integrálnak, mint például a nagy teljesítményű Cortex-A8-at vagy A9-et), az általános célú MCU-k terméksorai már ARM Cortex-M magra épülnek. Érdekes azonban, hogy a 2011-es év derekán a TI piacra hozott egy kétmagos, 32 bites MCU-sorozatot, amely egyszerre alkalmazza a saját fejlesztésű C28x-, a perifériák vezérlésére pedig az ARM Cortex-M3-magot.
A Cortex-család másik két tagja, az M0-ás és az M4-es is egyre nagyobb számban van jelen az új MCU-családokban. Az M0-ás az ARM legkisebb, legkompaktabb és leginkább energiatakarékos magja. Az M4-es az M3-ashoz képest nagyobb DSP-teljesítménnyel bír. Az NXP, az ST és a Freescale – a Kinetis-családdal – az elmúlt év folyamán mindannyian M4-alapú családokat jelentettek be, miközben az NXP és az ST ezenkívül Cortex M0-alapú családok gyártásával is foglalkozik. Az ARM szerint a Cortex-M-család összes licencének száma, beleértve az M0-ás, M3-as és M4-es processzormagokat is, nem éri el az ezret.
Ellentétben az MCU-kat kínáló gyártók fejlődésének általános trendjével, a Microchip a 32 bites PIC MCU-termékcsaládját az MIPS M4K 32 bites processzormagra alapozza. A PIC-architektúra még mindig jelentős tényező a 8 bites egységek piacán, legalábbis a felhasznált mennyiségeket tekintve. A Microchip vitathatatlanul nagy előnye, hogy diákok tömege, akik évente munkavállalóként belépnek a piacra, ismerik a PIC MCU-kat, mivel azok széles körben elterjedtek a főiskolák és egyetemek mérnöki karain.
A 8 bit térvesztése?
Természetesen már régóta megjósolták a 8 bites MCU-termékek eltűnését, mivel azok helyére várhatóan a nagyobb teljesítményű és olcsóbb 32 bites eszközök lépnek. Azonban az alacsonyabb adatszélességet igénylő termékek piaca még mindig virágzik, és újabb és újabb alkalmazási területre talál az elektronikai termékekben, háztartási eszközökben vagy orvosi műszerekben. Ezzel egy időben a 32 bites eszközök egyre tovább terjednek az igényesebb alkalmazásokban, a 8 bites és a 16 bites MCU-k rovására. A legújabb 32 bites MCU-k roppant gazdag funkcionalitást és a maggal egybeintegrált perifériaegységek óriási választékát kínálják – és mindezt egyre vonzóbb (akár egy dollár alatti) egységáron.
Fejlődés az általános architektúra felé
Az MCU-gyártóknak bizonyára sok kihívással és jelentős problémákkal kell szembenézniük, ha arra szánják el magukat, hogy eltérnek saját szabadalmazott architektúrájuktól. A hardverbe, szoftverbe és fejlesztőeszközökbe történt többéves befektetéseket nem könnyű feladni. Továbbá kérdéses, hogy megéri-e a gyártóknak, hogy kétségeket ébresszenek a vevőkben a jövőbeli roadmap-ekkel vagy a kifejezetten az adott MCU-architektúrához vagy családhoz fejlesztett szoftverekre fordított költségeik megtérülésével kapcsolatban. A nyitott architektúra ugyanakkor óriási előnyöket is hozhat a vevők számára; például azt a lehetőséget, hogy az alkatrészeket számos különböző gyártótól szerezhetik be,
továbbá az egyik gyártótól egy másik gyártóhoz válthatnak át teljesen az alacsonyabb költségek, a magasabb teljesítmény vagy a perifériaegységekkel való bőségesebb vagy célszerűbb ellátottság miatt. Annak ellenére, hogy például a Cortex-M3 alapú MCU-k nem lesznek teljesen azonosak, az egyik gyártótól a másikhoz történő váltás sokkal egyszerűbb lesz, mint a különböző architektúrák közötti váltás. Mivel ezt a piacot is elérték a nehézségek, az elmúlt években jelentős konszolidáció ment végbe az MCU-gyártók között. Különösen az ipari alkalmazási területeken szükséges, hogy a vevők megbízhassanak abban, hogy a processzor legalább 10…15 évig vagy tovább jelen lesz a piacon. Ezért a közös architektúra azt eredményezheti, hogy az elavulás elleni védelem jelentősen csökken.
