Da quando sono stati inventati ed è iniziata la
produzione nei primi anni '70, gli MCU sono stati
progettati e realizzati da un grande numero di
aziende specializzate in semiconduttori, che hanno
sviluppato proprie linee, principalmente basate su
architetture esclusive. In particolare nel mercato a
8 bit, con dispositivi quali H8 di Renesas, ST6/7 di
STMicroelectronics e PIC di Microchip, ma anche
nel settore a 32 bit, ad esempio con R32 e SuperH di
Renesas o Power Architecture di Freescale o C28X
di Texas Instruments, per citarne solo alcuni.
Tuttavia, negli ultimi dieci anni, si è notata una
tendenza in aumento tra i fornitori di dispositivi al
silicio a non sviluppare core per microprocessore
proprietari, bensì ad acquistare in licenza core
e architetture da aziende IP quali ARM e MIPS.
Proprio queste due aziende, fra le altre, si sono
disputate aspramente i progetti chiave per i
microprocessori avanzati, ASIC e ASSP, per una
gamma di mercati e applicazioni integrate, ma
all'esterno del socket dei microprocessori per PC.
Convergenza su ARM
La convergenza verso un
core di controllo comune
Dave Pike, Marketing Engineer
S
ostenere che i microcontroller per impieghi generali (MCU) oggi
sono prodotti di base forse è un'esagerazione. Ma, in un certo
senso, è un'opinione giustificata dalla crescente tendenza all'uso
di core per processore che condividono un'architettura "comune"
o "aperta". Attualmente, anche se esistono ancora molti fornitori di
MCU, sembra che le roadmap MCU a 32 bit siano sempre più basate
su core per processore sviluppati da un'unica azienda: ARM.
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eTech - NUMERO 9
Attualmente ARM è leader, con la quota più ampia
sul mercato dei core per processore, soprattutto per i
progetti wireless mobile, sicuramente per il livello di
consumo senza confronti della sua architettura, oltre
agli innegabili vantaggi offerti dalla densità del codice
compilato. Il set di istruzioni Thumb di ARM è stato
introdotto per la prima volta nel core ARM7TDMI e ha
consentito una riduzione significativa dei requisiti di
memoria. Oggi quasi tutti gli smartphone e i dispositivi
mobili integrano un core ARM. Anche l'architettura
ARM è sempre più diffusa negli ASIC e ASSP per
applicazioni industriali, informatiche e consumer.
La famiglia Cortex-M
In ogni caso, nel mercato degli MCU per impieghi
generali, negli ultimi cinque anni si è assistito a un
consolidamento rapidissimo, che ha visto l'ascesa
di ARM, protagonista nella fornitura di core per
microprocessore. Inizialmente molti fornitori hanno
lanciato famiglie di MCU basati su ARM7TDMI,
con alcuni prodotti di derivazione, sviluppati su
ARM9TDMI. La vera svolta, comunque, è avvenuta con
la famiglia Cortex-M e in particolare con il Cortex-M3.
Questo core, lanciato nel 2004, è stato sviluppato
appositamente per l'implementazione negli MCU
e probabilmente rappresenta il processore MCU
a 32 bit per impieghi generali più utilizzato in una
vastissima gamma di dispositivi embedded. Oggi è
stato adottato da numerosi produttori di chip, quali
NXP (LPC1x00), STMicroelectronics (ST) STM32 e
Texas Instruments (TI) Stellaris. Benché queste
grandi aziende mantengano tuttora programmi di
sviluppo dei processori ASIC e ASSP, molti dei quali
includono core ARM come i Cortex di fascia alta
A8 o A9, le loro roadmap per gli MCU per impieghi
generali si basano in misura crescente sui core
Cortex-M di ARM. È interessante notare che, a metà
del 2011, TI ha lanciato una serie di MCU a 32 bit
e doppio core che integra sia il proprio core C28x
sia un Cortex-M3 per controllare le periferiche.
Anche gli altri due membri della famiglia Cortex,
M0 e M4, vengono sempre più largamente utilizzati
nelle nuove famiglie di MCU. M0 è il core di
ARM più piccolo, dal codice più compatto e con
l'efficienza energetica più elevata, mentre M4
sostanzialmente aggiunge a M3 ulteriori capacità
DSP. Nell'ultimo anno, NXP, ST e Freescale, con la
propria famiglia Kinetis, hanno tutte annunciato
famiglie basate su M4; NXP e ST hanno inoltre
lanciato o annunciato varietà del Cortex-M0.
Secondo ARM, il numero totale di licenziatari per
la famiglia Cortex-M, inclusi i core per processore
M0, M3 e M4, ormai raggiunge un cifra a tre zeri.
L'unica eccezione alla regola – almeno per un
produttore leader di MCU – è Microchip, che ha basato
la propria roadmap per gli MCU PIC a 32 bit sul core
per processore MIPS32® M4K®. Anche l'architettura
PIC figura ancora tra i protagonisti del settore a 8
bit, senza dubbio per il volume di unità distribuite.
Sicuramente per Microchip un vantaggio essenziale
è il grande numero di studenti che iniziano l'attività
professionale ogni anno e conoscono gli MCU PIC a
causa del loro utilizzo generalizzato nelle università
e nei dipartimenti di ingegneria dei college.
Il mercato a 8 bit si sta riducendo?
Naturalmente, si è molto parlato della possibilità che
il mercato a 8 bit, a lungo termine, venga divorato dai
dispositivi a 32 bit, a basso costo e ad alte prestazioni.
