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PSoC FOR IoT
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- ELETTRONICA OGGI 464 - SETTEMBRE 2017
zati in una varietà di applicazioni che hanno sfruttato i vantaggi
derivati da:
Flessibilità dell’architettura programmabile, che semplifica la
modifica delle funzionalità del sistema in ogni fase del processo
di sviluppo senza richiedere il re-spin del layout della scheda.
Ampia scelta di funzioni e interfacce analogiche ad alte pre-
stazioni.
Con la serie PSoC 6, in ogni caso, Cypress ha voluto realizzare
dispositivi PSoC espressamente concepiti per le applicazioni IoT
con l’obiettivo di rendere disponibili agli utilizzatori di microcon-
trollori funzionalità e caratteristiche migliori rispetto a quelle di
qualsiasi altra soluzione al momento reperibile sul mercato.
La struttura di questi nuovi PSoC è stata completamente ripen-
sata a partire dalla tecnologia di processo: si tratta dei primi di-
spositivi della famiglia a essere realizzati con tecnologia da 40
nm, un nodo di processo che garantisce consumi estremamente
ridotti. Cypress ha anche introdotto un’importante innovazione a
livello architetturale: PSoC 6 è un dispositivo dual core che pre-
vede, come riportato in figura 1, un core ARM Cortex-M4 ad alte
prestazioni operante a una frequenza massima di 150 MHz e un
core ARM Cortex-M0 a basso consumo. La realizzazione in tec-
nologia da 40 nm di questi due core assicura l’ottimizzazione in
termini sia di prestazioni sia di consumi. PSoC 6 prevede anche
una modalità attiva a basso consumo in cui i core ARM Cortex-
M4 e ARM Cortex-M0+ assorbono solamente 22 μA/MHz e 15
μA/MHz rispettivamente. Altri controllori disponibili sul mercato,
anch’essi basati su un core ARM Cortex-M4, in modalità attiva
l’assorbimento di corrente è oltre tre volte più elevato. I vantaggi,
in termini di consumi, di questa architettura flessibile permet-
tono anche di ripartire in modo “intelligente” le funzionalità del
sistema. In un dispositivo come un sensore wireless, ad esempio,
le funzioni di rilevamento o di “sensor hub” (che contempla cioè
l’integrazione e l’elaborazione dei dati provenienti da più sen-
sori), che richiedono una ridotta potenza di calcolo ma devono
restare sempre attive, possono girare sul core ARM Cortex-M0
mentre l’altro core ARM Cortex-M4 rimane nello stato di “sleep”.
Quest’ultimo, dal canto suo, può “risvegliarsi” su base periodica
per eseguire in tempi brevi compiti che richiedono un’elevata
potenza di calcolo, come l’elaborazione di gruppi di dati rilevati
prima della trasmissione a un server cloud. I dispositivi PSoC
6 sono anche in grado di implementare la variazione (scaling)
dinamica della frequenza e della tensione inmodo da ottimizzare
consumi e throughput. La ripartizione delle funzioni permette di
abbinare in un unico chip elevata capacità di elaborazione, alte
prestazioni e consumi estremamente ridotti.
Memoria sicura on-chip
Le innovazioni apportate a livello architetturale assicurano dun-
que la combinazione tra prestazioni e consumi, richiesta inmolte
applicazioni in cui i nodi terminali IoT devono essere sempre at-
tivi (always-on). I dispositivi IoT, inoltre, devono integrare funzioni
di sicurezza per proteggere dati, privacy dell’utente, sistemi e reti.
Nei componenti PSoC 6 ciò è possibile grazie a TEE (Trusted Exe-
cution Environment) che mette a disposizione contemporanea-
mente più zone di memoria on-chip che ospitano applicazioni
Un tale insieme di requisiti non può essere supportato dalle
funzionalità offerte da processori e microcontrollori “legacy”
sviluppati prima dell’avvento dell’era IoT. Questi dispositivi “le-
gacy” solitamente sono stati ottimizzati in termini o di consumi
o di prestazioni e non per entrambi. Anche le funzioni di sicu-
rezza sono relativamente scarse, ragion per cui i progettisti di
dispositivi per applicazioni IoT devono integrare componenti
discreti per la sicurezza, come ad esempio circuiti integrati di
autenticazione e processori crittografici nei loro design insie-
me al controllore. Anche per la connettività, in generale, è ri-
chiesta l’aggiunta di componenti discreti. Per il progettista ciò
implica la necessità di utilizzare un gran numero di componenti,
per cui è necessario prevedere una scheda di dimensioni mag-
giori, e il dover accettare compromessi in termini di rapporto
tra prestazioni e consumi. A questo punto, è utile puntualizzare
che ciò non vuol dire che i controllori “legacy” siano dispositi-
vi scadenti; semplicemente sono cambiati i requisiti e questi
dispositivi non sono più adatti a soddisfare le nuove esigenze.
Grazie a una nuova famiglia di controllori, espressamente rea-
lizzata per le applicazioni IoT, è ora possibile superare le pro-
blematiche tipiche dei componenti “legacy”.
Architettura programmabile: il punto di partenza
La nuova architettura in questione è quella delle MCU PSoC6
di
Cypress Semiconductor.
I dispositivi PSoC6 sono basati
sui medesimi blocchi base programmabili degli altri membri
della famiglia PSoC: si tratta di periferiche analogiche e digitali
definite via software che l’utente può configurare, utilizzando
solitamente il tool di sviluppo PSoC Creator, per creare AFE
(Analog Front End) per i sensori. Le periferiche digitali possono
essere configurate come interfacce di comunicazione, oppure
come timer/contatori/PWM, o ancora per implementare logica
sparsa (glue logic).
Nell’architettura delle MCU PSoC 6, queste periferiche configu-
rabili sono supportate da risorse di sistema essenziali che sono
cablate all’interno del chip, come ad esempio:
memoria di sistema.
Un core processore ARM Cortex-M.
I/O e percorsi di istradamento e interconnessioni program-
mabili. Le periferiche più comuni, come l’interfaccia USB e i cir-
cuiti per il rilevamento capacitivo CapSense sono anch’esse già
integrate nei dispositivi PSoC. I precedenti prodotti della serie,
come i dispositivi PSoC 4 e PSoC 5 sono stati ampiamente utiliz-
Fig. 1 – Esempio dell’architettura della MCU di tipo dual-core