De-a lungul ultimilor 20 de ani, arhitectura ARM a devenit nucleul nu numai al telefoanelor inteligente, ci și al multor sisteme embedded care au nevoie de procesoare pe 32-biți. Există câțiva furnizori majori de procesoare și SoC-uri pe piața sistemelor embedded care nu au în portofoliul lor oferte bazate pe această arhitectură. Pentru câțiva, gama produselor pe care le furnizează este imensă.
La un moment dat, oportunitățile de diferențiere pot părea limitate dacă cei mai mulți dintre furnizori folosesc aceeași arhitectură de bază. Pe de altă parte, furnizorii susțin contrariul: bazându-se pe arhitectura ARM pentru procesorul de bază din proiectele lor, ei se pot concentra mult mai agresiv asupra unor caracteristici care contează foarte mult pentru dezvoltator și/sau integrator.
Figura 1: Arm® Cortex®-A9 Core – Diagrama bloc
Geoff Lees, Senior Vice President & General Manager for Microcontrollers la NXP, spune că firma la care lucrează a adoptat de timpuriu nucleele bazate pe ARM pentru piața sistemelor embedded, concentrându-se inițial pe conectivitatea la internet. “A fost proiectat pentru a servi noua piață de conectivitate prin cablu prin furnizarea unui modem de 56K”, își amintește el.
De atunci, prin creștere organică, dar și prin achiziții, NXP a realizat numeroase linii de produse. “Ne-am situat mereu la cel mai înalt nivel de performanță din domeniu. Suntem foarte puternici în aplicații precum conversia energiei, controlul motorului și conectivitatea wireless”, explică Lees.
Printre familiile de înaltă performanță se numără procesoarele i.MX și Layerscape. Lees continuă: “Ambele sunt bazate pe ARM și sunt complementare. Layerscape este proiectat pentru procesare și comunicații de date la cel mai înalt nivel. i.MX acoperă multe piețe: de consum, industria auto și altele. La un nivel mai jos, avem Kinetis, de asemenea bazată pe ARM, această familie fiind orientată pentru a oferi conectivitate pentru aplicații precum IoT. Acum cincisprezece ani, acesta era primul microcontroler flash Arm32, iar acum există o varietate masivă în această familie. Avem aproape 25.000 de clienți pentru acest produs.”
STMicroelectronics a fost, de asemenea, un susținător al arhitecturii ARM pentru o lungă perioadă de timp, spune Laurent Vera, EMEA Marketing Director la STMicroelectronics. “ST a decis să facă o schimbare acum 10 ani, proiectând primul microcontroler pe 32-biți – STM32 – bazat pe un nucleu Arm Cortex-M3”.
“Succesul ARM pe piața microcontrolerelor embedded pe 32-biți nu a fost un slam dunk (n.red. slam dunk = o aruncare de sus în lumea baschetului, atunci când mingea este introdusă forțat de sus în jos în coșul advers cu o mână sau cu ambele mâini.)“, spune Vera și continuă: “Am înțeles valoarea dată de un mediu deschis și cuprinzător, care poate oferi proiectanților performanțe remarcabile, de mare valoare, precum și instrumente excepționale, iar ST a contribuit în mod semnificativ la acest succes, oferind o mare familie de microcontrolere, de-a lungul întregului spectru de putere, performanță, integrare și preț.”
Lees spune că un factor suplimentar în succesul arhitecturii ARM este ecosistemul, care include și lanțul de aprovizionare. “În spațiul microcontrolerului, nucleul este mai puțin important, dar ecosistemul devine din ce în ce mai important, iar standardul hardware ARM permite crearea acestuia. Trebuie luat în considerație și faptul că distribuitorii sunt preocupați de numărul de arhitecturi pe care le pot suporta. În mod ideal, aceștia doresc să susțină o arhitectură, iar ARM este un beneficiu real pentru ei. Acest lucru are importanță și pentru noi, deoarece aproximativ două treimi din afacerea noastră se află pe piața de distribuție.”
