|
32-разрядный микроконтроллер по цене 8-разрядного — миф или реальность?
Современные электронные устройства уже трудно представить без микроконтроллеров. Все чаще можно встретить схемы, которые содержат всего одну микросхему — и это именно микроконтроллер. Обычно у каждого разработчика есть свои «любимчики», и как правило, это 8-разрядные устройства. Но что делать, если производительности вашего 8-разрядного фаворита стало не хватать для новых задач? На первый взгляд, ответ прост: поскольку 32-разрядные микроконтроллеры — удовольствие дорогое, нужно взять 16-разрядный микроконтроллер. Но правильный ли этот ответ?
Компания NEC Electronics — ведущий мировой производитель 32-разрядных устройств, один из игроков мирового рынка 8-разрядных устройств и основной производитель электроники в Японии в 2000 году, сформировала концепцию развития микроконтроллеров общего назначения. Согласно этой концепции, NEC направляет основные усилия только на развитие 8- и 32-разрядных микроконтроллеров. Изначально такая политика была принята многими критиками скептически, но количество таких мнений уменьшалось день ото дня, пока верность выбранного направления не стала очевидной (см. рис. 1).
Рис. 1. Динамика продаж микропроцессоров и микроконтроллеров NEC
В чем же секрет? Тенденции развития индустрии микроконтроллеров таковы, что по мере усовершенствования полупроводниковых технологий 8- и 32-разрядные микроконтроллеры постепенно захватывают области применения, традиционно принадлежащие 16-разрядным устройствам (рис. 2).
Рис. 2. 8- и 32-разрядные микроконтроллеры конкурируют по цене и производительности с 16-разрядными
Эту тенденцию можно увидеть на примере сравнения 16-разрядного и 32-разрядного микроконтроллеров с одинаковыми объемом памяти (128 кбайт ПЗУ и 16 кбайт ОЗУ) и производительностью.
Рассматриваемый нами 16-разрядный микроконтроллер для достижения производительности 20 MIPS должен иметь тактовую частоту 40 МГц. Очевидно, что площадь, занимаемая на кристалле 16-разрядным ядром, меньше, но благодаря удачно сбалансированной структуре ядра NEC V850ES та же самая производительность может быть достигнута при существенно меньшей тактовой частоте, при этом упрощается схемотехника кристалла, и уменьшаются размеры ячеек памяти.
В результате мы получаем одинаковые по площади, а значит и по цене, кристаллы. Чем больше объем памяти, тем меньший процент площади кристалла приходится на ядро. При больших объемах памяти цена микроконтроллера перестает зависеть от используемого ядра (рис. 3).
Рис. 3. Одинаковые размеры кристаллов 32-разрядного и 16-разрядного микроконтроллера с одной и той же производительностью
Продолжим наше сравнение «одинаковых» микроконтроллеров. На котором же стоит остановиться, если их цена и производительность одинаковые? Вернемся к технологии производства полупроводниковых схем. С каждым переходом на новую проектную норму увеличивается плотность интеграции и тактовая частота, и в то же самое время уменьшается рабочее напряжение ядра микроконтроллера. Следовательно, увеличивается быстродействие чипа, уменьшается цена и энергопотребление. Но есть у этой медали и обратная сторона — вместе с ростом тактовой частоты увеличивается уровень электромагнитных шумов, а с понижением рабочего напряжения ядра понижается помехозащищенность (рис. 4).
Рис. 4. График роста уровня шумов и падения устойчивости электронных схем при переходе на новые проектные нормы
На рис. 5 приведен спектр шумов одного и того же микроконтроллера при работе на частоте 8 МГц (красный график) и 32 МГц (синий график). Из графиках видны пики, кратные соответствующей тактовой частоте. Если мы проинтегрируем во всем частотном диапазоне обе кривые, то получим одинаковую энергию для обоих шумовых сигналов. Однако энергия шумового сигнала, кратного частоте 8 МГц, сильнее «размазана» по всему спектру, в связи с чем пиковые значения шумового сигнала, соответствующие частоте 32 МГц, более чем на 10 дБ превышают пиковые значения сигнала при 8 МГц. Отсюда следует, что если мы хотим уменьшить пиковые значения шумовых сигналов, нужно применять минимально возможную тактовую частоту микроконтроллера.
Рис. 5. Спектр шумов микроконтроллера при различной тактовой частоте
Теперь становится понятно, что применение 32-разрядных микроконтроллеров вместо 16-разрядных и даже 8-разрядных—это не дань моде, а реальная возможность, во первых, улучшить характеристики электромагнитной совместимости и, во вторых, повысить помехозащищенность устройства. По прогнозам аналитиков, в 2006 году прибыли от продаж 32-разрядных микроконтроллеров в Европе превысят прибыли от продаж 8-разрядных устройств (рис. 6).
Рис. 6. Динамика продаж 8- и 32-разрядных микроконтроллеров
Как было сказано выше, NEC является ведущим мировым производителем 32-разрядных микроконтроллеров. Разработанные корпорацией 32-разрядные RISC-ядра настолько удачны, что по эффективности кода превосходят даже популярное процессорное ядро ARM (рис. 7).
Рис. 7. Сравнение эффективности кода различных процессорных платформ (сравниваются объектные коды, сформированные Си-компилятором; размер кода приведен к размеру кода ядра 78K/4)
NEC Electronics предлагает разработчикам широчайший спектр микроконтроллеров. Рассмотрим подробнее линейку микроконтроллеров общего назначения K_line (рис. 8).
Рис. 8. K_Line (на рисунке не показаны самые маленькие устройства — микроконтроллеры с малым количеством выводов)
Линия разделена на подгруппы от KA1(+) до KJ1(+).
Буква K в названии подгруппы означает принадлежность к K_Line, буквенный индекс А, В, C… J определяет количество выводов корпуса и функциональный набор периферийных устройств.
Цифра, стоящая в обозначении подгруппы, означает поколение устройств. Плюс обозначает модификацию. Каждая подгруппа содержит несколько номиналов памяти и, кроме того, может включать в себя устройства с различными ядрами.
Все устройства одной подгруппы имеют одинаковые набор периферии и расположение выводов. Подгруппа со «старшим» буквенным индексом содержит периферийные устройства младшей подгруппы, благодаря чему обеспечивается возможность наращивания функциональных возможностей разрабатываемой системы без переработки программного обеспечения.
Микроконтроллеры нового поколения обратно совместимы с микроконтроллерами старого поколения, таким образом, возможно усовершенствование изделий, уже находящихся в производстве. Программное обеспечение для 8- и 32- разрядных устройств выполнено на основе одной и той же программной профессиональной платформы IAR workbench, а следовательно, если разработчик работал с 8-разрядными устройствами, то он, не переучиваясь, может начать разработки на основе 32-разрядных микроконтроллеров.
Кроме микроконтроллеров линии K_Line NEC также предлагает 32-разрядные микроконтроллеры c большими объемами памяти (S_Line), микроконтроллеры с CAN-интерфейсом (F_Line), микроконтроллеры для управления электродвигателями, микроконтроллеры с пониженным энергопотреблением, а так же 32-разрядные процессоры повышенной производительности (рис. 9).
Рис. 9. 32-разрядные ядра NEC
В статье использованы материалы с официального сайта NEC Electronics, а также общедоступная информация из открытых источников.
Геннадий Горюнов
|
