Neue 8-bit-Controller für Embedded-Anwendungen Allgegenwärtige Rechenzwerge

Die 8-bit-Controller dominieren mit einem Umsatzanteil von gut über 40 % auch heute noch das Segment der Mikrocontroller, vor ihren 16-, 32- und 64-bit-Geschwistern. Auch technisch brauchen sie sich nicht zu verstecken, sind sie doch in vielen Applikationen die kostenoptimale Lösung. Im Trend liegen 8-bit-Controller mit Flash-Speicher, umfangreichen Peripheriemodulen, gesteigerten Rechenleistungen und niedriger Leistungsaufnahme.

Neue 8-bit-Controller für Embedded-Anwendungen

Die 8-bit-Controller dominieren mit einem Umsatzanteil von gut über 40 % auch heute noch das Segment der Mikrocontroller, vor ihren 16-, 32- und 64-bit-Geschwistern. Auch technisch brauchen sie sich nicht zu verstecken, sind sie doch in vielen Applikationen die kostenoptimale Lösung. Im Trend liegen 8-bit-Controller mit Flash-Speicher, umfangreichen Peripheriemodulen, gesteigerten Rechenleistungen und niedriger Leistungsaufnahme.

Das in El Segundo/Kalifornien beheimatete Marktforschungsunternehmen iSuppli bezifferte den weltweiten Gesamtmarkt für 8-bit-Controller in 2002 mit 4,790 Mrd. Dollar. Verglichen mit den Vorjahresumsätzen von 5,368 Mrd. Dollar ist dieses Marktsegment damit um 10,8 % geschrumpft. Bei einem weltweiten Gesamt-Controllermarkt (4, 8, 16, 32, 64 bit) mit Umsätzen von 11,0 Mrd. Dollar, der gegenüber dem Vorjahr lediglich um 0,7 % nachgegeben hat, hat das 8-bit-Segment also massiv eingebüßt. Weitgehend beständig blieb das 16-bit-Segment, während die 32-bit-Architekturen um 40 % zulegen konnten. Dennoch blieb das 8-bit-Segment mit erheblichem Abstand das umsatzstärkste; betrachtet man die ausgelieferten Stückzahlen, dann vergrößert sich aufgrund des niedrigeren Preises der 8-bit-Controller der Abstand noch weiter. Die Tabelle gibt einen Überblick über die Größen der 8-bit-Welt.

Nicht nur von der Marktbedeutung her, sondern auch technisch sind moderne 8-bit-Controller nicht zu unterschätzen: Sie verfügen über Flash-Speicherbereiche mit bis zu 128 Kbyte (Atmel: Mega AVR), lassen sich teils mit bis zu 50 MHz takten (Zilog: eZ80Acclaim!) und begnügen sich – dank Power-Management – mit wenig Energie (Microchip: nanoWatt Technology).

Motorola und Microchip an der Spitze

Marktführer bei 8-bit-Controllern ist seit Jahren Motorola mit den drei Familien M68HC05, -08 und -11. Die gegenwärtige 8-bit-Roadmap des Unternehmens zeigt jedoch nur noch die HC08-Familie mit neuen Derivaten. Die auf die C-Programmierung optimierte HC08-CPU ist vollständig abwärtskompatibel zur HC05-CPU, bringt jedoch eine höhere Rechenleistung. Die minimale Befehlszykluszeit liegt bei 125 ns. Die HC08-CPU verfügt über einen 16-bit-Stack-Pointer, 16-bit-Index-Register und Befehle für eine schnelle 8-bit-Multiplikation und -Division sowie eine verbesserte Schleifenverwaltung. Speicher-zu-Speicher-Transfers lassen sich ohne Beteiligung des Akkumulators durchführen. Nicht weniger als 13 Unterfamilien listet die aktuelle Roadmap auf. Zu den Highlights gehören Derivate mit bis zu 60 Kbyte Flash-Speicher mit CAN-, LIN- oder USB-Schnittstellen sowie Display-Treibern.

Vom vierten auf den zweiten Rang vorgerückt ist Microchip Technology aus Chandler/Arizona. Die neueste Entwicklung des Unternehmens sind die leistungsgesteuerten Mikrocontroller der 8-bit-PIC-Familie, die sich durch ein aufwendiges Power-Management (nanoWatt Technology) auszeichnen (Bild 1). Die Derivate aus der PIC16F-Baureihe verfügen über bis zu 7 Kbyte Flash-Speicher – realisiert in Microchips eigener PEEC-Technologie (Programmable Electrically Erasable Cell), über bis zu 368 byte RAM, 256 byte EEPROM, einen internen Multifrequenzoszillator (bis 8 MHz) und einen 10-bit-A/D-Umsetzer mit sieben Kanälen, ein Capture/Compare/PWM-Modul, zwei Komparatoren, eine USART, sychrone serielle Schnittstellen (SPI, I2C) sowie ein 16-stufiges Modul zur Unterspannungserkennung. Im Ruhezustand nimmt der Controller einen Strom von weniger als 1 µA auf und arbeitet mit einer Betriebsspannung von 2 bis 5,5 V.

