Uusimmat mikro-ohjaimet ovat entistä älykkäämpiä, entistä tehokkaampia ja entistä vähemmän tehoa kuluttavia. Silti ohjainta valittaessa ohjelmisto on yhä useammin ratkaisevassa asemassa.

Artikkelin kirjoittaja Ralf Sommer toimii vanhempana mikro-ohjain- ja muistituotteiden markkinointipäällikkönä Rutronikilla. Hän tuli saksalaisyrityksen palvelukseen jo tammikuussa 1994 mikro-ohjainten markkinointiin. Vuonna 1999 Sommer siirtyi MSC Gleichmannin palvelukseen, jossa toimi eri markkinointitehtävissä ja lopulta sulautettujen korttituotteiden johtajana. Syyskuussa 2014 Sommer palasi Rutronikille nykyiseen tehtäväänsä. Hänellä on diplomi-insinöörin tutkinto Karlsruhen teknisestä korkeakoulusta vuodelta 1994.

Uudet näyttöratkaisut (TFT ja kosketusruudut) ja tietoliikenteen teknologiat (IoT/Teollisuus 4.0) ovat ohjelmistojen merkityksen kasvun takana oleva voima. Teollisuuden sovelluksia varten mikro-ohjaimia suunnittelevat kohtaavat laite- ja ohjelmistopohjaisia haasteita, joilla ei ole mitään tekemistä heidän ydiosaamisensa kanssa ko. sovellusalueella. Samalla suunnittelujen monimutkaisuus lisääntyy – joskus dramaattisestikin – ja sen mukana muistin koko- ja prosessorin suorituskykyvaatimukset. Näihin kuuluu reaaliaikakäyttöjärjestelmiä, grafiikkakirjastoja, tietoliikennepinoja, tietoturvaohjelmistoja ja tiedostojärjestelmiä, jotka kattavat jopa toiminnallisen turvallisuuden monimutkaisia ohjelmistopaketteja.

Tämä tarkoittaa, että mikro-ohjaimen valinta ei enää riipu pelkästään sovelluksen vaatimuksista, vaan kasvavassa määrin sen vaatimista ohjelmistomoduuleista. Samalla suunnittelu pitäisi saada yhä nopeammin markkinoille. Tämän seurauksena suunnittelijalla ei ole oikein muita vaihtoehtoja, kuin käyttää tehokkaampia mikro-ohjaimia ja ohjelmistoratkaisuja puolijohdetoimittajilta tai paljon laajemmalta kolmansien osapuolten toimittajajoukolta.

Renesas ja Synergy – uusi konsepti

Renesas tarjoaa erilaisia starter-paketteja, joiden mukana saa sekä laite- että ohjelmistoratkaisut IoT- ja Teollisuus 4.0 -sovelluksille. IoT-sovelluksiin nämä paketit perustuvat yleiskäyttöisiin tuotteisiin kuten RL78-, RX- ja RZ-perheet, jotka kattavat sekä ultravähävirtaisia että suuren suorituskyvyn sovelluksia. Teollisuus 4.0 -sovelluksiin, erityisesti teollisuus-Ethernetiin, Renesas on menestyksellisesti lanseerannut ERTEC- ja TPS-1-tuoteperheet Profinet-markkinoille. Nyt yhtiö tarjoaa usean protokollan piirejä R-IN-tuotteiden muodossa.

Renesas on myös lanseerannut tämän vuoden alussa uuden konseptin IoT- ja Teollisuus 4.0 -sovelluksiin. Synergy-tuoteperheen tärkein ominaisuus on ohjelmiston ja ARM Cortex-Mx-pohjaisten mikro-ohjaimien yhdistelmä. Ultravähävirtaisia sovelluksia varten käytetään 32 megahertsin Cortex M0+ -ydintä, yleisistä mikro-ohjainperheistä tuttuja ja matalaan tehonkulutukseen optimoituja oheislaitteita, ja 130 nanometrin prosessia, jossa virtavuodot ovat hyvin alhaisia. Suorituskykyisemmässä päässä on kolme Cortex M4 -ytimeen perustuvaa piiriperhettä. Näissä 40 nanometrin prosessi mahdollistaa 32-240 megahertsin kellotaajuudet ja kustannusoptimoidun jopa 640 kilotavun RAM-muistin sekä jopa neljän megatavun flash-muistin integroinnin itse piirille.

