Microcontrollori a 32 bit per applicazioni a basso consumo

Negli strumenti indossabili e nelle reti IoT i microcontrollori a 32 bit risolvono più efficacemente qualsiasi problematica d’interfaccia ma solo a patto che siano a consumo ultra basso

Pubblicato il 27 marzo 2017

Nonostante continui imperterrito il successo dei microcontrollori a 8 bit, sembra arrivato anche per i 32 bit un buon momento di mercato. In effetti, il basso costo e i bassi consumi delle architetture a 8 bit le hanno elette come prima scelta al momento di progettare una rete di applicazioni IoT e sono quasi sempre preferite, perché consentono di sperimentare le novità più rapidamente grazie alla maggior semplicità di configurazione. Ma, quando un sistema embedded ha bisogno di interfacciarsi con le periferiche più sofisticate, ecco che gli 8 bit non bastano più e si cerca il passaggio di categoria direttamente verso i microcontrollori a 32 bit.

Foto apertura Microchip

I sistemi basati su MCU a 32 bit si sono oggi affermati in ambito industriale, dove consentono di implementare applicazioni IoT nelle catene produttive e nell’organizzazione logistica e, inoltre, permettono di gestire i processi industriali con soluzioni cloud indipendenti dalle infrastrutture aziendali. A trainarne le vendite sono anche le applicazioni automotive, dove controllano gli azionamenti servo assistiti (drive-by-wire) e gestiscono la dotazione informatica di intrattenimento (infotainment), ma il settore dove i 32 bit stanno crescendo di più è il medicale in tutti i suoi aspetti e primo fra tutti il segmento degli apparati indossabili (wearable) di nuova generazione, che comprendono una varietà di strumenti diagnostici, i robot per assistenza alle disabilità e i sistemi IoT automatizzati per la somministrazione farmaci.

Non è un caso se le ultime architetture ARM Cortex A32 sono caratterizzate proprio dalla scalabilità e dalla versatilità d’interfacciamento e all’Embedded World 2016 il direttore vendite per il segmento embedded di ARM Will Tu ha dichiarato, fra l’altro, di vedere di buon occhio l’importante affermazione dei sistemi operativi Linux in quest’ambito, perché un’ampia disponibilità di software accessibile a tutti gli sviluppatori può favorire la crescita delle architetture a 32 bit, soprattutto a livello delle piccole imprese e per questo motivo i nuovi core ARM nascono con dotazioni già predisposte in tal senso. Tu ha detto anche che vede una distinzione applicativa sempre più rimarcata fra i sistemi di microcontrollo per le applicazioni wireless e quelli votati a Ethernet, come se si stessero formando due categorie di prodotti embedded a sé stanti.

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Fig. 1 – Integrano core indipendenti per gestire le periferiche i nuovi Microchip PIC32MM con efficienza di elaborazione di 1,53 DMIPS/MHz e consumi che scendono persino a 500 nA

Core periferici                                                                                     

Microchip è, come noto, particolarmente votata ai microcontrollori a 8 bit, soprattutto dopo la recente acquisizione di Atmel ma nel contempo progetta e produce anche MCU a 16 e a 32 bit. La scorsa estate ha introdotto la nuova famiglia PIC32MM, caratterizzata dai bassi consumi e dal basso costo ideali per il controllo motori e per le applicazioni IoT. La CPU microAptiv è RISC a 32 bit con set istruzioni microMIPS, prestazioni certificate di 1,53 DMIPS/MHz e clock variabile dalla continua fino a 25 MHz. La novità rispetto ai precedenti PIC32MX è nell’implementazione di core per le periferiche indipendenti dalla CPU, che consentono al dispositivo di gestire alcune funzionalità autonomamente senza interrompere l’attività della CPU.

Le Configurable Logic Cells (CLC) e i Multiple-output Capture Compare (MCCP) possono comandare i motori BLDC sollevandone la CPU e ottenere così maggior efficienza di elaborazione riducendo i consumi. A tal scopo, è stato aggiornato il tool Microchip MPLAB Code Configurator, in modo da poter ripartire al meglio le risorse fra la CPU e i core periferici. Ci sono diversi package a partire da Qfn e Ssop a 20 pin e 4×4 mm fino a 28, 36 e 40 pin da 5×5 e 6×6 mm, dove la memoria Flash a bordo aumenta da 16 kByte a 32 o 64 kByte. A bordo c’è un ADC SAR con risoluzione di 12 bit e velocità di 200 kSps e un DAC con risoluzione di 5 bit. Alimentabile da 2,0 a 3,6 V, consuma 5 µA in Standby e 500 nA in modalità Sleep.

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Fig. 2 – È pensato per la protezione delle applicazioni IoT il nuovo Microchip CEC1302 a 32 bit con i motori di crittografia hardware RSA-2048, SHA-256 e AES-128/192/256

Crittografia hardware   

La stessa Microchip ha rilasciato in primavera il microcontrollore a 32 bit CEC1302 Cryptography-Enables, che incorpora un motore di crittografia hardware pensato per offrire la massima sicurezza nelle applicazioni IoT che necessitano dell’autenticazione durante le transazioni. Oltre a proteggere i dati utente sensibili, la crittografia serve anche a difendere il firmware dei sistemi dai software maligni (malware) e dagli attacchi degli hacker e l’implementazione a livello hardware offre maggior velocità e minori consumi rispetto alle analoghe soluzioni puramente software.