Japaner setzen auf High-End im 8-bit-Segment

Von Microchip auf den dritten Rang verdrängt wurde die japanische NEC mit ihrer bekannten 78K-Mikrocontrollerfamilie. Der neue 100-Pin-Baustein µPD78F0354 mit integriertem LCD-Controller und -Treiber ist eher am oberen Ende der 8-Bitter angesiedelt (Bild 2). Bis zu 160 Segmente lassen sich mit ihm ansteuern, was ihn für Anwendungen mit Bedienfeldern, z.B. im Haushalt, Automobil oder auch in der Industrie, prädestiniert. Neben dem LCD-Controller und -Treiber verfügt der µPD78F0354 über einen integrierten Spannungsverstärker, der ein externes LC-Display mit einer temperaturkompensierten, betriebsspannungsunabhängigen Versorgungsspannung versorgt. Der Betriebsspannungsbereich reicht von 1,8 bis 5,5 V. Die CPU basiert auf dem 8-bit-78K0-Kern von NEC, wobei die minimale Befehlszykluszeit bei 200 ns liegt. Die Peripherie umfasst einen achtkanaligen 8- oder 10-bit-A/D-Umsetzer, eine optionale I2C-Schnittstelle, eine Timer-Einheit mit 16-bit-Timer, vier 8-bit-Timern mit PWM-Ausgang und einem Watchdog sowie 66 Mehrzweck-I/Os und eine UART. Der Programmspeicher ist wahlweise als Flash- oder ROM-Version 24 oder 32 Kbyte groß, das RAM umfasst einheitlich 1024 byte.

Ganz auf Flash setzt die Nummer 4 Toshiba bei seinen „Hochgeschwindigkeits“-8-bit-Mikrocontrollern der TMP86-Familie. Diese Familie basiert auf dem mit 16 MHz getakteten 8-bit-Core TLCS-870. Von dem 32 Kbyte großen Flash-Speicher für Programme wurden 512 byte für Daten reserviert. Der eigentliche Datenspeicher aber ist ein 2 Kbyte großes RAM. Neben üblichen Peripherie-Einheiten wie Watchdog, mehreren Timern und seriellen Schnittstellen (UART, I2C etc.) haben die Entwickler einen LED-Treiber sowie einen 16-Kanal-A/D-Umsetzer spendiert. Die Leistungsaufnahme reduziert ein Power-Management mit mehreren Betriebsarten. Bei einer Taktfrequenz von 8 MHz ist eine Versorgungsspannung zwischen 1,8 und 3,6 V, bei 16 MHz zwischen 2,7 und 3,6 V erforderlich. Der Volumenpreis des TMP86FM48U/F liegt um die 2,5 Dollar.

Auf Platz 5 der Rangfolge des Jahres 2002 fand sich Mitsubishi, die dank der Fusion mit Hitachi (Platz 7) zu Renesas Technology im laufenden Jahr wohl auf Platz 2 vorrücken dürften. Im 8-bit-Segment bietet Renesas nun gleich sieben Familien an. Die Familien 7600, 38000, 74xx und 7200 steuerte Mitsubishi zur Hochzeit bei, von Hitachi kommen die H8-Familien H8/300, H8/300L und H8/Super Low Power. Mit diesen Familien deckt Renesas das gesamte Leistungsspektrum für 8-Bitter ab und bietet zahlreiche Derivate für unterschiedlichste Anwendungen. Interessant dürfte werden, ob das Unternehmen sich weiterhin diese Breite leisten wird oder versucht, einige Familien in Zukunft zusammenzuführen.

Als Mikrocontroller-Anbieter weniger bekannt ist Matsushita Electric auf Platz 6. Die 8-bit-Controller-Linie der Halbleitersparte des Unterhaltungselektronikkonzerns heißt MN101 und wurde auf die Programmierung in C zugeschnitten. Während die klassische MN101C-Baureihe mit minimalen Befehlszykluszeiten von 100 ns arbeitet, führt die neuere MN101D-Serie Befehle in nur 62,5 ns aus. Die D-Serie verfügt darüber hinaus über verbesserte Multiplikations- (zwei 16-bit-Operanden) und Divisions-Funktionen (32-bit-Operand dividiert durch 16-bit-Operand). Beiden Baureihen gemeinsam ist eine Betriebsspannung von 3 oder 5 V. Für speicherhungrige Anwendungen gibt es die MN101E-Baureihe, die mit einem linearen Adressraum von 1 Mbyte aufwartet.

