Mikrocontroller Aktuelle Cortex-Chips im Überblick

Peripherieeinheiten, Taktfrequenzen und in Hardware codierte Zusatzfunktionen wie Sicherheit oder Protokolle sind die Mittel der Wahl, mit denen sich die Anbieter trotz einheitlicher Core-Architektur von ihren Mitbewerbern differenzieren.

Unter der Bezeichnung »SAM-A5D3« hat Atmel unlängst einen Mikroprozessor (MPU) auf Basis des stromsparenden Cortex-A5-Cores vorgestellt. Zielmärkte der neuen Bausteinfamilie sind Embedded-Anwendungen in Bereichen wie Industrie(-automatisierung), Smart Grid, Medizintechnik, Handheld-Terminals und Konsumelektronik.

In einem 65-nm-Low-Power-Prozess gefertigt, kommen die Chips laut Hersteller auf bis zu 850 DMIPS, wenn sie mit der maximalen Taktfrequenz von 536 MHz laufen. Den Datendurchsatz gibt Atmel mit 1328 MByte/s bei einer Busfrequenz von 166 MHz an. Außerdem unterstützt eine eigene Fließkomma-Einheit Berechnungen von Bild-, Audio- und Sensordaten. Mit unter 200 mW liegt die Leistungsaufnahme im aktiven Modus bei der maximalen Taktfrequenz und mit aktivierter Peripherie ausgesprochen niedrig. Für den Low-Power-Modus, in dem die Kontexte des Chips erhalten bleiben und eine schnelle Aktivierung in der Größenordnung von 60 µs gewährleistet ist, nennt Atmel einen Verbrauchswert unter 0,5 mW.

Um unterschiedliche Anwendungen wie Schnittstellen, Steuerungspanels, Netzwerke, Gateways, PLCs, Barcode-Scanner, Drucker, Terminals und batteriebetriebene Geräte bedienen zu können, verfügt die SAMA5D3-Serie über viele Peripheriefunktionen (Bild 1). Neben einer Dual-Ethernet-Schnittstelle mit 1 GBit/s, drei Highspeed-USB-Ports und zwei CAN-Interfaces sind auch Schnittstellen für SDIO/SD/MMC, UART, SPI, TWI und Soft-Modem mit auf dem Chip. Außerdem bieten die Prozessoren je nach Ausführung einen TFT-LCD-Controller mit Grafikbeschleuniger für den Bildaufbau, eine Kamera-Schnittstelle, einen 12-Bit-ADC und einem 32-Bit-Timer.

Um einen möglichst gut passenden Chip für die jeweilige Anwendung bieten zu können, stehen vier Versionen mit unterschiedlicher Peripherie-Ausstattung im 324-poligen BGA-Gehäuse bereit. Sicherheitsfunktionen gegen IP-Diebstahl und Fälschung sind ebenfalls installiert, so sorgt ein »Secure Boot Loader« für die Integrität und Echtheit des im Boot-Speicher abgelegten Programms und schützt gegen Klonen. Zudem enthalten die Bausteine eine Verschlüsselungs-Engine in Hardware zur Ver- bzw. Entschlüsselung von Daten gemäß den Standards AES, 3DES und SHA.

Ein Zufallsgenerator (True Random Number Generator, TRNG) dient dem Erstellen oder Ändern eindeutiger Schlüssel. Die Entwicklung von Software für den neuen Prozessor unterstützt Atmel mit kostenlosen Linux-Distributionen, einer ebenfalls kostenlosen Android-4.0-Portierung und einem C-Softwarepaket (Softpack) für den Einsatz ohne Betriebssystem. Außerdem steht pro SAMA5D3-Derivat jeweils ein Evaluierungskit mit Linux-Demo-Software und »Qt«-GUI zur Verfügung, mit dem Entwickler sofort mit dem Prototyping ihrer Designs beginnen können.