Il core è ARM Cortex-M4 a 32 bit, con clock di 48 MHz, e si affianca a 128 kByte di memoria Sram, 32 kByte di Boot ROM e a una memoria Flash esterna collegata all’interfaccia SPI, che serve a memorizzare la configurazione dei motori di crittografia hardware RSA-2048, SHA-256 e AES con chiave a 128, 192 o 256 bit. A bordo ci sono cinque canali di conversione A/D con risoluzione di 10 bit, quattro timer programmabili e quattro modulatori PWM programmabili mentre il package è Wfbga a 144 pin di cui 116 sono GPIO.

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Fig. 3 – Sono ideali per le applicazioni wearable i nuovi EFM32 Gecko Silicon Labs che implementano solo core e periferiche di tipo Ultra-Low Power fra cui un motore crittografico e un’interfaccia sensori

Gecko indossabili

Silicon Labs ha realizzato la famiglia di microcontrollori EFM32 Gecko, dando la massima attenzione al contenimento dei consumi e perciò ha scelto i core ARM a 32 bit Ultra-Low Power Cortex-M0+ a 25 MHz, Cortex-M3 a 32, 40 e 48 MHz e Cortex-M4 a 40 e 48 MHz, implementandovi attorno solo periferiche a consumo ultra basso. I nuovi EFM32 Gecko offrono 1,25 DMIPS/MHz e hanno un assorbimento di corrente nella modalità attiva di 63 µA/MHz e due modalità di riposo (Sleep), dove la corrente scende a 1,4 µA e persino a 30 nA. Grazie a ciò, si possono impiegare nelle applicazioni IoT alimentate a batteria, come ad esempio le attrezzature medicali indossabili e la strumentazione wearable.

Le versioni Zero e Happy su Cortex-M0+ hanno rispettivamente 4 e 8 kByte di RAM e 32 o 64 kByte di Flash mentre le Tiny, Jade, Leopard e Giant su Cortex-M3 hanno RAM da 4 a 128 kB e Flash da 32 a 1024 kByte e, infine, le versioni Pearl e Wonder su Cortex-M4 hanno entrambe 32 kByte di RAM e 256 kByte di Flash. In base al modello, si può avere anche uno stadio ADC da 1 MSps con risoluzione di 12 bit, un motore di crittografia hardware per le codifiche AES a 128/256 bit e SHA-224/256 o un’interfaccia di monitoraggio sensori autonoma.

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Fig. 4 – Nelle famiglie STMicroelectronics STM32L43x e STM32L44x Ultra-Low Power sono stati aggiunti nuovi dispositivi con consumi ridotti a 84 µA/MHz e package di 5×5 e 3,14×3,14 mm

32 bit da 3,14×3,14 mm 

STMicroelectronics ha aggiunto cinque nuovi microcontrollori alle famiglie STM32L43x e STM32L44x, che ne migliorano la versatilità di impiego soprattutto nelle applicazioni a basso consumo. Nelle nuove versioni è stata aumentata la memoria Flash a 256 kByte nei dispositivi più piccoli e a 1024 kByte nei più grandi, sono stati resi disponibili nuovi package ancora più ridotti, come Qfn-32 da 5×5 mm, Lqfp-100 da 14×14 mm e Wlcsp da 3,14×3,14 mm, tutti con tolleranza termica che va da -40 a +85 °C.

Secondo il modello, troviamo inoltre integrati un convertitore ADC da 5 MSps con risoluzione di 12 bit, che diventano 16 bit con sovracampionamento (oversampling) a livello hardware, un TRNG (True Random-Number Generator) e/o un controller per pannelli LDC. Il core ARM Cortex-M4F a 32 bit con clock di 80 MHz è di tipo Ultra-Low Power e consente prestazioni di 1,25 DMIPS/MHz, pur consumando meno di 84 µA/MHz in esecuzione, che scendono in standby a 450 nA e a riposo persino a 5 nA, grazie all’innovativo FlexPowerControl, capace di diminuire il clock della CPU fino ad addormentarla, per poi riaccenderla, quando necessario, in meno di 5 µsecondi.

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Fig. 5 – Nei nuovi MSP432P401x Texas Instruments unisce i core ARM Cortex-M4 con l’architettura a segnali misti degli MSP430 ottenendo bassi consumi insieme a elevate prestazioni e ampia versatilità

ULP a segnali misti

Texas Instruments ha realizzato la nuova famiglia dei microcontrollori MSP432P401x, usando i core ARM Cortex-M4 a 32 bit Ultra-Low Power, adatti per quelle applicazioni IoT che, oltre ai bassi consumi, richiedono buona potenza di elaborazione e ampia versatilità d’interfacciamento. Queste MCU sfruttano l’impostazione a segnali misti dell’architettura MSP430, incorporando numerose periferiche che ne consentono la configurazione per un’ampia varietà di ambienti applicativi. In modalità attiva con clock di 48 MHz, il consumo è di 80 µA/MHz, mentre l’assorbimento di corrente scende a 660 nA in standby e a 25 nA a riposo.

Nei due modelli M e R troviamo a bordo, rispettivamente, 32 o 48 kByte di memoria RAM e 128 o 256 kByte di Flash, mentre in entrambi c’è un convertitore ADC SAR a 24 canali con velocità di 1 MSps e risoluzione di 14 bit, quattro I2C, otto SPI, sei temporizzatori, un acceleratore crittografico AES256 e 84 GPIO di cui una High Drive per le correnti fino a 20 mA e una Capacitive Touch specifica per i sensori capacitivi. I package sono Lqfp-100 da 14×14 mm, Nfbga-80 da 5×5 mm e Vqfn-64 da 9×9 mm, con tolleranza termica da -40 a +85°C. Oltre alle applicazioni IoT si rivolgono ai dispositivi medicali, alla domotica, alla sensoristica e all’automazione industriale.

Lucio Pellizzari



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