Figura 2: Mediul deschis de dezvoltare STM32
Suportul software este o metodă cheie pentru furnizori precum NXP și ST pentru a construi o afacere de succes în partea de top a nucleelor ARM. Lees explică: “În ultimii cinci ani, ne-am concentrat foarte mult pe software. Astăzi, ne concentrăm mai puțin pe furnizarea de facilități, precum Android și mai mult pentru a oferi soluții de programe pe aplicații specifice. Astăzi multe dintre provocările de proiectare sunt în software și acest lucru este reflectat de faptul că jumătate din echipa noastră de ingineri sunt ingineri de software.”
Vera spune că ST și-a construit propriul lanț de instrumente care cuprinde mediul deschis de dezvoltare STM32 Open Development și sistemul de dezvoltare STM32 Nucleo pentru a permite echipelor de inginerie “să-și dezvolte în așa fel proiectele încât ideile lor să genereze rapid venituri”.
Henry Wiechman, Director of Embedded Processor Software Marketing and Strategy la TI, afirmă că furnizarea de lanțuri de instrumente de către producătorii de siliciu este importantă deoarece proiectanții de microcontrolere au înțeles ce le trebuie pentru a extrage maximul de performanță din soluțiile lor și pentru a utiliza funcțiile software de top. “Un alt motiv este acela de a putea lucra cu familiile de produse TI, permițându-le să se conecteze la un singur mediu. Acest lucru nu înseamnă doar programarea nucleului, ci configurarea acceleratoarelor și a perifericelor într-un mod optimizat” adaugă el.
Deblocarea valorii perifericelor și a altor funcționalități este vitală, spune Vera. “Am înțeles totuși că valoarea unui microcontroler nu se afla în nucleul său, ci în tot ce exista în jurul lui. STM32 este mai mult decât un nucleu: este compus din IP-ul (Intellectual Property) unic al ST.”
Precum alți furnizori, ST împachetează ambele IP-uri – analogic și digital – în jurul nucleului ARM, cu scopul de a servi mai multe piețe și nenumărate cazuri de utilizare. “Există multe ingrediente care fac produsul nostru unic. Acest ST IP, adăugat peste arhitectura standard ARM IP este doar unul dintre ingredientele care alcătuiesc compoziția noastră secretă”, spune Vera.
Abilitatea de a adăuga microcontrolerului o mare varietate de periferice IP este vitală, spune Adrian Fernandez, Microcontroller Development Experience Manager la Texas Instruments: “Aceasta permite producătorilor de siliciu să se diferențieze dincolo de nucleu cu periferice, procesoare de rețea wireless etc. Înseamnă că putem încerca să rezolvăm problemele la nivel de sistem. Dacă inginerii trebuie să obțină un produs diferențiat, trebuie să se uite în afara nucleului.”
Fernandez evidențiază platforma Simplelink MCU, din portofoliul extins de soluții al TI bazate pe ARM, ca platformă pentru numeroase aplicații. “Sunt microcontrolere bazate pe ARM pentru aplicații conectate, cu sau fără fir. Acestea suportă un set diversificat de clienți deoarece permit inginerilor să inoveze rapid. Noi numim această ‘agilitate’ din perspectiva dezvoltării. Microcontrolerele noastre oferă o gamă largă de conectivități diferite, în special wireless înalt integrat și asigură un portofoliu puternic cu periferice potrivite, memorie, funcționalitate analogică și radio.”
Fernandez explică avantajele clienților atunci când aceștia folosesc soluțiile TI privind proiectarea cu microcontrolere și furnizarea de software: “Modul în care inginerii ar putea beneficia de portabilitate este, de exemplu, atunci când aceștia vor să proiecteze un termostat și ar putea alege să dezvolte o aplicație conectată la ethernet, în timp ce piața este interesată de o soluție WiFi. Atât timp cât mulți clienți își petrec majoritatea timpului cu software-ul, iar reutilizarea codului este foarte importantă, kit-ul software de dezvoltare (SDK) dezvoltat de TI permite ca o mare parte a investiției software să fie utilizată într-un produs nou. Portabilitatea înseamnă că un client poate lansa în propria sa piață un portofoliu de produse, nu doar unul.”
