Ultra-Low-Power neu definiert TIs MSP432-Mikrocontroller mit ARM Cortex-M4

Höchster zertifizierter ULPBench-Wert aller 8-, 16- und 32-bit-Mikrocontroller

Das Ergebnis aller Bemühungen: Ein ULPBench-Wert jenseits von Gut und Böse

All die beschriebenen Maßnahmen wirken sich natürlich auf den ULPBench genannten Benchmark von EEMBC aus, der den Energieverbrauch in aktivem und Energiesparmodus von CPU und Speichersystem misst. Der MSP432 kommt auf einen Wert von 167,4 - den mit Abstand höchste von EEMBC zertifizierte Wert aller bislang gemessenen Mikrocontroller inklusive aller ARM-Derivate (mit Cortex-M0+, Cortex-M0, Cortex-M3 und Cortex-M4 von ST Microelectronics, Freescale u.a.), TIs eigener 16-bit-MCU MSP430 mit FRAM(!) und sogar 8-bit-Controllern von Atmel, Microchip und Renesas. Lediglich Atmels SAML21J18A mit Cortex-M0+ kommt mit 185,8 auf einen noch höheren Wert, allerdings ist dieser (noch) nicht von EEMBC zertifiziert worden.

Das Problem des ULPBench und damit die Frage nach der Aussagekraft des Benchmark-Wertes ist jedoch, dass Peripherieelemente, die wesentlich zur Gesamtleistungsaufnahme eines Mikrocontrollers beitragen, überhaupt nicht berücksichtigt werden. So könnte theoretisch eine MCU einen hervorragenden ULPBench-Wert haben, in der Realität jedoch z.B. durch energiefressende Analog-IP (A/D-Wandler, Komparatoren u.a.) alles andere als "Low-Power" liefern.

Wenn man die Energieeffizienz des MSP432 und MSP430 im aktiven Modus in Rechenleistung/Stromaufnahme vergleicht, ist das Ergebnis noch eindeutiger: 3,41 CoreMark/160 µA =  21,3 CoreMark/mA im Worst Case (LDO-Betrieb) für den MSP432 stehen lediglich 1,11 CoreMark/330 µA = 3,36 CoreMark/mA für den MSP430F5529 gegenüber, das ist rund 6x weniger !

TI hat aus Sicht des Programmierers (Registerbelegung) die stromsparende Peripherie-IP im Wesentlichen vom MSP430 übernommen (Bild), wobei der A/D-Wandler nochmal verbessert wurde. Der 14-bit-SAR-Wandler (statt 12 bit) bietet mit 1 MSAMPLES/s nicht nur die die fünffache Abtastrate der schnellsten MSP430-MCU, sondern auch 13,2 ENOBs (effektive Zahl von Bits) und 32 Kanäle für parallele Abtastungen sowie mit 375 μA bei höchster Abtastrate eine extrem geringe Stromaufnahme. Zum Vergleich: Der 12-bit-Wandler des MSP430 ist mit 650 μA angegeben.

Ein Nebeneffekt der identischen Peripherie von MSP430 und MSP432 ist natürlich, dass sich Code vom MSP430 vergleichsweise einfach portieren lässt - mit Hilfe des sogenannten "Porting Guide" von TI konnten wir ein sauber geschriebenes C-Programm in nur 15 Minuten auf dem MSP432 lauffähig machen.

Ansonsten ist noch der Dual-Bank-Flash-Speicher zu erwähnen, der gleichzeitige Codeausführung aus einer Bank und gleichzeitiges Löschen der anderen z.B. für ein Firmware-Update ermöglicht. Man kann auch sogenannte "sichere Speicherbereiche" definieren, die gegen Zugriffe von Außen geschützt sind.

Fazit

Der MSP432 setzt einen neuen "Low Power"-Maßstab bei Ultra-Low-Power-Mikrocontrollern mit Cortex-M4, als ernsthafte Konkurrenz verbleibt der STM32L4 von ST Microelectronics, der ebenfalls mit ARMs Cortex-M4 und 112 μA/MHz ebenfalls sehr anständige Werte abliefert und zudem sieben Energiesparmodi sowie eine maximale Taktfrequenz von 80 MHz aufweist. Zudem weist der STM32L4 USB-, CAN- und LCD-Peripherie auf. Dafür bietet er maximal 1 MB Flash-Speicher und "nur" 12-bit-A/D-Wandler, die allerdings mit 200 μA/MSAMPLE sehr energiesparend sind und eine Abtastrate von maximal 5 MSAMPLES/s aufweisen. Atmels SAML21J18A mit ARM Cortex-M0+ liefert einen - allerdings noch ungeprüften - höheren Wert beim ULPBench, kann aber natürlich mit der Rechenleistung weder mit MSP432 noch mit STM32L4 mithalten. Dazu bietet er maximal 256 KB Flash-Speicher und 32 KB SRAM.

