Mikrocontroller und Speicher für eingebettete Systeme

Nahezu alle modernen elektronischen Geräte basieren auf digitalen Mikrocontrollern, auch wenn sie Teil eines Systems zur Verarbeitung analoger Signale sind. Diese breite Expansion ist das Ergebnis der kontinuierlichen Evolution dieser Schaltungen. Eine zunehmende Vielfalt an Standard-Peripherieblöcken sowie eine steigende Rechenleistung und Energieeffizienz eröffnen den Weg zu immer neuen Anwendungen. Auf der anderen Seite bieten viele Hersteller Bausteine mit geringerer Ausstattung, die jedoch spezialisiert sind auf die Realisierung bestimmter Funktionen. Die Auswahl des richtigen Mikrocontrollers für ein Projekt unter so vielen Lösungen und vielen zusätzlichen Anforderungen ist keine leichte Aufgabe.

Die Auswahl eines Bausteins mit viel Speicher und vielen Peripheriegeräten ist ein guter Ansatz für die Prototypenphase. Wenn der Prototyp die volle Funktionalität erreicht hat, können die Hardwareanforderungen genau festgelegt und auf dieser Grundlage wirtschaftlicher angepasste Lösungen ausgewählt werden. Abschließend muss die Verfügbarkeit der ausgewählten Bausteine genau analysiert werden, da dies derzeit ein ernsthaftes Problem in der Elektronikbranche ist. Die Zusammenarbeit mit einem elektronischen Bauteile-Distributor wie Micros ermöglicht es, diese Phasen effizient zu durchlaufen, und aufgrund des besonders umfangreichen Angebots an Mikrocontrollern und Speichern kann die optimale Lösung für jede Anwendung ausgewählt werden.

Vielseitig und skalierbar

Sehr beliebte und gerne verwendete Mikrocontroller sind die Bausteine der STM32F101-Serie von STMicroelectronics, ausgestattet mit einem leistungsstarken 32-Bit-ARM Cortex-M3-Kern. Sie sind in vielen Versionen mit unterschiedlichen Listen von integrierten Peripheriegeräten, Speichergrößen und Pin-Zahlen sowie Gehäusen erhältlich. Ein großer Vorteil ist ihre Pin-Kompatibilität - daher reicht es im Falle eines Hardware-Ressourcenmangels aus, den Mikrocontroller-Typ zu ändern, ohne in das PCB-Design einzugreifen. Auch eine umfangreiche Änderung der Software ist nicht erforderlich, die Rekonfiguration beschränkt sich auf die Änderung weniger Einstellungen. Innerhalb der STM32F101-Serie gibt es drei Gruppen: Low-, Medium- und High-Density, die den Grad der Ausstattung des Bausteins bestimmen. Eine vereinfachte Zusammenstellung der Parameter zeigt Tabelle 1. Im Angebot von Micros befinden sich Dutzende von Bausteinen dieser Serien, die auf Lager sind: https://bit.ly/3hqiit1.

Umfangreich und energieeffizient

In vielen batteriebetriebenen Anwendungen ist eine hohe Leistungsfähigkeit des Steuerungsbausteins in Verbindung mit einem geringen Energieverbrauch erforderlich. Diese Anforderungen erfüllen Mikrocontroller mit einem ARM Cortex-M0+ Kern. Eine der ersten Gruppen von Bausteinen dieser Art, die weit verbreitet sind, z. B. in Prototyping-Boards der Arduino-Familie, sind die Mikrocontroller des Unternehmens Atmel (Microchip) - die Serien SAM D20 und SAM D21. Sie sind in Gehäusen mit 32 bis 64 Pins erhältlich und arbeiten mit einer maximalen Taktfrequenz von 48 MHz. Eine Zusammenstellung der Parameter der einzelnen Bausteinvarianten zeigt Tabelle 2. Zu den integrierten Peripherieblöcken gehören Zähler zur Erzeugung von Wellenformen, das Atmel Event System zur Kommunikation zwischen Peripheriegeräten ohne CPU-Beteiligung, ein 12-Kanal Direct Memory Access Controller (nur SAM D21), ein Peripheral Touch Controller zur Unterstützung von bis zu 256 halbberührungs-empfindlichen Elementen wie Tasten, Schieberegler oder Räder.

Ein großer Vorteil dieser Bausteinfamilie ist die Unterstützung durch die Arduino-Umgebung. Einige Arduino-Boards basieren auf diesen Bausteinen (Abbildung 1).
Die Entwicklung von Software mit der Arduino IDE bedeutet viele fertige Software-Bibliotheken und ein umfangreiches Wissensfundament in Form von Tutorials, Dokumentationen und Foren. Im Angebot von Micros stehen Dutzende verschiedener Bausteine der SAM D21- und SAM D21-Serie zur Verfügung: https://bit. ly/3tnbG35.