Eppure il mercato dei prodotti a lunghezza di dati
inferiore continua a sopravvivere, anzi a prosperare,
grazie alla disponibilità di nuove applicazioni, sostenute
dalla diffusione continua e crescente dell'elettronica
nei prodotti consumer, nelle apparecchiature
domestiche e nei dispositivi medici, fra gli altri. Allo
stesso tempo, i dispositivi a 32 bit continuano a
espandersi nelle applicazioni più mature, a scapito
degli MCU a 8 e a 16 bit. Gli MCU a 32 bit più recenti
supportano numerose funzionalità aggiuntive e una
molteplicità di periferiche on-chip – a prezzi sempre più
competitivi, fino a un dollaro a chip. O persino meno.
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L'evoluzione verso un'architettura comune
Le sfide da affrontare e le problematiche da
risolvere sono senz'altro troppe perché i fornitori
di MCU decidano anche solo di discostarsi
dalle loro architetture proprietarie. Non è facile
abbandonare anni di investimenti in hardware,
software e strumenti di sviluppo. E come aspettarsi
che questi stessi fornitori
mettano in dubbio presso i
loro clienti le future roadmap e
tutto il codice legacy sviluppato
appositamente per una specifica
architettura o famiglia di MCU?
È prevedibile che un'architettura
aperta offra notevoli benefici
ai clienti, quali la possibilità di
fare riferimento a un'ampia
scelta di fornitori o di passare
dall'uno all'altro per motivi
di convenienza, prestazioni
o selezione di periferiche.
Sebbene, ad esempio, gli
MCU basati sul Cortex-M3
non saranno mai identici, il
processo di migrazione da un
fornitore all'altro, per quanto
complesso, non dovrebbe implicare lo stesso
livello di difficoltà del passaggio fra architetture
proprietarie sostanzialmente diverse. Inoltre,
in seguito alla crisi finanziaria, il mercato ha
assistito a un significativo consolidamento dei
fornitori di MCU negli ultimi anni. Soprattutto
nel mercato industriale, per i clienti è importante
affidarsi a un processore disponibile da minimo
10 o 15 anni. In tal caso infatti l'architettura
comune può garantire un notevole margine
di sicurezza contro l'obsolescenza.
Oggi quasi tutti gli
smartphone e i dispositivi
mobili integrano un core
ARM. Anche l'architettura
ARM è sempre più diffusa
negli ASIC e ASSP per
applicazioni industriali,
informatiche e consumer.
Un altro vantaggio è la grande disponibilità di
librerie di componenti software, che accelera
i tempi di commercializzazione. Passando a
una comune architettura ARM, diventa infatti
possibile usufruire dell'ampia disponibilità di
strumenti di sviluppo/debug basati su ARM, da
tutti i fornitori leader di strumenti di terze parti.
una fase in cui la selezione delle periferiche sarà
il criterio dominante, e verrà effettuata sempre
meno tenendo conto delle funzionalità di un
determinato core MCU. Senza dubbio, le periferiche
rappresentano un fattore chiave per la scelta di
applicazioni specifiche. È quindi possibile che, in
seguito alla "convergenza" sulla famiglia Cortex
di ARM (in cui il core del processore diventa il
prodotto di base), si verifichi una "divergenza"
di soluzioni che offriranno molte combinazioni
diverse di periferiche per mercati eterogenei e
di nicchia, in termini relativi. Leader del mercato
saranno probabilmente due o tre fornitori chiave,
con prodotti per ogni settore MCU principale, ad
esempio nell'audio di alta qualità, dove un output
I2S è indispensabile. In secondo piano, esisterà
un'intera gamma di fornitori, collocabili in posizioni
intermedie nel mainstream, che offriranno opzioni
di memoria, I/O e wireless simili, cercando di
prevalere in termini di convenienza. Sarà questo
il quadro del mercato MCU tra qualche anno?
Differenziazione dei clienti
Molto probabilmente il mercato andrà ai fornitori
di chip che consentiranno ai clienti di distinguere
più agevolmente i propri prodotti. NXP, ad esempio,
consente uno sviluppo a basso costo, basato
sulla scheda mbed. Ciò significa che, oggi, questo
fornitore può contare su una comunità di tecnici che
stanno sviluppando porzioni di codice applicativo
e stack di protocollo per gestire varie periferiche.
In questo modo i clienti potranno concentrarsi sul
software che distinguerà il loro prodotto, anziché
doversi preoccupare dei driver di livello inferiore e
degli stack di protocollo. Ma non c'è solo NXP, altri
esempi comprendono Freescale, con la comunità
Kinetis Tower e TI, con la comunità BeagleBoard.
Quindi, siamo arrivati al punto in cui il
software è il valore aggiunto e il dispositivo
in silicio un prodotto di base?
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Selezione in base alla periferica
Se i fornitori di MCU tendono a basare i propri
cataloghi sull'architettura "aperta" o "non
proprietaria" di ARM, devono anche trovare
altri modi per differenziare i propri prodotti. Nel
processo di selezione di un MCU rientrano pertanto
vari fattori, inclusi il core del microprocessore, la
velocità, la memoria, la scelta delle periferiche,
il prezzo, gli strumenti di sviluppo, il sistema
operativo e il supporto del software. La scelta
del core del processore dovrebbe determinare, o
quantomeno influenzare, alcune delle altre opzioni.
Ma sembra che il settore si stia muovendo verso
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