Microcontrollori Flash, la parola d’ordine è flessibilità

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La memorizzazione di dati per via remota e la prototipazione.

Questo consente di adeguarsi rapidamente al mutare delle esigenze
di mercato, di ridurre i costi e di comprimere il time-to-market

Considerata inizialmente una tecnologia di nicchia riservata alla prototipazione, i microcontrollori Flash hanno progressivamente assistito a una consistente diffusione in particolare nelle applicazioni dotate di un ciclo di vita piuttosto lungo (anche tre anni o più) caratterizzate da un’elevata complessità e in cui il costo non costituisce un fattore limitante.

Tipici settori di impiego sono ad esempio quello automotive e industriale, dove la possibilità di eseguire aggiornamenti sul campo anche per via remota costituisce un grosso vantaggio, in grado di giustificare il prezzo in genere superiore rispetto alle soluzioni tradizionali.

I dispositivi OTP (One Time Programmable) infatti costano in genere il 20% in meno rispetto a Flash ad essi compatibili e le memorie ROM il 20% in meno rispetto alle soluzioni OTP.

I processi tecnologici OTP e ROM sono incomparabilmente più semplici di quello Flash e non necessitano di circuiteria per la generazione di alte tensioni.

Una sensibile differenza fra le tecnologie si osserva anche nei tempi di programmazione, rispettivamente di 100ms per gli OTP e di ben 10ms per le Flash.

Nei dispositivi ROM il programma viene definito al momento della fabbricazione, quindi non esiste alcun grado di flessibilità.

Inoltre la tecnologia comporta severi problemi logistici: dovendo essere programmati nel luogo di fabbricazione, i microcontrollori ROM vanno ordinati almeno dieci settimane prima della data in cui è necessaria la disponibilità del prodotto e occorre prevedere con estrema cautela il numero esatto di componenti di cui si avrà bisogno.

I dispositivi “inutilizzati” non possono più essere riprogrammati per un’altra applicazione (come avviene molto facilmente per i microcontrollori Flash) e di fronte a un aumento inatteso della domanda i tempi di attesa dei nuovi dispositivi sono inaccettabili.

Tuttavia nelle applicazioni con ciclo di vita lungo, una volta che il software è stabile, un microcontrollore ROM si presenta come il prodotto più economico a parità di funzionalità, anche per la maggiore compattezza della cella di memoria; tanto è vero che tradizionalmente il mercato dei microcontrollori con memoria non volatile on-chip era dominato dalle versioni ROM.

Le memorie OTP sono cancellabili tramite esposizione a raggi ultravioletti.

Essendo i microcontrollori OTP forniti in package plastici privi di finestra, una volta programmato, il dispositivo OTP non può più essere cancellato.

Le applicazioni in cui questi dispositivi sono particolarmente adatti sono caratterizzate da una limitata necessità di aggiornare il software sul campo e da cicli di vita molto brevi.

Ultimamente il costo e le dimensioni delle memorie Flash si sono inoltre sempre più avvicinati a quelli delle soluzioni ROM.

Quando la tecnologia Flash è stata introdotta per la prima volta, le dimensioni di una cella erano ben quattro volte rispetto a quelle di una memoria ROM.

Oggi invece la differenza fra le dimensioni di una cella Flash e una cella ROM si sono sensibilmente ridotte.

Inoltre i blocchi di memoria Flash stanno occupando percentuali sempre minori del chip anche per via dell’integrazione di un numero sempre crescente di periferiche nel microcontrollore.

Di conseguenza l’incidenza del costo della Flash su quello complessivo del microcontrollore sta diminuendo progressivamente.

Si stima che il mercato mondiale relativo ai soli microcontrollori Flash a 8 bit, che ha totalizzato ben 600 milioni di dollari nel 2000, passerà a 1.6 miliardi di dollari entro il 2003, dato che si assisterà a una migrazione progressiva di applicazioni chiave verso la tecnologia Flash.

In-System-Programming (ISP)
e In-Application-Programming (IAP

Fra i vantaggi più importanti presentati dalla tecnologia Flash figurano le funzionalità ISP e IAP.

La funzionalità ISP (In-System Programming) consiste nella capacità della memoria Flash di essere programmata anche quando è già montata sul prodotto finale essendo la tecnologia Flash non volatile e programmabile.

Gli errori software possono essere così corretti anche all’ultimo momento e in modo estremamente economico.

Il software può anche essere scaricato per via remota e la riprogrammazione può avvenire anche tramite un semplice PC, anche con connessione infrarossa, wireless o modem.

Inoltre, con la possibilità di proteggere dei blocchi di memoria da scrittura, i microcontrollori Flash garantiscono l’integrità dei dati in modo più efficiente rispetto ad altre soluzioni e preservano il dispositivo contro la sovrascrittura accidentale della memoria e contro eventuali atti di pirateria software.

In-Application Programming IAP indica invece la possibilità di programmare la memoria Flash anche per via remota mentre nel microcontrollore sono in esecuzione delle applicazioni.

Il microcontrollore stesso può quindi anche eseguire delle istruzioni che riprogrammano la Flash interna.

La funzionalità IAP può essere ottenuta anche in soluzioni con Flash esterna, a patto che il microcontrollore possa disporre di un blocco per l’esecuzione del codice, mentre è in corso la programmazione della Flash.

Funzionalità confrontabili con IAP e ISP si trovano anche in altri dispositivi quali CPLD (Complex Programmable Logic Devices) e FPGA (Field Programmable Gate Array)
Per una panoramica più completa, si vedano anche gli articoli di F.Gambini apparsi sul n.296 (pag.134) e 298 (pag.44) di Elettronica Oggi.

Cosa offre il mercato

La panoramica che segue, che non pretende di essere completa, è focalizzata sulle novità di maggior rilievo introdotte di recente.

Atmel Wireless & Microcontrollers
Atmel Wireless & Microcontrollers è una divisione Atmel costituita nell’agosto 2000 in seguito all’acquisizione di TEMICSemiconductors.

L’azienda offre una famiglia completa di microcontrollori Flash basati sul core 80C51, dotata di una vasta gamma di funzionalità che la rendono adatta per un consistente numero di applicazioni, dai set-top-box ai lettori di smart card, ai monitor LCD ai sistemi di allarme, al controllo industriale e di motori.

I dispositivi della serie T89C51xx sono dotati di memoria Flash on-chip da 8, 16, 32 o 64 Kbyte con blocco di boot, che può essere programmata e cancellata per byte o per blocchi, anche quando un’applicazione è in esecuzione, (funzionalità IAP), consentendo la diagnosi remota e l’aggiornamento sul campo.

Il funzionamento è garantito per 10.000 cicli di scrittura e la ritenzione dati per 10 anni, nel range di temperature industriali.

Fra le altre funzionalità presenti figurano una memoria embedded EEPROM da 2Kbyte garantita per 100.000 cicli di scrittura per la massima flessibilità nella gestione dei dati memorizzati, un blocco I2C, un oscillatore da 32KHz e un convertitore A/D a 10 bit.

I dispositivi possiedono inoltre due modalità di funzionamento ad attività ridotta selezionabili via software, per una più efficace riduzione della dissipazione: il modo idle, in cui la CPU è inattiva mentre le periferiche e il sistema di interrupt sono ancora funzionanti; il modo power down, in cui il contenuto della RAM viene salvato e tutte le altre funzioni sono sospese.

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