Bereits im Januar hat Atmel seine Cortex-M4-Controllerpalette um die »SAM4E«-Serie erweitert. Diese Bausteine bieten zusätzliche Datenschnittstellen (Ethernet-IEEE-1588-MAC, USB-2.0-Device und Dual-CAN), eine Fließkomma-Einheit, erweiterte Analogfunktionen sowie mehr Verarbeitungsleistung mit einer maximalen Taktfrequenz von 120 MHz und einem integrierten Cache mit Zero-Wait-State-Flash-Zugriff bei voller Taktfrequenz. Damit eignen sich die Controller laut Atmel für den Einsatz in der Automatisierungstechnik, in der Haus- und Gebäudesystemtechnik, im Automobilumfeld und in Anwendungen rund um das Energiemanagement.

Die Bausteine enthalten Embedded-Flash bis 1 MByte, Sicherheitsfunktionen, zwei unabhängige 16-Bit-A/D-Wandler mit Dual-Sample&Hold-Funktion, Offset- und Gain-Fehlerkorrektur sowie einen programmierbaren Verstärker, was die Messung eines breiten Eingangssignalbereichs mit hoher Genauigkeit ermöglicht. Zwei Speicheroptionen mit 512 KByte und 1 MByte stehen in BGA- und QFP-Gehäusen zur Wahl.

Genügsame Signalverarbeitung

Mikrocontroller auf Cortex-M4-Basis hat jetzt auch Toshiba ganz neu im Lieferprogramm. Mit DSP-Erweiterungen, einer Fließkomma-Einheit und paralleler Datenverarbeitung sollen die Bausteine für eine stromsparende digitale Signalverarbeitung sorgen (Bild 2). Zielmärkte sind laut Toshiba Digitalkameras, Audiogeräte, Computerperipherie, Kommunikationssysteme, digitale Haushaltsgeräte und die Sensorik.

In den Controllern vom Typ »TMPM440« arbeitet ein Cortex-M4F-Core mit bis zu 100 MHz Taktfrequenz. Mit den erwähnten DSP-Erweiterungen, der FPU und einem programmierbaren Servo/Sequencer-Controller kann der Baustein Funktionen wie Filter und Arithmetik parallel und damit schneller verarbeiten. Bezüglich Speicher sind die neuen MCUs mit 768 KByte oder 1024 KByte »NANO«-Flash-100 und 64 KByte SRAM ausgestattet.

Mit der NANO-Flash-Technik ist laut Toshiba ein 100-MHz-Betrieb ohne Wait-States möglich. Damit könne der Core die volle Leistungsfähigkeit und Codedichte von Anwendungen nutzen, die hohe Geschwindigkeit und Speicher-kapazität erfordern. Zu den weiteren integrierten Funktionen zählen: ein 6-Kanal-DMA-Controller, ein 20-Kanal-A/D-Wandler mit 12 Bit Auflösung und ein 2-Kanal-D/A-Wandler mit 10 Bit, zwei 16-Bit- und ein 32-Bit-Timer, ein Watchdog-Timer und eine Echtzeituhr.

Ein 2-Phasen-Pulszähler erkennt Drehzahl, Position und Phasendifferenz. Die Datenanbindung der TMPM440-MCUs im 11 mm x 11 mm TFBGA-Gehäuse mit 289 Pins (darunter 228 universelle I/O-Ports) erfolgt über drei integrierte serielle Schnittstellen mit je 64 MBit/s. Eine I2C-Schnittstelle und ein 8-Kanal-UART stehen ebenfalls zur Verfügung. Bei einer Versorgungsspannung zwischen 2,7 V und 3,6 V betrieben, helfen ein Taktteiler von 1/2 bis 1/16 sowie »IDLE«-, »STOP1«- und »STOP2«-Standby-Modi beim Stromsparen und senken den Stromverbrauch auf 0,5 mA/MHz. Zudem besteht die Möglichkeit, die Peripherie schneller zu takten als die CPU.

Doch nicht nur bei Cortex-M hat Toshiba Neuigkeiten zu vermelden, auch in der »Visconti«-Serie von Bilderkennungsprozessoren auf Cortex-A9-Basis gibt es ein neues Modell, das über eine Dualcore-Architektur verfügt. Die Visconti-Chips sind für kamerabasierte Bildverarbeitungssysteme in Fahrzeugen vorgesehen und sollen Fahrspuren, Fahrzeuge, Fußgänger oder Verkehrsschilder erkennen.