Leistungsstark und schnell

Trotz der hohen Rechenleistung der zuvor genannten Bausteine eignen sie sich nicht zur Ausführung von Aufgaben wie der Klang- oder Bildverarbeitung, der Steuerung von Motoren und Antrieben oder der Implementierung komplexer Netzwerkfunktionen. Für solche Aufgaben wurden fortschrittliche und schnelle Mikrocontroller entwickelt, die mit Taktfrequenzen von 100 MHz und mehr betrieben werden und mit leistungsfähigen Kernen wie Cortex-M4 und DSP ausgestattet sind oder Hardwareblöcke zur Durchführung komplexer mathematischer Berechnungen enthalten, wie z. B. FPU. Dies sind spezialisierte Bausteine, die für fortgeschrittene Geräte bestimmt sind.

Im Angebot von Micros finden wir Vertreter dieser Bausteinkategorie von allen bekannten Herstellern. Ausgewählte Bausteine dieser Kategorie sowie eine kurze Beschreibung sind in Tabelle 3 aufgeführt.

Speicher - Indikator für Systemmöglichkeiten

Sowohl kleine digitale Steuerungen als auch Einplatinencomputer enthalten neben dem Steuerungsmikrocontroller separate Speicherbausteine. Einfachere Konstruktionen können nur über einen kleinen Speicher zum Speichern von Konfigurationen und Einstellungen verfügen - oft wird hierfür ein EEPROM-Speicher mit I2C- oder SPI-Schnittstelle verwendet. Geräte zur Klang- und Bildverarbeitung erfordern eine große Menge an Arbeitsspeicher aufgrund komplexer Datenverarbeitungsalgorithmen. Dies sind in der Regel SDRAM-Speicherbausteine mit paralleler Schnittstelle, die eine schnelle Übertragung großer Datenmengen ermöglichen. Die anspruchsvollsten elektronischen Geräte enthalten 3 Arten von Speicher - den bereits erwähnten Konfigurations- und Einstellungsspeicher EEPROM, SRAM/SDRAM-Datenspeicher und Flash-Programmspeicher. Ein Beispiel für eine solche Lösung ist der Motorsteuergerät - ECU, dessen Platinenfragment auf Bild 2 gezeigt wird.

Im Angebot von Micros gibt es Hunderte von Speicherbausteinen verschiedener Typen aller bekannten Hersteller. Auf Lager sind Speicherbausteine wie:

• EEPROM der Serie 24 (mit I2C-Schnittstelle) von Microchip, Atmel und ST,

• EEPROM der Serie 25 (mit SPI-Schnittstelle) von Microchip, Atmel (bis zu 64 kB)

• EEPROM der Serie 95 (mit SPI-Schnittstelle) von ST,

• Flash der Serie 95 von Microchip, Adesto,

• Flash der Serie 45 von Atmel, Adesto,

• Flash der Serie K9 von Samsung,

• Flash der Serie M29 von STM, Micron (bis zu 16 GB),

• FRAM (Ferroelektrischer Speicher) der Serien FM24 und FM25 von Cypress,

• MRAM (Magnetoresistiver Speicher) der Serie MR von Everspin,

• SRAM der Serie 48 (mit SPI-Schnittstelle) von Microchip,

• SDRAM der Serie IS42 von Integrated Silicon Solution,

• SDRAM der Serien MT41, MT48 von Micron,

• SDRAM der Serie W9 von Winbond.

Bild 2. Fragment einer Leiterplatte eines Automotors - ECU, mit markierten Schlüsselkomponenten.

Zusammenfassung

Die Halbleiterkrise, die wir erleben, hat die Herangehensweise der Konstrukteure an neue Projekte verändert. Anstatt Mikrocontroller mit erheblichem Leistungsüberschuss auszuwählen, suchen sie nach weniger beliebten und weniger ausgestatteten Bausteinen, die jedoch jetzt und in naher Zukunft verfügbar sind. Die Möglichkeit zur Zusammenarbeit mit einem Lieferanten mit einem so umfangreichen und vielfältigen Angebot wie Micros bietet große Handlungsfreiheit und ermöglicht eine Optimierung des Projekts hinsichtlich Leistung und Kosten.

Foto 1: SAM-Mikrocontroller der Serie D21, wie der Arduino Zero, werden auf vielen Platinen der Arduino-Familie verwendet.