Da quando sono stati inventati ed è iniziata la produzione nei primi anni ‘70, gli MCU sono stati progettati e realizzati da un grande numero di aziende specializzate in semiconduttori, che hanno sviluppato proprie linee, principalmente basate su architetture esclusive. In particolare nel mercato a 8 bit, con dispositivi quali H8 di Renesas, ST6/7 di STMicroelectronics e PIC di Microchip, ma anche nel settore a 32 bit, ad esempio con R32 e SuperH di Renesas o Power Architecture di Freescale o C28X di Texas Instruments, per citarne solo alcuni.
Tuttavia, negli ultimi dieci anni, si è notata una tendenza in aumento tra i fornitori di dispositivi al silicio a non sviluppare core per microprocessore proprietari, bensì ad acquistare in licenza core e architetture da aziende IP quali ARM e MIPS. Proprio queste due aziende, fra le altre, si sono disputate aspramente i progetti chiave per i microprocessori avanzati, ASIC e ASSP, per una gamma di mercati e applicazioni integrate, ma all’esterno del socket dei microprocessori per PC.
Convergenza su ARM
Attualmente ARM è leader, con la quota più ampia sul mercato dei core per processore, soprattutto per i progetti wireless mobile, sicuramente per il livello di consumo senza confronti della sua architettura, oltre agli innegabili vantaggi offerti dalla densità del codice compilato. Il set di istruzioni Thumb di ARM è stato introdotto per la prima volta nel core ARM7TDMI e ha consentito una riduzione significativa dei requisiti di memoria. Oggi quasi tutti gli smartphone e i dispositivi mobili integrano un core ARM. Anche l’architettura ARM è sempre più diffusa negli ASIC e ASSP per applicazioni industriali, informatiche e consumer.
La famiglia Cortex-M
In ogni caso, nel mercato degli MCU per impieghi generali, negli ultimi cinque anni si è assistito a un consolidamento rapidissimo, che ha visto l’ascesa di ARM, protagonista nella fornitura di core per microprocessore.
Inizialmente molti fornitori hanno lanciato famiglie di MCU basati su ARM7TDMI, con alcuni prodotti di derivazione, sviluppati su ARM9TDMI. La vera svolta, comunque, è avvenuta con la famiglia Cortex-M e in particolare con il Cortex-M3.
Questo core, lanciato nel 2004, è stato sviluppato appositamente per l’implementazione negli MCU e probabilmente rappresenta il processore MCU a 32 bit per impieghi generali più utilizzato in una vastissima gamma di dispositivi embedded. Oggi è stato adottato da numerosi produttori di chip, quali NXP (LPC1x00), STMicroelectronics (ST) STM32 e
Texas Instruments (TI) Stellaris. Benché queste grandi aziende mantengano tuttora programmi di sviluppo dei processori ASIC e ASSP, molti dei quali includono core ARM come i Cortex di fascia alta A8 o A9, le loro roadmap per gli MCU per impieghi generali si basano in misura crescente sui core Cortex-M di ARM.
È interessante notare che, a metà del 2011, TI ha lanciato una serie di MCU a 32 bit e doppio core che integra sia il proprio core C28x sia un Cortex-M3 per controllare le periferiche. Anche gli altri due membri della famiglia Cortex, M0 e M4, vengono sempre più largamente utilizzati nelle nuove famiglie di MCU. M0 è il core di ARM più piccolo, dal codice più compatto e con l’efficienza energetica più elevata, mentre M4 sostanzialmente aggiunge a M3 ulteriori capacità DSP.
Nell’ultimo anno, NXP, ST e Freescale, con la propria famiglia Kinetis, hanno tutte annunciato famiglie basate su M4; NXP e ST hanno inoltre lanciato o annunciato varietà del Cortex-M0.
Secondo ARM, il numero totale di licenziatari per la famiglia Cortex-M, inclusi i core per processore M0, M3 e M4, ormai raggiunge un cifra a tre zeri.
L’unica eccezione alla regola – almeno per un produttore leader di MCU – è Microchip, che ha basato la propria roadmap per gli MCU PIC a 32 bit sul core per processore MIPS32 M4K. Anche l’architettura PIC figura ancora tra i protagonisti del settore a 8 bit, senza dubbio per il volume di unità distribuite. Sicuramente per Microchip un vantaggio essenziale è il grande numero di studenti che iniziano l’attività professionale ogni anno e conoscono gli MCU PIC a causa del loro utilizzo generalizzato nelle università e nei dipartimenti di ingegneria dei college.
Il mercato a 8 bit si sta riducendo?
Naturalmente, si è molto parlato della possibilità che il mercato a 8 bit, a lungo termine, venga divorato dai dispositivi a 32 bit, a basso costo e ad alte prestazioni.