Spezielle Bildverarbeitungsbeschleuniger helfen dabei, die Fußgänger in Echtzeit und mit hoher Erkennungsrate zu detektieren. Um dies zu gewährleisten, müssen die Algorithmen große Bilddatenmengen Bild für Bild in Echtzeit analysieren - und das bei begrenzter Leistungsaufnahme und Speicherkapazität. Weil viele dieser Algorithmen mit Fließkomma-Darstellung in hoher Genauigkeit arbeiten, bietet der neue Chip eine Fließkomma-Einheit mit einfacher oder doppelter Genauigkeit in jedem der beiden ARM-Cores.

32-Bit-Leistung zum 8-Bit-Preis

In der Ausgabe 02/2013 der DESIGN&ELEKTRONIK haben wir ab Seite 10 bereits ausführlich über die brandneuen Cortex-M0-Mikrocontroller »XMC1000« von Infineon berichtet. Mit dieser Serie will Infineon 32-Bit-Mikrocontroller zu 8-Bit-Preisen bieten, und tatsächlich sind die Bausteine durch 65-nm-Fertigungstechnologie mit Embedded-Flash auf 300-mm-Wafern sehr günstig und könnten einfache 8-Bit-Industrieanwendungen erobern.

Als Zielmärkte nennt der Hersteller Sensorik- und Aktuatorikanwendungen, LED-Beleuchtungen, digitale Leistungswandlung (z.B. USVs) und einfache Motorsteuerungen, beispielsweise für Haushaltsgeräte, Pumpen, Lüfter oder eBikes. Die drei Serien »XMC1100« (Einstiegsserie), »XMC1200« (Feature-Serie) und »XMC1300« (Control-Serie) bieten Flash-Varianten zwischen 8 KByte und 200 KByte und unterschiedliche Peripherie-Ausstattungen wie PWM-Timer, 12-Bit-A/D-Wandler und programmierbare serielle Kommunikationsschnittstellen. Außerdem bieten sie ein Modul für Touch-Control und LED-Displays, eine Peripherie-Einheit für das Dimmen und die Farbsteuerung von LEDs - die sogenannte Brightness and Color Control Unit (BCCU) - und einen mathematischen Coprozessor speziell für Motorregelungen.

Bereits Ende letzten Jahres hatte Infineon auch neue Mitglieder der Cortex-M4-Bausteinfamilie »XMC4000« angekündigt. Die Con-troller »XMC4400«, »XMC4200« und »XMC4100« eignen sich durch die integrierte, hochauflösende PWM-Einheit mit einem PWM-Zeitraster von nur 150 ps laut Hersteller besonders für die digitale Leistungswandlung in Wechselrichtern, Schaltnetzteilen und USVs.

Weitere Anwendungen seien E/A-Einheiten in der Automatisierung, Benutzerschnittstellen (HMI) und Erfassungs- und Steuerungssysteme. Mit den neuen Serien will Infineon im Indus-triesegment nun auch Anwendungen bedienen, die mit einem geringeren MCU-Leistungsumfang auskommen. CPU-Frequenz, Speichergröße und Anzahl der I/O-Funktionen sind entsprechend zugeschnitten.

Schnellster Cortex-M4

Ebenfalls auf dem Cortex-M4-Core basieren neue Bausteine der »STM32«-Serie, die STMicroelectronics vorgestellt hat. Laut Hersteller kombiniert die neue Serie »STM32F429/39« den mit 180 MHz derzeit leistungsfähigsten Cortex-M4-Core mit neuen, verbesserten Grafikfunktionen - darunter ein TFT-LCD-Controller, der »ST Chrom-ART Accelerator« für schnellere Grafik und ein SDRAM-Interface. Damit könnten die Benutzeroberflächen von Anwendungen wie etwa Smart Metern, Kleingeräten oder Industrie- und Healthcare-Geräten aufwendigere, farbigere Inhalte darstellen und eine intuitivere Bedienung ermöglichen.

