Arm TechCon 2019 Renesas: Neue RA-MCU-Familie mit Arm Cortex-M-CPUs für das IoT

Bild 2. Bisher wurden Verbrauchszähler für Trinkwasser meinst rein mechanisch aufgebaut.
Für intelligente IoT-Anwendungen wie z.B. Smart-Meter wurde Renesas' neue RA-Mikrocontroller-Familie entwickelt.

Für intelligente IoT-Anwendungen hat der japanische Chip-Hersteller Renesas eine neue MCU-Familie mit der Bezeichnung RA (Renesas Advanced) entwickelt. Im Fokus steht das Thema Security, das durch umfassende Secure-Crypto-Engines adressiert wird.

RA-MCUs bieten laut Renesas‘ Marketingfolien „die ultimative Kombination aus optimierter Leistung, Sicherheit, Konnektivität, peripherer IP und einfach zu bedienendem Flexible Software Package (FSP) für die nächste Generation von Embedded-Lösungen“. Das Design mit RA-MCUs soll es Embedded-Ingenieuren leicht machen, Internet of Things (IoT)-Endpunkt- und Edge-Geräte für Industrie- und Gebäudeautomations-, Mess-, Gesundheits- und Haushaltsgeräteanwendungen zu entwickeln, also allesamt Anwendungen, bei denen schon durch Regulierungsbehörden und auch natürlich durch den Wettbewerb Security-Eigenschaften zwingend erforderlich sind.

Kommen wir zu den Fakten. Die RA-Familie ist nach Arm Platform Security Architecture (PSA) Level 1 zertifiziert und umfasst die RA2-Serie (bis zu 60 MHz), RA4-Serie (bis zu 100 MHz), RA6-Serie (bis zu 200 MHz) und die Dual-Core-RA8-Serie, die erst zu einem späteren Zeitpunkt verfügbar sein wird. Die ersten fünf heute verfügbaren RA-MCU-Gruppen bestehen aus 32 skalierbaren Universal-MCUs mit Arm Cortex-M4- und Cortex-M23-CPUs. Sie verfügen über eine Pinzahl von 32 Pins bis 176 Pins, 256 KB bis 2 MB Code Flash Speicher, 32 KB bis 640 KB SRAM und Konnektivität wie USB, CAN und Ethernet. Dank der Funktions- und Pin-Kompatibilität ist die Skalierung innerhalb der RA-Familie wohl tatsächlich vergleichsweise einfach. Es gibt zwei Temperaturbereiche von -40°C bis +85°C und von -40°C bis +105°C.

Die fünf RA2A1-MCUs werden in Renesas proprietären 130-nm-Prozess gefertigt und basieren auf Arms Cortex-M23-CPU, welche mit 48 MHz getaktet wird. Die optional verfügbare TrustZone-Technologie für die Trennung von sicheren und nicht sicheren Bereichen ist nicht implementiert. Geliefert in 32-64 Pin-Packages wurden 256 KB MONOS-Flash-Speicher und 32 KB SRAM implementiert, dazu an Peripherie kapazitives Touch-Sensing, USB Full-Speed, ein 24-Bit A/D-Wandler, ein 16-Bit A/D-Wandler sowie eine CAN-Schnittstelle.

Die ebenfalls in 130 nm gefertigten sieben RA4M1-MCUs basieren auf einem ebenfalls mit 48 MHz getakteten Arm Cortex-M4, den Renesas dem Cortex-M33 für eine schnellere Marktverfügbarkeit und wegen eines geringeren Preises vorgezogen hat. TrustZone gibt es bei dem Cortex-M4 nicht.  Gehäuse gibt es mit 40-100 Pin-Packages, dazu 256 KB Monos-Flash-Speicher und 32 KB SRAM, einen LCD-Controller, kapazitives Touch-Sensing, USB Full-Speed, einen 14-Bit A/D-Wandler und Renesas‘ sogenannte Secure Crypto Engine 5, die später noch detaillierter beschrieben wird. Sie sollen drahtlose Sensorik adressieren, haben jedoch selbst keine Wireless-Konnektivität auf dem Chip. Laut Renesas soll es zu einem späteren Zeitpunkt Controller mit integrierter HF-Funktionalität geben.

Die vier RA6M1-MCUs werden bei TSMC in 40 nm gefertigt und takten ihre Cortex-M4 mit 120 MHz. Sie kommen in 64-100 Pin-Packages mit 512 KB Monos-Flash-Speicher und 256 KB SRAM, kapazitiver Touch-Sensorik, CAN, USB Full-Speed, Sicherheitsfunktionen und erweiterten analogen Funktionen. Darunter versteht Renesas neben zwei 12-bit-A/D-Wandlern mit 13 bzw. 11 Kanälen und jeweils 3 Sample-und-Hold-Gliedern einen 12-bit-D/A-Wandler, einen 3-Kanal-PGA für jeden A/D-Wandler, einen 6-Kanal-Komparator und einen Temperatursensor. Dazu gibt es die Secure Crypto Engine der Version 7, welche gegenüber der Version 5 zusätzliche Funktionen bietet, dazu später mehr.

Die sechs RA6M2-MCUs unterscheiden sich von den M1 durch ihre Gehäuse mit 100-145 Pins, dem bis zu 1 MB großen Monos-Flash-Speicher und dem 384 KB großen SRAM sowie einer zusätzlichen Ethernet-Schnittstelle.