Was kann man kritisches anmerken? Die I/Os vertragen keine 5 V, die UART-Baudraten sind für eine Cortex-M4-MCU eher bescheiden, und die Auflösung des PWM-Timers "Timer_A" ist mit 12 MHz (1,2 V Core-Spannung) bzw. 24 MHz (1,4 V Core-Spannung) im Vergleich zur Konkurrenz fast schon schlecht. Die Frage ist natürlich, wie relevant sind diese Erkenntnisse bei die MSP432-Zielapplikationen sind. Bislang wurden auch keine CMSIS-Header angekündigt, was ggf. auch den einen oder anderen Entwickler stören dürfte.

Dafür gibt es gleich drei Echtzeitbetriebssysteme (FreeRTOS, Micrium µC/OS sowie TIs eigenes RTOS) und ein Evaluierungsboard zum Spottpreis: 12,99 Dollar kostet das sogeannte "MSP432P401R LaunchPad".

Texas Instruments will nach eigenen Angaben mit den "tollen" MSP430 weitermachen. Warum die Kunden das genauso sehen sollten, bleibt angesichts der einfachen Code-Portierung, den in allen Belangen überlegenen Werten des MSP432 und dem riesigen ARM-Ecosystem, an dem jetzt endlich auch MSP-Kunden partizipieren können, jedoch zumindest aus technischer Sicht TIs Geheimnis - einmal abgesehen von den FRAM-Derivaten und Flash-MCUs mit extrem kleinem Flash-Speicher unterhalb von 64 KB, die sicherlich auch zukünftig schon wegen geringeren Preisen ihre Bedeutung behalten werden. Warum jedoch ein Kunde, der 64 KB oder mehr Flash benötigt, zukünftig noch MSP430 kaufen sollte, sei einmal dahingestellt - allein durch diese Fragestellung sind potentiell hunderte existierende MSP430-Derivate betroffen.

Mit 2,15 Dollar Startpreis bei einer Abnahme von 1.000 Stück ist der MSP432 auch nicht wirklich teuer. Dafür bekommt man in der Flash-basierten MSP430-Familie z.B. einen MSP430F2254 mit 16 KB Flash, 512 Byte RAM, einen 10-bit-A/D-Wandler, keine AES-Engine und keinen Komparator, von den DSP- und Gleitkomma-Instruktionen des Cortex-M4 ganz zu schweigen - der deutlich größere Siliziumchip dank 180-nm-Fertigung lässt preislich eben grüßen.

Dass TI mit dem MSP432 seine eigene MSP430-Familie angreifen will, geht schon aus dem Datenblatt hervor: Als Ziel-Anwendungen für den MSP432 werden neben Rauchmeldern, Home-Automation, Barcode-Scannern auch Strommesser, Durchflussmesser, Fitness-Tracker und Blutzuckermessgeräte genannt - also genau die Applikationen, für welche TI bislang des MSP430 vermarktet hat.

Im Elektronik-Interview hatte Freescales Industrie-Chef Stefan Dosch kürzlich erklärt, dass Freescale mit seinen ARM-basierten Low-Power-MCUs bereits viele MSP430-Design gewonnen hätte, da in der Industrie "ARM nun erste Wahl sei". Der MSP432 hat das Potential, diesen Trend "weg von MSP" nicht nur zu stoppen, sondern sogar umzukehren.

Freescale, Silicon Labs, NXP und ST Microelectronics, mit ihren ARM-Controllern bis gestern noch MSP430-Jäger, werden nun auf einmal selbst zu Gejagten. Gleiches gilt auch für Renesas und Microchip. Sind die Krisensitzungen nach dem Launch des CC2650 gerade beendet, müssen die MCU-Manager nun erneut tagen. Zu beneiden sind sie nicht.