Der erste Europäer in der Rangliste ist Philips Semiconductors auf Platz 8. Die Holländer setzen auf die weit verbreitete 8051-Architektur, die sie um neue Mikrocontrollerfamilien mit gesteigerter Rechenleistung erweitert haben. Im Gegensatz zu den klassischen 8051ern führt der verbesserte Rechenkern die meisten Befehle in zwei bis vier Taktzyklen aus, das entspricht der sechsfachen Geschwindigkeit. Typischerweise arbeitet der schnelle 8051-Kern mit Taktfrequenzen von 12 MHz und Befehlszykluszeiten zwischen 167 und 333 ns, mit Ausnahme der Multiplikationen und Divisionen. Der Baustein P89LPC932 auf Basis des verbesserten Kerns zeigt exemplarisch den Stand der Technik (Bild 3): Der Mikrocontroller verfügt über 8 Kbyte Flash-Speicher, 512 byte Daten-EEPROM, 256 byte Daten-RAM sowie 512 byte Auxiliary RAM. Die Peripherie umfasst eine Vielzahl von Schnittstellen (UART, I2C, SPI, vier Ports mit konfigurierbaren I/Os), eine Capture/Compare-Einheit, Analogkomparatoren sowie eine eigene Takterzeugung und verschiedene Timer (Echtzeituhr, Timer, Watchdog).

Auf Platz 9 findet sich Fujitsu Microelectronics, deren 8-bit-Baureihe die Bezeichnung MB89xxx trägt. Die 8-bit-CPU arbeitet mit sieben 16-bit-Registern und maximal 32 Registerbänken zu je acht 8-bit-Registern, die sich bei Context-Switches als vorteilhaft erweisen. Im Kern verrichten zwei 16-bit-Akkumulatoren mit einer so genannten A/T-Architektur (Accumulator/Temporary Accumulator) ihren Dienst. Der Befehlssatz unterstützt Bitmanipulationen sowie Multiplikation und Division. Für Programm und Daten steht ein Adressraum von 64 Kbyte zur Verfügung. Verschiedene Energiesparmodi erleichtern die Entwicklung batteriebetriebener Geräte. Die zahlreichen Derivate bieten verschiedene Peripheriemodulkombinationen, die Timer, diverse Schnittstellenstan-dards, A/D-Umsetzer, LCD-Controller etc. umfassen.

Letzter unter den Top 10 ist der US-Hersteller Atmel, der im 8-bit-Segment zweigleisig fährt: Auf der einen Seite steht die 8-bit-RISC-Baureihe AVR, die ursprünglich ein norwegisches Design-Haus entwickelt hat, auf der anderen stehen die 8051-kompatiblen Mikrocontroller. Die RISC-Familie AVR bietet dadurch, dass pro Taktzyklus ein Befehl abgearbeitet wird, typischerweise eine höhere Rechenleistung als die 8051-Derivate. Ein neues Derivat der AVR-Familie ist der ATmega169, ein mit 16 MHz getakteter RISC-Kern, der eine Rechenleistung bis zu 16 MIPS liefert. Die meisten der 130 Befehle werden innerhalb eines Taktzyklus ausgeführt, für eine Multiplikation sind zwei fällig. Auf dem Chip sind 16 Kbyte Flash-Speicher mit optional sperrbarem Bootblock für Programme und 512 Kbyte EEPROM sowie 1 Kbyte SRAM für Daten untergebracht. Die Peripherie bietet neben Standardfunktionen, wie Timer, Mehrzweck-I/Os und serielle Schnittstellen, auch einen 10-bit-8-Kanal-A/D-Umsetzer sowie einen LCD-Controller/-Treiber für 4 x 25 Segmente. Für eine sparsame Leistungsaufnahme sorgen fünf Power-Management-Betriebsarten. Atmel bietet darüber hinaus drei Versorgungsspannungsbereiche an: von 1,8 V, 2,7 V und 4,5 V bis jeweils 5,5 V. Flash-Speicher und applikationsspezifische Schnittstellen setzen den Trend bei den 8051ern von Atmel. Das Spektrum der Derivate reicht von Vertretern mit 64 Kbyte Flash-Speicher bis hin zu anwendungsspezifischen Bausteinen mit USB- oder CAN-Schnittstelle. Darüber hinaus gibt auch einen 8051-Mikrocontroller mit eingebautem MP3-Decoder oder einen 8051er als Mini-Web-Server. Ein gutes Beispiel für den aktuellen Stand der Technik bei den 8051-Derivaten sind die Flash-Mikrocontroller AT89C513x (Bild 4) mit USB-2.0-Schnittstelle und 32 bzw. 64 Kbyte Flash-Speicher. Neben dem leistungsgesteigerten 80C52X2-Kern (6 Takt-zyklen/Befehl) haben die Entwickler 4 Kbyte EEPROM und 1 Kbyte RAM spendiert. Die umfangreiche Peripherie bietet neben Standardmerkmalen eine Schnittstelle für verschiedene Massenspeicher (DIE/ATAPI, CompactFlash, MMC etc.), einen Taster-Eingang sowie vier LED-Ausgänge mit Treiber.