Trotz der gesteigerten Rechenleistung des Cores sei es gleichzeitig gelungen, durch den 90-nm-Fertigungsprozess und neue Designtechniken die Stromaufnahme im »STOP«-Modus auf typisch 100 µA zu senken. Verglichen mit der STOP-Stromaufnahme der existierenden Reihen »STM32 F2« und »STM32 F4« bedeutet dies laut STMicroelectronics eine Verringerung auf ein Drittel.

Somit gebe es jetzt eine Lösung für Entwickler, die sich hohe Verarbeitungsleistung im aktiven Modus im Verbund mit einer geringen Leistungsaufnahme im STOP-Modus wünschen. Eine »I2S TDM«-Schnittstelle (Inter-IC Sound Time Division Multiplex) erlaubt mehrkanalige Audiodesigns, einige der Bausteine verfügen außerdem über neue und verbesserte Kopierschutzfunktionen für Embedded-Prozessoren. Derzeit werden die mit den etablierten Gehäusetypen LQFP100, LQFP144, WLCSP, LQFP176 und UFBGA176 lieferbaren neuen Bausteine an Leitkunden bemustert. Zwei neue Gehäuseoptionen, LQFP208 und TFBGA216, bieten mit über 200 Pins Zugriff auf zusätzliche I/Os der Controller.

Sicherer Tacho durch Cortex-R4

Nicht auf den ARM-Core Cortex-M4, sondern auf den Cortex-R4 setzt Fujitsu als Basis des »Atlas-L«-Bausteins für Kombiinstrumente im Automobil (Bild 3). Nach der ARM-Nomenklatur steht das »R« für »Realtime«, im Gegensatz zu »M« wie »Microcontroller«. Neben der höheren Geschwindigkeit dieses Cores bringt der neueste Mikrocontroller aus Fujitsus »FCR4«-Familie mit der Bausteinbezeichnung »MB9DF125« einen zusätzlichem SHE-Sicherheits-Coprozessor (Secure Hardware Extension) mit, der komplett in Hardware implementiert ist und somit Angriffen sicher standhalten soll.

Dieses SHE-Kryptografiemodul er-füllt die Spezifikation des »HIS«-Kon-ortiums (Herstellerinitiative Software) und ermöglicht es Tier-1-Automobilzulieferern und OEMs, Gegenmaßnahmen zur Softwaremanipulation in elektronischen Steuerungen zu entwickeln und den Diebstahl der Steuergeräte zu verhindern. Klassische Anwen-dungsfälle der kryptografischen Verfahren sind elektronische Wegfahrsperren, schlüssellose Zugangssysteme sowie Aktivierungssysteme für Ferndiagnosen und Software-Updates.

Der Atlas-L-Prozessorkern arbeitet mit einer Taktrate von bis zu 128 MHz, was laut Fujitsu zu einer Prozessorleistung von über 200 DMIPS führt. Im LQFP-176-Gehäuse verfügt der Baustein über 1 MByte Flash-Speicher und 128 KByte RAM. Außerdem enthält die MCU einen echten Zufallszahlengenerator, einen separaten Speicherbereich zur sicheren Verwahrung von flüchtigen und nichtflüchtigen kryptografischen Schlüsseln (einschließlich sichere Schlüsselverwaltung und -aktualisierung) sowie dedizierte Logik für die Datenverschlüsselung nach dem AES-Standard mit 128 Bit Schlüssellänge.

»Powerlink« im Chip

Mit den »Sitara«-Prozessoren auf Basis des Cortex-A8-Cores zielt Texas Instruments auf industrielle Anwendungen und hier vor allem auf die Automatisierungstechnik.

Um sein Engagement auf diesem Bereich zu unterstreichen, hat der Hersteller jetzt das »Powerlink«-Protokoll in die Chips der Sitara-Familie »AM335x« integriert (Bild 4). Als echtzeitfähige Kommunikationslösung auf Basis des Ethernet-Standards IEEE 802.3 ist Powerlink für die Datenübertragung im Mikrosekundenbereich konzi-piert.