Erityiseksi ratkaisun tekee ohjelmisto ja siinä Renesas on kehittänyt aivan uuden konseptin, jossa asiakas ohjelmoi tuotteet API- eli rajapintatasolta ylöspäin. Tämä auttaa säästämään arvokasta kehitysaikaa standardiohjelmiston kehityksestä, eikä asiakkaan tarvitse kuluttaa aikaa alhaisen tason ajureihin kehittämisen tai integroimiseen oheislaitteille, tietoliikennepinoille, grafiikkakirjastoille tai RT-käyttöjärjestelmälle. Renesas toimittaa nämä ohjelmistokomponentit uusien Synergy-ohjelmistopakettien kanssa lähdekoodimuodossa testattuna ja sertifioituna, joten ne ovat valmiita tuotantoympäristöön. Renesas huolehtii myös ohjelmiston ylläpidosta ja jatkokehityksestä käyttäen rajapintoja niin, että yhteensopivuus säilyy äpi koko Synergy-ohjainperheen. Asiakkaat voivat myös käyttää kolmansien osapuolelten lisäkomponentteja ohjelmiston integrointiin. Renesastestaa nämä komponentit niin, että ne ovat yhdenmukaisia Synergy-ohjelmistopakettien kanssa.

Kun asiakas ostaa mikro-ohjaintuotteen, hän ostaa myös koko Synergy-ohjelmistopaketin ilman erillisiä lisenssikustannuksia – pois lukien erityisen kolmansien osapuolten ohjelmistot. Kun kehityksen alussa ei makseta suuria lisenssimaksuja ja kehitysaika on lyhyempi, IoT- tai Teollisuus 4.0 -sovellusten kehitykseen liittyvät esteet ja investointiriskit pienenevät merkittävästi.

Microchipillä järjestelmälähestymistapa

Microchip keskittyy täysin tuottamaan järjestelmäratkaisuja, joissa yhä spesifimpiä oheislaitelohkoja käytetään yhtiön omien ulkoisten analogiamoduuleiden ja esisertifioitujen tietoliikennemoduulien kanssa, joissa mikro-ohjaimen ydin lähes tai täysin käyttäjän näkymättömissä. Käytettävissä olevien ydinten valikoima – olettaen että ne tuovat sovelluksen edellyttämän verran suorituskykyä – merkitsee tässä vaiheessa hyvin vähän, koska useimmat kehittäjät ohjelmoivat C-kielellä, mikä tarkoittaa että C-kääntimen laatu ja optimointipotentiaali on paljon tärkeämpi tekijä kuin itse suoritinydin. Ne erottuu muista mikro-ohjaimista piirille integroitujen oheislaitteiden ja ulkoisten komponenttien laadun ansiosta ja siinä miten nämä vuorovaikuttavat vastaavien ohjelmistokomponenttien kanssa. Esimerkiksi ultravähävirtaisissa toimintamoodeissa käytetään yhä enemmän älykkäitä oheislaitteita, jotka suorittavat tiettyjä monitorointitoimintoja itsenäisesti. Itse ydin, joka on yksi suurimpia tehonkuluttajia, aktivoituu vain kun sille on tarvetta.

Microchip on myös oivaltanut, että ohjelmisto on ominut keskeisen roolin monissa IoT-sovelluksissa, minkä takia se on kehittänyt MPLAB Harmony IDE -kehitysympäristön PIC32-ohjaimille. Tällä tavoin se on valinnut API-lähestymistavan, jolla säästetään kehitykseen kuluvaa aikaa. Microchipin toimittamia ohjelmistopaketteja voidaan myös käyttää lisenssivapaasti, ja tuotettua koodia voidaan ajaa myös ilman RTOS-käyttöjärjestelmää. Kehittäjät voivat halutessaan integroida tuotteeseen RTOS-käyttöjärjestelmän tai spesifin tietoliikenneprotokollan joltain kolmannelta osapuolelta. Näihin saattaa kuitenkin liittyä omia lisenssiehtoja.