Infineon Technologies (Platz 13) setzt im 8-bit-Segment ebenfalls auf die Standard-Architektur 8051. Neben der älteren C500-Baureihe hat das Unternehmen die C800-Familie aufgelegt, die mit einem 8-bit-Kern arbeitet, der zwar vollständig kompatibel zum 8051-Befehlssatz ist, aber Befehlssatzerweiterungen wie z.B. acht Datenzeiger bietet. Mit einer Taktfrequenz von 40 MHz ergibt sich für den leistungsgesteigerten Kern eine Befehlszykluszeit unter 300 ns. Ein prominenter Vertreter ist der C868 für Motorsteuerungsanwendungen. An Speichern gibt es wahlweise 8 Kbyte ROM oder RAM für Programme, 4 Kbyte Boot-ROM, 256 byte Daten-RAM sowie 256 byte XRAM. Eine Flash-Variante fehlt im Sortiment. Eine Besonderheit des C868 ist die leistungsfähige Capture-/Compare-PWM-Einheit (CAPCOM6E), mit der sich dank ihrer niedrigen Auflösung von 25 ns anspruchsvolle Motorsteuerungen ohne CPU-Belastung realisieren lassen (Bild 5).

STMicroelectronics (Platz 15) hat seit der Übernahme von WSI neben seinen eigenen 8-bit-Mikrocontrollerfamilien ST6 und ST7 nun auch 8051-Bausteine im Programm. Die µPSD-Familie (Bild 6) basiert auf einem mit 40 MHz getakteten 8032-Kern (12 Zyklen/Befehl) mit 32 Kbyte SRAM und zwei Flash-Speicherbänken – eine mit 256 Kbyte, die andere mit 32 Kbyte, die gleichzeitige Lese- und Schreibzugriffe erlauben. Außergewöhnlich sind die 3000 programmierbaren Logikgatter, aufgeteilt in 16 Makrozellen. Die Peripherie umfasst darüber hinaus zwei UARTs, fünf 8-bit-PWM-Einheiten, vier 8-bit-A/D-Umsetzerkanäle, eine I2C-Schnittstelle sowie 46 Mehrzweck-I/Os. Für die interne Speicherverwaltung ist eine programmierbare Decoderlogik zuständig, die den einzelnen Flash-Bänken und den SRAM-Segmenten beliebige Adressen zuweisen kann.

Was man alles aus einer 8-bit-Architektur herausholen kann, zeigt der Prozessor-Pionier Zilog mit seiner eZ80Acclaim!-Familie (Bild 7).

Die mit 50 MHz getaktete 8-bit-CPU eZ80 läuft im Z80-kompatiblen Modus mit einem Adressraum von 64 Kbyte oder im erweiterten Adressierungsmodus, der bis zu 16 Mbyte ansprechen kann. Zwei Registerbänke ermöglichen schnelle Kontext-Umschaltungen. Für Programme stehen 256 Kbyte und für Konfigurationsdaten 512 byte Flash-Speicher zur Verfügung. Der Datenspeicher umfasst 8 Kbyte. Die umfangreichen Schnittstellen verraten das Anwendungsgebiet: die Vernetzung. Eine echte Besonderheit ist der integrierte Ethernet Media Access Controller für 10/100-BaseT mit eigenem, 8 Kbyte großem Frame-Buffer. Doch darüber hinaus gibt es auch zwei UARTs, einen IrDA-Encoder/Decoder sowie eine I2C-Schnittstelle und eine SPI. Der relativ komplexe Baustein sitzt in einem 144-Pin-LQFP, arbeitet mit einer Betriebsspannung von 3,0 bis 3,6 V und besitzt 5-V-tolerante Eingänge.

Literatur