Weil mehrere Industrial-Ethernet und Feldbus-Protokolle in den Chip integriert sind, können Entwickler laut Angaben von Texas Instruments in vielen Fällen auf ein externes FPGA oder ASIC verzichten und so die Kosten für Bauelemente um 30 Prozent reduzieren. Mit der skalierbaren und stromsparenden Cortex-A8-Prozessorplattform sowie Taktfrequenzen zwischen 275 MHz und 720 MHz lassen sich industrielle Kommunikationsknoten mit weniger als 500 mW Leistungsaufnahme realisieren.

Und noch ein weiteres Protokoll hat Texas Instruments in seine Sitara-Controller vom Typ AM335x integriert: Ein Messgeräte-Protokollmaster nach dem »EnDat 2.2«-Standard soll die Systemkosten dank der rein seriellen Datenübertragung und der Integration der Sensorauswertung in das Messgerät reduzieren. Vorteile dieses Ansatzes sind laut Angaben von Texas Instruments eine große Positionierungsgenauigkeit, Drehzahlstabilität und Dynamik durch hohe Messgeräte-Auflösung und hohe Übertragungsraten. Als wesentlichen Vorteil von EnDat 2.2 sieht man zudem die umfangreiche verfügbare Palette an Absolut- und Inkremental-Messgeräten und will mit den erweiterten AM335x-Lösungen den Trend der Industrie zu integrierten Feedback-Systemen auf der Basis digitaler Messgeräte unterstützen.

Cortex-A50 - wann kommen die ersten  Chips?   

Als ARM im Oktober letzten Jahres einen neuen Core mit 64 Bit Verarbeitungsbreite ankündigte, der auf der »ARMv8«-Architektur basiert und auf den Namen »Cortex-A50« hört, war die Branche in heller Aufregung. Jetzt will ARM also den übermächtigen Prozessorrivalen Intel tatsächlich frontal angreifen und die Grundlagen für schnelle und leistungsfähige 64-Bit-Prozessoren schaffen, die den Intel-Flaggschiffen in Hochleistungsservern - also auf ihrem angestammten Terrain - ernsthafte Konkurrenz machen.
Zusammen mit der Vorstellung des zunächst in zwei Varianten verfügbaren Cores nannte ARM auch gleich die Namen der ersten Lizenznehmer, zu denen neben AMD, Broadcom, Calxeda, Hisilicon und Samsung auch STMicroelectronis gehörte. Und dieses Unternehmen kündigte kurz darauf an, vor allem den leistungsstärkeren Vortex-A57-Core in zukünftigen Lösungen für Netzwerk- und Datencenter-Infrastrukturen einzusetzen, wo er mehr Performance pro Watt biete. STMicroelectronics gab an, eine offensive Roadmap zu haben unter den ersten sein zu wollen, die mit Produkten auf Basis des Cortex-A50-Prozessors auf den Markt kommen.
Jetzt hat sich Freescale ebenfalls aus der Deckung gewagt und ein Langzeit-Lizenzabkommen mit ARM geschlossen, das auch den Cortex-A50-Core umfasst. Der Hersteller will den 64-Bit-Core in zukünftigen Versionen seiner »i.MX«- und »QorIQ«-Prozessoren einsetzen. Vor allem für die letztere Produktfamilie ist dies bemerkenswert, setzte Freescale hier doch bisher auf die hauseigene »Power«-Architektur. Bei der Vorstellung des Abkommens ging Freescale ausführlich auf die Unterschiede des schnelleren Cortex-A57 und des energieoptimierten Cortex-A53 ein und strich heraus, dass sich beide Ansätze auch in einer »big.Little«-Konfiguration einsetzen lassen, also zusammen auf einem Chip mit der Möglichkeit, die Rechenlast übergangslos dem jeweils passenden Prozessor zuzuweisen.
Große Ankündigungen, denen nun Taten folgen müssen. Mit den ersten Chips auf Basis der Cortex-A50-Cores ist laut Aussagen von ARM allerdings nicht vor 2014 zu rechnen. Und erst wenn die Testchips von STMicroelectronics, Freescale und Co. vorliegen, wird sich zeigen, ob Intel wirklich unter Druck gerät.