Egy másik nagy előny a nyílt architektúrákhoz kidolgozott, széles körben elérhető szoftveralkatrész-adatbázisok létezése, amelyek révén lehetővé válik a piacképes termék fejlesztésének felgyorsítása. A közös ARM-architektúra felé való elmozdulás azt is jelenti, hogy az ARM-alapú fejlesztő- és hibakereső eszközök az összes vezető gyártótól széles körben elérhetővé válnak.
A legújabb trendeket megfigyelve úgy tűnik, hogy az üzletág egy olyan időszakba lép, amelyben a perifériák kiválasztása fontosabb, mint az MCU-mag funkcionalitása. A perifériák kétségtelenül kulcsfontosságú szerepet töltenek be az egyedi alkalmazásokhoz legjobban megfelelő MCU-típus kiválasztásakor. Ezáltal előfordulhat, hogy az ARM Cortex-család „konvergenciája” után (amelynek során a processzormag szabványosított tömegtermékké válik), egyre inkább a „divergencia” következik, amikor a perifériák számos variációja lesz majd elérhető – szűk piaci szegmenseket képviselő alkalmazástípusok sajátos igényeihez igazítva. A trendet látva elképzelhető, hogy lesz két vagy három olyan gyártó, amely egyes, nagy darabszámokkal jellemezhető MCU-piacokra gyárt majd termékeket, például a magas minőségű audioeszközökhöz, ahol az I2S-kimenet elengedhetetlen. Ezenkívül kialakulnának azok a gyártók, akik középen helyezkednek el, és hasonló termékeket, memóriákat, I/O- és vezeték nélküli kommunikációs lehetőségeket kínálnak. Köztük a versenyt az ár dönti majd el. Mindez természetesen csak találgatás – sokakat foglalkoztat a kérdés, hogy vajon valóban ez lesz-e az MCU-piac képe néhány év múlva.
Vevői megkülönböztetés
Lehet, hogy a piac attól függően fejlődik majd, hogy a csipgyártók mennyire teszik egyszerűvé ügyfeleik számára, hogy azok meg tudják különböztetni termékeiket. Az NXP például egy kedvező árú áramköri lapkán alapuló fejlesztést kínál. Ez azt jelenti, hogy ez a gyártó mbed néven mérnöki közösséget koordinál, akik alkalmazáskódokat és protokollokat fejlesztenek a különböző perifériákhoz. Erre alapozva a felhasználónak már csak a végtermék-specifikus szoftver fejlesztésére kell fókuszálnia, amely megkülönbözteti a terméket más gyártók termékeitől. Ugyanakkor nem kell időt fordítania az alapvető meghajtók és protokollok megírására és hibakeresésére. De nem az NXP az egyetlen; további példák a Freescale által létrehozott Kinetis Tower-közösség, vagy a TI BeagleBoard közössége.
Elértünk tehát oda, ahol a szilíciumlapka már csak egy tucattermék, és csak a szoftver jelenti a hozzáadott értéket?
RS Components Magyarország
Tel.: +36 1 408 8371
Fax: +36 1 408 8372
E-mail:
www.rscomponents.hu
[1] IP (ebben az összefüggésben): az Intellectual Property (szellemi tulajdon) rövidítése. Olyan szerzői és szomszédos jogokkal védett dokumentáció, amely részletesen kidolgozva tartalmazza – a cikk témájához illeszkedő példát idézve – egy processzormag logikai felépítését (architektúráját), utasításkészletét. Ezt egy gyártó megvásárolhatja, és saját technológiájával, az általa kidolgozott speciális perifériakészlettel egybeintegrálva, közvetlenül felhasználható hardverterméket hozhat létre belőle. – A ford. megj.
[2] ASIC: az Application Specific Integrated Circuit (alkalmazásspecifikus integrált áramkör) kifejezés rövidítése olyan – rendszerint egyetlen felhasználó sajátos igényei szerint fejlesztett – céláramkör, amely egyetlen jól körülhatárolható programozással vagy paraméterezéssel nem, vagy csak minimális mértékben változtatható funkciót lát el. A nagy szériaszámú tömegtermelés számára rendszerint elfogadható, mert magas a fejlesztési és gyártáselőkészítési költsége, ellenben a felhasználás és a beépítés költségei alacsonyak. Szerepe némileg csökkent a mikrovezérlők nagy szériákban is versenyképes alkalmazási lehetőségeinek bővülésével. – A ford. megj.
[3] ASSP: Application Specific Standard Product (alkalmazásspecifikus szabványtermék) fő tulajdonságaiban megfelel az ASIC-nek, de általában széles felhasználói kör által preferált alkalmazáshoz kínál „nem programozható” célmegoldást – A ford. megj.
