Freescale Technology Forum: Zweite Generation von Kinetis-MCUs bringt höhere Energieeffizienz und Integration

Mit Kinetis-L startet Freescale einen Angriff auf 8- und 16-bit-Mikrocontroller.

Auf seiner Entwicklerkonferenz FTF hat der amerikanische Chip-Hersteller Freescale die zweite Generation seiner ARM-Cortex-M4-basierten Kinetis-K-Mikrocontroller vorgestellt. Neben fertigungsbedingten Energieeinsparungen gibt es auch drei Produktfamilien mit USB, die keine externen Quarze und Oszillatoren mehr brauchen.

Die Geschichte der Kinetis-Mikrocontroller begann im Jahr 2010, als der damalige CEO Rich Beyer auf dem FTF seinerzeit noch in Orlando, Florida, eine neue MCU-Familie mit ARMs Cortex-M4-Core ankündigte. Bis dahin setzte Freescale auf eine proprietäre CPU-Architektur in seinen ColdFire-Chips.

Der damals für das MCU-Geschäft verantwortliche Manager Dr. Reza Kazerounian brauchte 18 Monate, um tatsächlich Chips zu liefern und wurde nach der Amtsübernahme von CEO Gregg Lowe im Jahr 2012 durch den NXP-Manager Geoff Lees ersetzt, der von nun an das MCU-Geschäft leitete.

Lees, bei NXP als der „ARM-only-Man“ bekannt, schaffte es in weniger als 2 Jahren, bis jetzt 900 Kinetis-Derivate vom Ultra-Low-Power-Chip mit ARM Cortex-M0+ bis zum 150-MHz-Kinetis mit Cortex-M4 auf die Beine zu stellen, eine Leistung, die auch bei der Konkurrenz große Anerkennung fand.

Mit dem heutigen Tag wurden neue Familien mit den Bezeichnungen K11, K12, K21, K22, K24, K63 und K64 vorgestellt. Bis auf K11 und K12 sind alle anderen Familien mit USB-Schnittstelle ausgestattet, bei denen sich K24, K63 und K64 durch die Errungenschaft auszeichnen, für den USB-Betrieb bei voller Geschwindigkeit kein externes Quarz oder Oszillator mehr zu benötigen. Dadurch verringern sich die logischerweise Systemkosten.

Um dies zu realisieren, wurden die MCUs mit einem 48-MHz-Referenztaktgeber (IRC) und einem USB-Recovery-Schaltkreis ausgestattet. Ein USBOTG-Modul benötigt einen 48-MHz-Takt, der vom IRC geliefert wird. Dieser ist zwar fertigungstechnisch auf eine Frequenz von 48 MHz eingestellt, leider ist fertigungsbedingt eine Abweichung von +/-1,5 % möglich, was für einen USB-Betrieb zu viel ist. Hier kommt dann der Recovery-Schaltkreis ins Spiel.

Dieser überwacht ungefähr jede Millisekunde die sogenannten Start-of-Frame-Pakete (SOF), die vom USB-Host gesendet werden. Der Schaltkreis vergleicht die erwartete Ankunftszeit des SOF mit der tatsächlichen Ankunftszeit. Der Unterschied zwischen beiden Werten wird dafür benutzt, um die Frequenz des IRC dynamisch anzupassen. Damit ist selbst mit einem IRC, der ohne diese Anpassungsmöglichkeit für den USB-Betrieb völlig ungeeignet wäre, eine korrekte Operation möglich.

Sämtliche neuen Kinetis-MCUs sind zudem durch Veränderung in der Fertigung und vor allen Dingen im Design z.B. beim Flash-Speicher, Power-Management etc. deutlich energieeffizienter als ihre Vorgänger.  Dazu nahmen 4 Design-Teams in Austin und China alle Elemente von "Kinetis-alt" genau unter die Lupe und ließen quasi keines unverändert. Die Tabelle zeigt als Beispiel den Vergleich eines Kinetis K60 (alt) und eines Kinetis K63 (neu), beide getaktet mit 120 MHz. Es gibt beim K63 nicht nur drei neue Energiesparmodi, die Absolutwerte in identischen Betriebsmodi sind z.T. dramatisch gesunken – so beträgt die maximale Stromaufname im aktiven Modus mit abgeschalteter Peripherie und Codeausführung aus dem Flash-Speicher nur noch rund ein Viertel des Wertes der Vorgängergeneration (42,2 mA gegenüber 160 mA).

Ein Vergleich mit ST Microelectronics' STM32F103/105 und STMF3 zeigt 50% weniger Leistungsaufnahme und 15% weniger als STM32F401 und Atmel SAMG.

Energiesparmodi mit Speichererhalt zeigen 5 bis 50x weniger Leistungsaufnahme als STM32F und 3x weniger als Atmel SAM5G. Im untersten Energiesparmodus, bei dem Kinetis jetzt je nach Derivat auf bis zu 150nA runter kommt, liegt man rund 10x unter STM32F.

Da die Kinetis-MCUs primär über die Distribution vertrieben werden, ist eine gute Software-Unterstützung unerlässlich. Das neue Kinetis Software Development Kit (SDK) ist eine ganzheitliche Softwarelandschaft für die Applikationsentwicklung mit Kinetis-MCUs -- diese wird anfänglich nur für die MCUs der Kinetis K-Baureihe zur Verfügung stehen, soll aber künftig das gesamte Portfolio abdecken. Das SDK beinhaltet Hardware Abstraction Layer, RTOS-Adapter, Peripherietreiber, Bibliotheken, Middleware, Utilities und Anwendungsbeispiele.

Dazu gibt es eine neue mbed-basierte FRDM-K64F Freescale Freedom Entwicklungsplattform, die mit der Arduino Hardware-Landschaft kompatibel ist und die Freescale Processor Expert Software, mit deren Hilfe sich Software und Treiber für Freescale Mikrocontroller realisieren, konfigurieren und generieren lassen.

Last but not least gibt es auch eine Bootloader-Software für Kinetis-MCUs, die eine Programmierung des Flashspeichers im System über eine serielle Schnittstelle ermöglicht und Lösch-, Programmier- und Verifikationsfunktionen mitbringt.

Dazu können Freescales Kunden natürlich auch auf Tools von anderen Herstellern wie ARM zurückgreifen.

Mit der 2. Generation der Kinetis-MCUs ist Freescale ein großer Schritt nach vorne gelungen – nachdem das MCU-Geschäft schon 2013 um 17 % gegenüber dem Vorjahr gewachsen ist, dürfte Geoff Lees und seinen Leuten auch ein erfolgreiches Jahr 2014 bevorstehen.