Infineon – älykkäät oheislaitteet ja ohjelmistotuki

Perinteiseen teollisuuselektroniikkaan Infineon käyttää ARM Cortex M0/M4 -sarjan ohjaimia, joilla katetaan sovelluksia moottorinohjauksessa, valaistuksessa, teollisuusautomaatiossa ja teholähteissä. Älykkäät oheislaitteet myös helpottavat prosessorille tulee kuormaa näissä sovelluksissa. Tavoite ei ole niinkään tehonkulutuksen minimointi kuin matemaattisen tytärprosessorin integrointi laskentatehon merkittäväksi kasvattamiseksi, jopa pienimmissä XMC1000-sarjan piireissä. Älykkäät oheislaitteet kuten BCCU-yksikkö (Brightness and Color Control Unit), joka mahdollistaa monikanavaisen ledin välkkymättömän ohjauksen PWM-piireillä ilman CPU:n kuorman lisäämistä, johtavat lopulta merkittäviin säästöihin kustannuksissa ja kehitysajassa.

Teollisuusautomaatioon Infineon on laajentanut 4000-sarjaansa, joka perustuu Cortex-M4-ytimeen ja on suunniteltu reaaliaikasovelluksiin. Uusissa jäsenissä on laajennettu tietoliikennevalikoimaa, erityisesti CAN-liitäntöjen ja uuden ETHERCAT-liitännän muodossa.

Oman integroidun DAVE 4 -kehitysympäristönsä kautta Infineon helpottaa myös asiakkaiden ohjelmistonkehitysprosessia. Käyttämällä omia sovelluksiaan asiakkaat voivat integroida sovellusohjelmistonsa API-rajapintojen kautta. Iso osa Infineonin perinteisestä kolmansien osapuolten laite- ja ohjelmistoratkaisuista voidaan joustavasti integroida DAVE 4:een.

STMicroelectronics – Suorituskykyisiä ja vähävirtaisia ratkaisuja

ARM Cortex-Mx-pohjaisten mikro-ohjainten markkinajohtajana STMicroelectronics on laajentanut valikoimaansa sisältämään useita uusia tuoteperheitä ja se on myös ensimmäinen M7-ytimen standardituoteperheeseen integroinut toimittaja. Näissä tuotteissa on integroitu TFT-ohjain, suuri sirulle integroitu muisti ja laaja valikoima tietoliikenneliitäntöjä, joten ne sopivat erinomaisesti vaativiin sovelluksiin kuten ohjauspaneeleihin.

L4-perheen myötä ST on lisännyt parannellun version matalan tehonkulutuksen tuotteisiinsa. Oheislaitteiden erilaisten optimointien ansiosta tämä Cortex-M4-pohjainen prosessori myös säästää tehoa aina, kun se on mahdollista. Kehittäjä löytää oikean variantin laajasta valikoimasta kolmesta eri alaperheestä haluttuun sovellukseen ja suorituskykyvaatimuksiin. Kaiken kaikkiaan ohjaimilla on useita integroituja standardiliitäntöjä, jotka vastaavat tämän päivän ankariin tietoliikennevaatimuksiin. STM32-sarjassa ST tarjoaa laajan valikoiman mielenkiintoisia starttipaketteja ja ratkaisuja, joissa tuotevalikoima ja ohjelmistot näyttelevät tärkeätä osaa IoT- tai Teollisuus 4.0 -sovellusten kehittämisessä.

ST:n oma kehitysympäristö (STM32CubeMx) sisältää koodigeneraattorin modernissa graafisessa käyttöliittymässä STM32-piirien ohjelmointiin. Se pyrkii auttamaan kehittäjää eri vaiheissa, aina komponenttien valinnasta lähtien, esimerkiksi näyttämällä nastasijoittelun, jota vaaditut toiminnot edellyttävät. Cuben avulla kehittäjä saa laadittua kaikki STM32-ohjaimen käynnistämiseen tarvittavan koodin vain muutamalla klikkauksella. Nastoitusristiriitojen ratkaisemisen (Pinout Conflict Solver) lisäksi se sisältää työkalut kellokonfigurointiin, middleware-ohjelmiston muokkaukseen ja tehonkulutuksen laskemiseen. Tarjolla on lisäksi laaja valikoima kolmansien osapuolten tuotteita kuten uusi tietoturvakomentojen kirjasto (Safety LIB), lukuisia tietoliikennepinoja tai reaaliaikakäyttöjärjestelmiä.