Eppure il mercato dei prodotti a lunghezza di dati inferiore continua a sopravvivere, anzi a prosperare, grazie alla disponibilità di nuove applicazioni, sostenute dalla diffusione continua e crescente dell’elettronica nei prodotti consumer, nelle apparecchiature domestiche e nei dispositivi medici, fra gli altri. Allo stesso tempo, i dispositivi a 32 bit continuano a espandersi nelle applicazioni più mature, a scapito degli MCU a 8 e a 16 bit. Gli MCU a 32 bit più recenti supportano numerose funzionalità aggiuntive e una molteplicità di periferiche on-chip – a prezzi sempre più competitivi, fino a un dollaro a chip. O persino meno.
L’evoluzione verso un’architettura comune
Le sfide da affrontare e le problematiche da risolvere sono senz’altro troppe perché i fornitori di MCU decidano anche solo di discostarsi dalle loro architetture proprietarie. Non è facile abbandonare anni di investimenti in hardware, software e strumenti di sviluppo. E come aspettarsi che questi stessi fornitori mettano in dubbio presso i loro clienti le future roadmap e tutto il codice legacy sviluppato appositamente per una specifica architettura o famiglia di MCU?
È prevedibile che un’architettura aperta offra notevoli benefici ai clienti, quali la possibilità di fare riferimento a un’ampia scelta di fornitori o di passare dall’uno all’altro per motivi di convenienza, prestazioni o selezione di periferiche.
Sebbene, ad esempio, gli MCU basati sul Cortex-M3 non saranno mai identici, il processo di migrazione da un fornitore all’altro, per quanto complesso, non dovrebbe implicare lo stesso livello di difficoltà del passaggio fra architetture proprietarie sostanzialmente diverse. Inoltre, in seguito alla crisi finanziaria, il mercato ha assistito a un significativo consolidamento dei fornitori di MCU negli ultimi anni. Soprattutto nel mercato industriale, per i clienti è importante affidarsi a un processore disponibile da minimo 10 o 15 anni. In tal caso infatti l’architettura comune può garantire un notevole margine di sicurezza contro l’obsolescenza.
Un altro vantaggio è la grande disponibilità di librerie di componenti software, che accelera i tempi di commercializzazione. Passando a una comune architettura ARM, diventa infatti possibile usufruire dell’ampia disponibilità di strumenti di sviluppo/debug basati su ARM, da tutti i fornitori leader di strumenti di terze parti.
Selezione in base alla periferica
Se i fornitori di MCU tendono a basare i propri cataloghi sull’architettura “aperta” o “non proprietaria” di ARM, devono anche trovare altri modi per differenziare i propri prodotti. Nel processo di selezione di un MCU rientrano pertanto vari fattori, inclusi il core del microprocessore, la velocità, la memoria, la scelta delle periferiche, il prezzo, gli strumenti di sviluppo, il sistema operativo e il supporto del software. La scelta del core del processore dovrebbe determinare, o quantomeno influenzare, alcune delle altre opzioni.
Ma sembra che il settore si stia muovendo verso una fase in cui la selezione delle periferiche sarà il criterio dominante, e verrà effettuata sempre meno tenendo conto delle funzionalità di un determinato core MCU.
Senza dubbio, le periferiche rappresentano un fattore chiave per la scelta di applicazioni specifiche. È quindi possibile che, in seguito alla “c
onvergenza” sulla famiglia Cortex di ARM (in cui il core del processore diventa il prodotto di base), si verifichi una “divergenza” di soluzioni che offriranno molte combinazioni diverse di periferiche per mercati eterogenei e di nicchia, in termini relativi. Leader del mercato saranno probabilmente due o tre fornitori chiave, con prodotti per ogni settore MCU principale, ad esempio nell’audio di alta qualità, dove un output I2S è indispensabile. In secondo piano, esisterà un’intera gamma di fornitori, collocabili in posizioni intermedie nel mainstream, che offriranno opzioni
di memoria, I/O e wireless simili, cercando di prevalere in termini di convenienza. Sarà questo il quadro del mercato MCU tra qualche anno?
Differenziazione dei clienti
Molto probabilmente il mercato andrà ai fornitori di chip che consentiranno ai clienti di distinguere più agevolmente i propri prodotti. NXP, ad esempio, consente uno sviluppo a basso costo, basato sulla scheda mbed. Ciò significa che, oggi, questo fornitore può contare su una comunità di tecnici che stanno sviluppando porzioni di codice applicativo e stack di protocollo per gestire varie periferiche.
In questo modo i clienti potranno concentrarsi sul software che distinguerà il loro prodotto, anziché doversi preoccupare dei driver di livello inferiore e degli stack di protocollo. Ma non c’è solo NXP, altri esempi comprendono Freescale, con la comunità Kinetis Tower e TI, con la comunità BeagleBoard. Quindi, siamo arrivati al punto in cui il software è il valore aggiunto e il dispositivo in silicio un prodotto di base?
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