Andy Harding, Director of Broad-Based Solutions la Renesas Electronics, subliniază un factor cheie, dincolo de software, pentru a încerca să afle de ce producătorii sunt capabili să utilizeze aceeași arhitectură de bază pentru atât de multe și diferite aplicații: “‘Compoziția secretă’ fundamentală este tehnologia de proces care permite performanțe remarcabile și o integrare înaltă, în special datorită capabilității de ‘stare zero de așteptare’ flash oferită de dispozitivele noastre care au un istoric incredibil în ceea ce privește fiabilitatea și păstrarea datelor”. “Putem integra mai multă memorie decât au nevoie majoritatea clienților și care să fie operată la viteză maximă, fără stări de așteptare. Iar microcontrolerele noastre pe 32-biți funcționează la frecvențe de ceas de 240 MHz, cu instrucțiuni foarte eficiente. Optimizarea perifericelor ține, de obicei, de specificul aplicațiilor. De exemplu, pentru simplificarea controlului, ne-am dedicat dezvoltării timerelor de control al motorului, care oferă detecție încrucișată zero și funcționalitate VCA.”
Figura 3: Silicon Labs ARM® Cortex®-M3 – Diagrama bloc
Cheia pentru a aduce împreună aceste funcții, într-un mod în care să funcționeze pentru clienți, spune Harding, este să te concentrezi asupra nevoilor clienților țintă. “Cu ani în urmă, făceam parte dintr-o mică echipă din Renesas, însărcinată cu definirea strategiei de dezvoltare a noii generații de microcontrolere. Cea mai mare provocare a fost că toată lumea știa că piața ar fi în căutarea unei soluții cu nucleu ARM.”
Harding povestește că riscul a fost acela de a pune pur și simplu nucleele ARM în produsele standard “Ne-ar fi trimis la categoria ‘și alți’ vânzători dintr-o piață deja aglomerată. Ceea ce am constatat a fost că trebuie să gândim dincolo de dispozitivul cu siliciu, să creăm platforme care să se diferențieze prin scurtarea ciclurilor de proiectare, simplificând demararea proiectului și reducând costurile totale ale companiei”.
Utilizarea unei arhitecturi obișnuite preluate de la un specialist în procesoare, cum ar fi ARM, ajută la eliberarea resurselor pentru dezvoltatorul de siliciu pentru a profita din plin de inovațiile procesului și proiectării circuitului. Oivind Loe, Senior Manager of Marketing Strategic la Silicon Labs, spune: “Aceasta permite companiei SiLabs să se concentreze asupra altor lucruri. Acum douăzeci de ani, toată lumea și-a făcut propriul nucleu de procesor, pentru care au fost alocate importante resurse inginerești.”
Deși există multe motive pentru a adopta o arhitectură de nucleu care este frecvent utilizată în întreaga industrie, modificarea cerințelor implică faptul că nucleul utilizat astăzi nu va fi neapărat cel mai bun pentru unele aplicații viitoare. Loe evidențiază securitatea, consumul extrem de scăzut de putere și învățarea automată ca domenii care necesită o inovație mai mare în nucleul procesorului. “Fie ARM va oferi această inovație, fie va fi o oportunitate pentru o altă arhitectură”, spune el.
Fernandez spune că nucleul proprietar TI, MSP430 pe 16-biți, este important pentru unele aplicații, în special în ceea ce privește eficiența energetică. “Un nucleu proprietar ne permite să oferim capabilități unice variind de la consumul redus de energie la memoria FRAM. Deci, e posibil să existe motive reale pentru a merge cu un nucleu terț, cum ar fi ARM, dar există și posibilitatea de a se construi un microcontroler cu nucleu bazat pe o arhitectură proprietară.”
Lees crede că arhitectura ‘open-source’ RISC-V este o dezvoltare interesantă. “Dar nu avem probleme cu modelul ARM”, notează el. Abilitatea producătorilor de siliciu în a se diferenția în domeniul embedded prin intermediul software-ului, procesului de inovare și al perifericelor inteligente, reprezintă provocări extrem de complexe pentru o familie de procesoare de nivel industrial, precum ARM.
Autor: Cliff Ortmeyer,
Director global dezvoltare de soluţii
Premier Farnell și Farnell element14
Farnell element14 | ro.farnell.com