Am High-End der RA6M-Controller finden sich 10 RA6M3 mit 100-176 Pin-Packages mit den größten Speicheroptionen (bis zu 640 KB SRAM / 2 MB Monos-Flash), sowie zusätzlich zum M1 TFT LCD-Controller, 2D-Grafik-Engine sowie USB Full-Speed und High-Speed.

Mit diesen Ausstattungen sind die RA6M-Controller insbesondere für Motor- bzw. Umrichter-Steuerungen oder auch HMIs geeignet. Exemplarisch zeigt Bild 1 das Blockdiagramm des RA6M3. Wie man sieht, sind die 640 KB SRAM in unterschiedliche Bereiche aufgeteilt, so gibt es 128 KB High-Speed-Speicher und 32 KB, der zur Fehlererkennung nicht nur ein Paritätsbit sondern auch fehlererkennende und fehlerkorrigierende Codes (ECC) beinhaltet. Der 4-Kanal-32-bit-Timer mit höchster Auflösung bewegt sich im Piko-Sekunden-Bereich und ist daher besonders für PWM-Motorsteuerungen geeignet.  

Zu einem späteren Zeitpunkt wird es auch RA6M-MCUs mit Arms neuester Errungenschaft Cortex-M33 und einer Taktfrequenz von 200 MHz geben. Der Cortex-M33 hat den Vorteil, dass er Arms Sicherheitstechnologie TrustZone implementiert, welche eine hardwareseitige Trennung zwischen sicheren und unsicheren Bereichen auf dem Chip erlaubt. Dazu wird es die Familie RA8M mit einer Dual-Core-Implementierung des Cortex-M33 und 200 MHz Taktfrequenz geben. Diese wird neben 2 MB Monos-Flash-Speicher auch 1 MB SRAM beinhalten.  Auf der Roadmap stehen Arm-PSA- und Trusted Firmware-M (TF-M) API-konforme Controller einschließlich BLE/IEEE 802.15.4-Wireless IoT-Produkten. Diese sind für IoT-Endpunkt- und Edge-Devices sowie intelligente Fabriklösungen für Industrie 4.0. wohl auch notwendig.

Das sogenannte RA 'Flexible Software Package' bietet eine offene Architektur, die es Kunden ermöglicht, ihren Legacy-Code wiederzuverwenden und mit Softwarebeispielen von Renesas und Partnern zu kombinieren, um schnell neue Funktionen zu ergänzen (Bild 2). Das FSP verfügt derzeit über Amazon FreeRTOS und wird bis Anfang 2020 auch Out-of-Box-Unterstützung für ThreadX RTOS und Middleware auf Cortex-M23 und Cortex-M33 MCUs beinhalten. Diese Out-of-Box-Optionen können einfach ersetzt und mit jedem anderen RTOS oder jeder anderen Middleware erweitert werden. Die Entwicklungsumgebung der RA-Familie bietet On-Chip-Debug, IDEs, Compiler, Support-Tools, Evaluation-Kits und Boards sowie Designdateien, Schaltpläne, PCB-Layouts und Stücklisten.

Eine echte Differenzierung zu Gusten der neuen RA-Familie stellen zweifelsfrei Renesas‘ sogenannte Secure Crypto Engines dar (Bild 3). Sie sind eine Art Sweet Spot zwischen einem Secure Element und einer Standard-MCU. Neben einer Manipulationserkennung wirkt die Bus-Schnittstelle wie eine Hardware-Firewall. Eine Zugriffsverwaltungsschaltung schaltet die Krypto-Engine ab, wenn das richtige Zugriffsprotokoll nicht eingehalten wird, und ein dediziertes RAM stellt sicher, dass Klartext-Schlüssel niemals einer CPU oder einem Peripheriebus sichtbar sind. Die Secure Crypto Engine der Version 7 bietet symmetrische (AES 128/192/256, 3DES) und asymmetrische (RSA,ECC,DSA) Ver- und Entschlüsselung, Hash-Funktionen (GHASH, SHA1, SHA2-224, SHA-256), echte Zufallszahlengenerierung (TRNG) und Schlüsselverarbeitung einschließlich Schlüsselgenerierung und MCU-individuellem Key-Wrapping. Einige Blöcke sind NIST-CAVP-zertifiziert. Die Version 5 der Engine, welche beim RA4M1 eingesetzt wird, ist eine abgespeckte Version, bei welcher mit AES und GHASH deutlich weniger Verschlüsselungsoptionen zur Verfügung stehen, zudem fehlen die NIST-Zertifizierungen. Eine Verschlüsselung mit AES liegt im Bereich von 11 Taktzyklen. Bei den Cortex-M33-basierten Produkten, die es im Jahr 2020 geben wird, kommt dann eine weitere Version 9 der Secure Crypto Engine zum Einsatz – was diese genau über die Version 7 hinausgehend können wird, konnte Renesas noch nicht sagen.

Die ersten fünf RA MCU-Unterfamilien sind ab sofort über die weltweiten Vertriebspartner von Renesas erhältlich, die Preise reichen von 2,50 USD bis 7,00 USD in 10.000 Stückzahlen.